Bodenerosionsmodellierung in verschiedenen Skalen : Modellvergleiche und Praxistauglichkeit am Beispiel von zwei Einzugsgebieten im Baselbieter Tafeljura (Kanton Basel-Landschaft/Schweiz)

Die vorliegende Dissertation steht in einer Reihe mit einer Vielzahl von Arbeiten zum Thema Bodenerosion und Stoffhaushaltsforschung, wie sie in der Forschungsgruppe Bodenerosion und Landschaftsökologie unter Prof. Dr. Dr. h.c. H. Leser seit 1975 betrieben wurde.
Sie knüpft an die Arbeiten von SEILER (1983), STAUSS (1983), SCHAUB (1989), PRASUHN (1991), VAVRUCH (1988) und DRÄYER (1996) sowie anderen an und führt viele der traditionellen Felddatenerhebungen fort, die seit (1984) in den Einzugsgebieten durchgeführt wurden.
Die Arbeit besteht zum Einen aus klassischen Feldmesskampagnen mit der Fortführung des Basismessprogramms (Abfluss, Niederschlag, Schwebstoffmessungen, Erosionstestparzellen), ergänzt durch spezielle Messkampagnen wie DOC/TOC-Analysen, Drainagebeprobungen und Bodenfeuchtemessungen. Zum Anderen beschäftigt sich die Arbeit mit verschiedenen Modellansätzen zur Bodenerosion in unterschiedlichen Skalen, wobei diverse Fragestellungen mit den eingesetzten Modellen angegangen wurden. Das Modell EPIC wurde eingesetzt, um auf Einzelhängen eine Vielzahl unterschiedlicher Fruchtfolgen, Düngungsvarianten und Witterungsbedingungen und deren Einfluss auf Erosion und Stoffhaushalt zu simulieren. Als zweites Modell wurde EROSION2D/3D auf Einzelhang- bzw. Einzugsgebietsebene eingesetzt, um den langjährigen Nutzungswandel im Einzugsgebiet des Riedmattbaches im Schweizerischen Tafeljura zu simulieren. Schliesslich wurde ein eigener statistisch-empirischer Ansatz gewählt. Das Modell ESSEM basiert auf langjährigen Felddatenerhebungen und stellt eine Kombination von Reliefanalyse und GIS-Überlagerungen dar. Das Modell hat zum Ziel, die Reichweiten der Erosionsprozesse besser zu simulieren und die Übertrittstellen von Oberflächenmaterial in den Vorfluter zu klassifizieren, um auf diese Weise gezielt Schutzmassnahmen planen zu können. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich bewusst auch mit dem Aspekt der Praxistauglichkeit der verschiedenen Modellansätze. Dazu wurde auch die immer mehr zum Einsatz kommende Methode der 3D-Landschafsvisualisierung eingesetzt.
Die Felddatenerhebungen und deren Analysen stützen zum einen die für die Modellsimulation gemachten Annahmen, fliessen aber auch zum Teil direkt als Eingangsparameter in die Modelle ein und haben als weiteres Ziel die Fortführung der langen Messreihen zur Erosion am Geographischen Institut der Universität Basel.
Ein besonderes Augenmerk galt u.a der stofflichen Wirkung von Drainagen und ihren Einfluss auf den Gebietsstoffhaushalt. Der Einfluss unterschiedlicher Hochwassereignisse auf das Stofflieferverhalten von Drainagerohren konnte gezeigt werden. Ein weiterer Schwerpunkt lag auf der detaillierten Auswertung der langjährigen Erosionsschadenskartierungen. Sie bilden die Grundlage für die Überprüfung des Modells ESSEM. Dabei zeigte sich eine hohe Übereinstimmung von langjährigen Feldkartierungen und Modellergebnissen: Die vom Modell berechneten Fliesspfade und Übertrittstelle stimmen weitgehend mit den tatsächlich im Feld erhobenen Werten überein.
Die Ergebnisse des Einzugsgebietsmodells EROSION3D zeigen eine hohe Abhängigkeit von der Ausgangsbodenfeuchte und einem modellspezifischen Korrekturfaktor. Das Modell kann als Vorhersageinstrument für den Nutzungswandel dann eingesetzt werden, wenn ein hoher Parametrisierungsaufwand betrieben werden kann und eine Kalibrierung an der 2D-Variante mit langjährigen Felddaten möglich ist.
Das Modell EPIC erwies sich als gut geeignet für die Simulation von sehr vielen unterschiedlichen Fruchtfolgen-, Düngungs- und Bearbeitungsvarianten. Der Vorteil im Modell liegt in der hohen Anzahl an stoffhaushaltlichen Ausgabeparametern und den wenigen Systemressourcen, die benötigt werden. Eine hohe Simulationsanzahl und deren Auswertung ist aber nur durch die Programmierung eigener Zusatzsoftware möglich gewesen.
Die Anwendung der einzelnen Erosionsmodelle stand immer unter der Fragestellung der Verwendbarkeit für die Planungspraxis. Als Haupterkenntnisse lassen sich daher herausstreichen: Die Anwendbarkeit der Modelle muss in unterschiedlichen Dimensionen und für unterschiedliche Fragestellungen möglich sein. Der Parametrisierungsaufwand für EