Validierung numerischer Erosionsmodelle in Einzelhang- und Einzugsgebiet-Dimension: mit 18 Tabellen und umfangreichem Anhang
Saved in:
| Main Author: | |
|---|---|
| Format: | Thesis Book |
| Language: | German |
| Published: |
Basel
Geographisches Institut der Universität Basel
2003
|
| Series: | Basler Beiträge zur Physiogeographie
Physiogeographica ; 32 |
| Subjects: | |
| Online Access: | Inhaltsverzeichnis |
| Physical Description: | Getr. Zählung Ill., graph. Darst., Kt. |
| ISBN: | 3859772597 |
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|---|---|
| adam_text | Titel: Validierung numerischer Erosionsmodelle in Einzelhang- und Einzugsgebiet-Dimension
Autor: Hebel, Bernd
Jahr: 2003
Verzeichnisse
Inhalt
1 Einleitung und Begriffliches 1
1.1 Einleitung 1
1.2 Abgrenzungsfragen 2
1.2.1 Bodenerosion 2
1.2.2 Oberflächenabfluss - oberflächlicher Gebietsabfluss (Gerinneabfluss) 2
1.2.3 Schwebstoffanstrag - oberflächlicher Stoffaustrag 3
1.3 Begriffliches 3
1.3.1 Allgemein 3
1.3.2 System und Modell 3
1.3.3 Modelltypen 4
1.3.4 Verifikation / Validierung / Evaluierung von Modellen 5
1.3.5 Modellgleichungen / Simulationsmodelle 6
1.3.6 Prozessgrö ssen 6
1.3.7 On-Site /Off-Site 7
2 Grundlegendes und aktueller Stand der Forschung 8
2.1 Bodenerosion durch Wasser 8
2.1.1 Problemstellung 8
2.1.2 Forschungsmethoden 10
2.1.3 Rückblick auf Arbeiten am Geographischen Institut der Universität Basel 14
2.2 Entwicklung von Erosionsmodellen 17
2.2.1 Empirische Modellgleichungen 17
2.2.2 Physikalische Simulationsmodelle 18
2.2.3 Zusammenfassender Überblick über Modellansätze und-arten 20
2.2.4 Verifikation / Validierung von Erosionsmodellen 21
2.3 Aktuelle landschaftsökologische Aspekte 25
2.3.1 Politische Umsetzung von Boden-und Gewässerschutz 25
2.3.2 Aktueller Klärungsbedarf in der Schweizerischen Erosionsforschung 29
3 Aufgabenstellung_________________________________________________________3J^
3.1 Überblick 31
3.2 Messung von Oberflächenabfluss und Bodenabtrag 31
3.2.1 Erosionsparzellen 31
3.2.2 Pegelmessungen in Kleineinzugsgebieten 32
3.2.3 Erosionsschadenskartierung 32
3.3 Modellierung von Oberflächenabfluss und Bodenabrrag 32
3.3.1 Einzelhang-Dimension 32
3.3.2 Einzugsgebiet-Dimension 33
3.4 Modelle als Instrumente zur Kontrolle von Erosionsrichtwerten 34
Verzeichnisse
3.4.1 Validierung der Modelle im Hinblick auf einen Einsatz zur
Richtwertkontrolle 34
3.4.2 Evaluierung von Modellen im Hinblick auf Anwendbarkeit und
Leistungsumfang 34
Material und Methodik_____________________________________________________________35_
4.1 Erosionsparzellen 35
4.1.1 Beschreibung der Messparzellen 35
4.1.2 Messung von Oberflächenabfluss und Bodenabtrag 36
4.1.3 Begleitende bodenphysikalische Messungen 37
4.1.4 Begleitende meteorologische Messungen 38
4.2 Einzugsgebiete 38
4.2.1 Beschreibung und Gegenüberstellung der Einzugsgebiete 38
4.2.2. Messung von oberflächlichem Gebietsabfluss und Feststoff austrag 55
4.2.3 Begleitende bodenphysikalische und meteorologische Messungen 58
4.2.4 Beschreibung der Erosionsschadenskartierung 58
4.3 Berechnung von Oberflächenabfluss und Bodenabtrag in Einzelhang-
Dimension 59
4.3.1 Kurzbeschreibung der verwendeten Modelle 59
4.3.2 Eingangsdaten 64
4.3.3 Kalibrierung und Modellapplikation 68
4.4 Berechnung von Gebietsabfluss und Sedimentaustrag in Einzugsgebiet-
Dimension 69
4.4.1 Kurzbeschreibung der verwendeten Modelle 69
4.4.2 Eingangsdaten 77
4.4.3 Kalibrierung und Modellapplikation 82
4.5 Verifikation der Modellergebnisse 83
4.5.1 Quantitativer Vergleich von Mess-und Rechenwerten 83
4.5.2 Qualitativer Vergleich der Modellergebnisse mit Schadenskartierungen 85
4.6 Validierung und Evaluierung von Modellen 85
4.6.1 Modellvalidierung durch Bewertung der Modellergebnisse 85
4.6.2 Modellevaluierung 86
Ergebnisse go.
5.1 Allgemeine Anmerkungen 89
5.2 Oberflächenabfluss und Bodenerosion von Erosionsmessparzellen 89
5.2.1 Mess- und Simulationsergebnisse in Einzelhang-Dimension 89
5.2.2 Verifikation der Einzelhang-Modelle 95
5.2.3 Validierung der Einzelhang-Modelle 99
5.3 Wasser- und Feststoffaustrag von Einzugsgebieten 100
5.3.1 Langfristige Mess- und Simulationsergebnisse in Einzugsgebiet-
Dimension JQQ
5.3.2 Quantitative Verifikation der Einzugsgebiet-Modelle bei langfristiger
Berechnung »ny
I
Verzeichnisse
5.3.3 Qualitative Verifikation anhand der Erosionsschadenskartierung 106
5.3.4 Zeitlich aufgelöste Mess- und Simulationsergebnisse in Einzugsgebiet-
Dimension 107
5.3.5 Quantitative Verifikation der Einzugsgebiet-Modelle bei zeitlich
aufgelöster Berechnung 111
5.3.6 Validierung der Einzugsgebiet-Modelle 117
5.4 Evaluierung der applizierten Modelle 118
Diskussion 120
6.1 Kritische Betrachtungen zu Methoden und Ergebnissen 120
6.1.1 Allgemeine Erkenntnisse 120
6.1.2 Einzelhang-Dimension 123
6.1.3 Einzugsgebiet-Dimension 128
6.2 Bedeutung der Ergebnisse aus Sicht der Landschaftsökologie 138
6.2.1 Aus der Arbeit gewonnene neue Erkenntnisse 138
6.2.2 Prozessorientierte Forschung und konkrete Quantifizierung 139
6.2.3 Integrierter Boden-und Gewässerschutz 139
6.2.4 Künftige Modellentwicklung 140
1 Schlussfolgerungen 141
7.1 Entwicklungsbedarf im Bereich Erosionsmodelle 141
7.1.1 Modelle in Einzelhang-Dimension 141
7.1.2 Modelle in Einzugsgebiet-Dimension 142
7.2 Durchführung von Modellverifikationen und -Validierungen 145
7.2.1 Eignung statistischer Parameter 145
7.2.2 Parametrisierung 146
7.2.3 Kalibrierung 146
7.3 Eignung von Erosionsmodellen zur Kontrolle von Erosionsrichtwerten 148
7.3.1 Zu erwartende Güte der Modellergebnisse 148
7.3.2 Maßstabsfrage 151
7.3.3 Regionalisierung empirischer Modelle 152
7.3.4 Integrierte Behandlung von On-Site- und Off-Site-Auswirkungen der
Erosionsprozesse 152
8 Summary / Zusammenfassung 155
9 Danksagung 167
10 Schrifttumsverzeichnis 168
Anhang_______________________________
Anhang A:
Verteilung der Landnutzung im Einzugsgebiet Nünzeberg (PR) für die Jahre 1998 und
1999 (Aufnahmezeitpunkt: Frühsommer) A-l
g
Verzeichnisse
Verteilung der Landnutzung im Einzugsgebiet Länenbachtal (P50) für die Jahre 1997
bis 1999 (Aufhahmezeitpunkt: Frühsommer) A-2
Anhang B:
Räumliche Verteilung des K-Faktors in den Einzugsgebieten Nünzeberg (PR) und
Länenbachtal (P50) B-l
Räumliche Verteilung des LS-Faktors in den Einzugsgebieten Nünzeberg (PR) und
Länenbachtal (P50) B-2
Räumliche Verteilung des C-Faktors in den Einzugsgebieten Nünzeberg (PR) und
Länenbachtal (P50) B-2
Anhang C:
Erosive Niederschlagsereignisse des Untersuchungszeitraumes 1995-1999 für die
Erosionsparzelle Tl (Saline Riburg) C-l
Erosive Niederschlagsereignisse des Untersuchungszeitraumes 1995-1999 für die
Erosionsparzelle T50 (Im Lör) C-2
Vergleich der Rechenergebnisse in Einzelhang-Dimension mit Messwerten für den
Untersuchungszeitraum 1995-1999 auf jährlicher Basis C-3
Ereignisweiser Vergleich von Rechenergebnisse der Modelle WEPP und EROSION 2D
in Einzelhang-Dimension mit Messwerten für den Untersuchungszeitraum 1995-1999 C-4
Anhang D:
Empirische und Gumbel-verteilte Auftrittswahrscheinlichkeit von NS-Tagessummen
am Standort der Erosionsparzellen Saline Riburg (NS-Station Nl) bzw. Im Lör (NS-
StationN50) D-l
Empirische und Gumbel-verteilte Auftrittswahrscheinlichkeit von max. 30-Minuten-
Intensitäten I30 am Standort der Erosionsparzellen Saline Riburg (NS-Station Nl) bzw.
Im Lör (NS-Station N55) D-2
Empirische und Gumbel-verteilte Auftrittswahrscheinlichkeit von R-Faktoren am
Standort der Erosionsparzellen Saline Riburg (NS-Station Nl) bzw. Im Lör (NS-
Station N55) D-3
Empirische und Gumbel-verteilte Auftrittswahrscheinlichkeit von Ereignis-
Abflusshöhen auf den Erosionsparzellen Saline Riburg (T1) bzw. Im Lör (T50) D-4
Empirische und Gumbel-verteilte Auftrittswahrscheinlichkeit von Bodenabträgen
auf den Erosionsparzellen Saline Riburg (Tl) bzw. Im Lör (T50) D-5
Anhang E:
Ausgewählte Hochwasser-Ereignisse des Einzugsgebietes Nünzeberg (Messpegel PR)
für die Modellrechnungen im Untersuchungszeitraum 1998-1999 E-1
Ausgewählte Hochwasser-Ereignisse des Einzugsgebietes Länenbachtal (Messpegel
P50) für die Modellrechnungen im Untersuchungszeitraum 1997-1999 E-2
Vergleich der langfristigen Rechenergebnisse für Jahressummen in Einzugsgebiet-
Dimension mit Messwerten E-3
Vergleich der zeitlich aufgelösten Rechenergebnisse für ausgewählte Einzelereignisse
in Einzugsgebiet-Dimension mit Messwerten E-4
h
Verzeichnisse
Anhang F:
Empirische und Gumbel-verteilte Auftrittswahrscheinlichkeit von HW-Scheitelabflüssen
an den Messpegeln der Einzugsgebiete Nünzeberg (PR) bzw. Länenbachtal (P50) F-l
Empirische und Gumbel-verteilte Auftrittswahrscheinlichkeit von HW-Direktabflüssen
an den Messpegeln der Einzugsgebiete Nünzeberg (PR) bzw. Länenbachtal (P50) F-2
Empirische und Gumbel-verteilte Auftrittswahrscheinlichkeit von Schwebstoffausträgen
an den Messpegeln der Einzugsgebiete Nünzeberg (PR) bzw. Länenbachtal (P50) F-3
Anhang G:
Räumlich aufgelöste Modellergebnisse für das Einzugsgebiet Nünzeberg (PR) 1998 G-l
Räumlich aufgelöste Modellergebnisse für das Einzugsgebiet Nünzeberg (PR) 1999 G-2
Räumlich aufgelöste Modellergebnisse für das Einzugsgebiet Länenbachtal (P50) 1997 G-3
Räumlich aufgelöste Modellergebnisse für das Einzugsgebiet Länenbachtal (P50) 1998 G-4
Räumlich aufgelöste Modellergebnisse für das Einzugsgebiet Länenbachtal (P50) 1999 G-5
Anhang H:
Zusammenfassung der Erosionsschadenskartierung im Einzugsgebiet Nünzeberg (PR)
für 1998 bis 1999 H-l
Zusammenfassung der Erosionsschadenskartierung im Einzugsgebiet Länenbachtal
(P50) für 1997 bis 1999 H-2
Anhang I:
Streudiagramme der linearen Regression zwischen charakteristischen Parameter von
erosiven Niederschlagsereignissen (NS-Höhe, NS-Dauer, R-Faktor) und gemessenen
Oberflächenabflüssen und Bodenabträgen von den Erosionsparzellen Saline Riburg
(Tl)undImLör(T50) 1-1
Streudiagramme der linearen Regression zwischen charakteristischen Parameter von
ausgewählten erosiven Niederschlagsereignissen (NS-Höhe, NS-Dauer, R-Faktor) und
gemessenen Direktabflüssen und Schwebstoffausträgen von den Einzugsgebieten
Nünzeberg (Messpegel PR) und Länenbachtal (Messpegel P50) 1-2
Anhang J:
Auflistung und Bewertung von Modelleigenschaften für die Evaluierung der
untersuchten Erosionsmodelle J-1
Auflistung von Modelleigenheiten zur Beschreibung des Leistungsumfanges der
entsprechenden Komponenten von den untersuchten Erosionsmodellen J-2
Auflistung und Bewertung der Anwendbarkeit für die Evaluierung der untersuchten
Erosionsmodelle J-3
Verzeichnisse
Tabellenverzeichnis
Tab. 2-1: Untersuchungsmethoden von Bodenerosion und involvierten Prozessen
und Prozessgrößen klassifiziert nach Verfahren, Niederschlags- bzw.
Abflussart, räumlichem und zeitlichem Maßstab und angestrebten
Ergebnissen (Quelle: Huang 1999, modifiziert) 12
Tab. 2-2: Klassifikationskriterien für Erosionsmodelle anhand von Art und
Eigenschaften 21
Tab. 2-3: Richtwerte für höchstzulässige Bodenerosionsraten durch Wasser auf
Ackerflächen gemäß Verordnung über Belastungen des Bodens (VBBo;
Schweizerischer Bundesrat 1998) 27
Tab. 4-1: Charakterisierung der Erosionsparzellen T1 und T50 durch geometrische,
topographische und pedologische Parameter (Datenquelle für
Jahresniederschläge 1961 -1990: SMA div. Jg.a ) 36
Tab. 4-2: Charakteristische Parameter der Einzugsgebiete PR und P50 sowie der
zugehörigen Einzugsgebiete Nünzeberg und Länenbachtal (Datenquelle
für Jahresniederschläge 1961-1990: SMA div. Jg.a) 40
Tab. 4-3: Eigenschaften von In-Situ-Proben des Oberbodens der vorherrschenden
Bodenformen im Einzugsgebietes Nünzeberg (Datenquelle: Schaub
1989, ergänzt) 45
Tab. 4-4: Anteile der unterschiedlichen Landnutzungsarten an der Gesamtfläche
des Einzugsgebietes Nünzeberg (PR) in den Jahren 1998 und 1999
(Aufhahmezeitpunkt: Frühsommer) 47
Tab. 4-5: Eigenschaften von In-Situ-Proben des Oberbodens der vorherrschenden
Bodenformen im Einzugsgebiets Länenbachtal (Datenquelle: Vavruch
1988, ergänzt) 52
Tab. 4-6: Anteile der einzelnen Landnutzungsarten an der Gesamtfläche des
Einzugsgebietes Länenbachtal (P50) für die Jahre 1997 bis 1999
(Aufnahmezeitpunkt: Frühsommer) 54
Tab. 4-7: Schlüssel für die objektive Bewertung der Güte von
Berechnungsergebnissen im Zuge der Modellvalidierung 86
Tab. 5-1: NS-, Oberflächenabfluss- und Bodenabtrags-Daten der langjährigen
Messreihe auf den Erosionsparzellen Saline Riburg (Tl) und Im Lör
(T50) im Oberblick 90
Tab. 5-2 Vergleich der berechneten langjährigen Durchschnittstraten für
Bodenverlust nach Mosimann Rüttimann (1995) mit Messwerten von
den Parzellen Tl und T50 92
Tab. 5-3: Parameter der analytischen Statistik zur Verifikation des berechneten
Bodenabtrages in Einzelhang-Dimension auf jährlicher Basis 96
Tab. 5-4: Parameter der analytischen Statistik zur Verifikation der
Modellergebnisse in Einzelhang-Dimension auf Basis von
Einzelereignissen 97
Tab. 5-5: Jahressummen des gemessenen Niederschlages und R-Faktors und des
davon hervorgerufenen Gerinneabflusses, Schweb- und
Verzeichnisse
Nährstoffaustrages von den Einzugsgebieten Nünzeberg (Pegel PR) und
Länenbachtal (Pegel P50) 101
Tab. 5-6: Gemessene Nährstoffausträge von den Einzugsgebieten Nünzeberg
(Pegel PR) und Länenbachtal (Pegel P50) 102
Tab. 5-7: Parameter der analytischen Statistik zur Verifikation des berechneten
Bodenabtrages in Einzugsgebiet-Dimension bei langfristiger Berechnung
(Jahressummen als Grundlage) 106
Tab. 5-8: Parameter der analytischen Statistik zur Verifikation des berechneten
Bodenabtrages in Einzugsgebiet-Dimension bei zeitlich aufgelöster
Berechnung (Jahressummen ausgewählter Einzelereignisse als
Grundlage) 112
Tab. 5-9: Parameter der analytischen Statistik zur Verifikation des berechneten
Bodenabtrages in Einzugsgebiet-Dimension bei zeitlich aufgelöster
Berechnung (Einzelwerte ausgewählter Einzelereignisse als Grundlage) 114
Verzeichnisse
Abbildungsverzeichnis
Abb. 2-1: Geoökologisches Messkonzept in der raumbezogenen Erosionsforschung
und dessen methodische Verfahrensebenen nach Leser et al. 1998 15
Abb. 2-2: Regelkreis zur qualitativen Beschreibung des geoökologischen
Prozessgefüges der Bodenerosion nach Leser et al. 1998 16
Abb. 3-1: Schematischer Überblick über die Aufgabenstellung der vorliegenden
Arbeit 31
Abb. 4-1: Erosionsparzelle Im Lör im Oberbaselbieter Länenbachtal (T50) 35
Abb. 4-2: Übersichtskarte der Nordwest- und Zentral-Schweiz mit der Lage der
Untersuchungsgebiete Möhliner Feld und Tafeljura des Basler
Geographischen Instituts 39
Abb. 4-3: Topographische Lage des Einzugsgebiets Nünzeberg (Messpegel PR)
und der Erosionsparzelle Saline Riburg (Tl) sowie der zugehörigen
Messstationen (Digitale Kartengrundlage: AGIS div. Jg.) 41
Abb. 4-4: Das Einzugsgebiet Nünzeberg (Messpegel PR) 42
Abb. 4-5: Der am vorflutenden Abflusskanal des Einzugsgebietes Nünzeberg
errichteten Messpegel PR baugleiche Messstation des Geographischen
Instituts der Universität Basel 43
Abb. 4-6: Verteilung der vorherrschenden Bodenformen und Wegenetz im
Einzugsgebiet Nünzeberg (PR), Isohypsen 45
Abb. 4-7: Struktur der Landnutzung im Einzugsgebiet Nünzeberg (PR) im
Überblick (Stand Sommer 1999) und Lage von Sammlerleitungen
(schwarze Linie) 46
Abb. 4-8: Topographische Lage des Einzugsgebietes Länenbachtal (Messpegel
P50) und der Erosionsparzelle Im Lör (T50) sowie zugehöriger
Messstationen (digitale Kartengrundlage: AGIS div. Jg.) 48
Abb. 4-9: Das Einzugsgebiet Länenbachtal (Messpegel P50) von der Flur Hofacher
aus im Herbst 1996 49
Abb. 4-10: Messpegel P50 am Ausgang des Einzugsgebietes Länenbachtal 50
Abb. 4-11: Verteilung der vorherrschenden Bodenformen und Wegenetz im
Einzugsgebiet Länenbachtal (P50) 52
Abb. 4-12: Struktur der Landnuztung des Einzugsgebietes Länenbachtal (P50) im
Überblick (Stand Sommer 1999) 53
Abb. 4-13: Schematische Darstellung des Drainage- und Sammlerleitungs-Systems
im Länenbachtal (Quelle: Ammon-Hagjiu 2001, modifiziert) 55
Abb. 4-14: Lineare Eingabestruktur zur Wiedergabe der topographischen,
pedologischen und landnutzungsspezifischen Eigenheiten des
Einzugsgebiets Nünzeberg (PR) für die Simulation mit WEPP 81
Abb. 5-1: Gemessener und berechneter Oberfiächenabfluss von der
Erosionsparzelle Saline Riburg (T1) 93
Abb. 5-2: Gemessener und berechneter Bodenabtrag von der Erosionsparzelle
Saline Riburg (Tl) 93
I
Verzeichnisse
Abb. 5-3: Gemessener und berechneter Oberflächenabfluss von der
Erosionsparzelle Im Lör (T50) 94
Abb. 5-4: Gemessener und berechneter Bodenabtrag von der Erosionsparzelle Im
Lör (T50) 94
Abb. 5-5: Streudiagramme der linearen Regressionen zwischen berechnetem und
gemessenem Oberflächenabfluss und Bodenabtrag von Einzelereignissen
auf den Erosionsparzellen Tl und T50 (beide zusammengefasst) 98
Abb. 5-6: Gemessener und langfristig berechneter Direktabfluss vom Einzugsgebiet
Nünzeberg (Messpegel PR) 103
Abb. 5-7: Gemessener und langfristig berechneter Schwebstoffaustrag vom
Einzugsgebiet Nünzeberg (Messpegel PR) 103
Abb. 5-8: Gemessener und langfristig berechneter Schwebstoffaustrag vom
Einzugsgebiet Länenbachtal (P50) 104
Abb. 5-9: Jahressummen von Messungen und zeitlich aufgelösten Berechnungen
des Direktabflusses vom Einzugsgebiet Nünzeberg (Messpegel PR) für
ausgewählte Einzelereignisse 109
Abb. 5-10: Jahressummen von Messungen und zeitlich aufgelösten Berechnungen
des Schwebstoffaustrages vom Einzugsgebiet Nünzeberg (Messpegel
PR) für ausgewählte Einzelereignisse 109
Abb. 5-11: Jahressummen von Messungen und zeitlich aufgelösten Berechnungen
des Direktabflusses vom Einzugsgebiet Länenbachtal (Messpegel P50)
für ausgewählte Einzelereignisse 110
Abb. 5-12: Jahressummen von Messungen und zeitlich aufgelösten Berechnungen
des Schwebstoffaustrages vom Einzugsgebiet Länenbachtal (Messpegel
P50) für ausgewählte Einzelereignisse 110
Abb. 5-13: Streudiagramme der linearen Regression zwischen berechnetem und
gemessenem Direktabfluss von Einzelereignissen aus den
Einzugsgebieten PR und P50 (zusammengefasst) 115
Abb. 5-14: Streudiagramme der linearen Regression zwischen berechnetem und
gemessenem Schwebstoffaustrag von Einzelereignissen aus den
Einzugsgebieten PR und P50 (zusammengefasst) 116
Abb. 5-15: Überblick über Detail- und Gesamtergebnisse der Modellbewertung im
Zuge der Evaluierung 118
Abb. 6-1: Vergleich einer photographischen Aufnahme (Mai 2000) eines beinahe
alljährlich auftretenden Erosionsschadens mit der räumlich aufgelösten
Berechnung von Jahres-Bodenabtragswerten durch die Modelle
USLE2D/SDR, WaTEM und EROSION 3D für 1999. 134
Abb. 7-1: Kombinierter Ansatz aus Raster- und Vektor-Techniken für eine GIS-
gestützte Modellierung des Erosionsgeschehens in Einzugsgebieten auf
empirischer Basis (Quelle: Leser 2000, modifiziert) 143
m
Verzeichnisse
Verzeichnis der Gleichungen
Gl. 4-1: Gleichung für den Reliefmdex /?/ (Wilhelm 1993) 40
Gl. 4-2: £DÄ-Gleichung (Auerswald Schmidt 1986) 71
Gl. 4-3: MUSLE-Gleichung (Williams Berndt 1977) 72
Gl. 4-4: relativer Standardfehler S^ 84
Gl. 6-1: modifizierte SDÄ-Gleichung (Auerswald 1989; 137
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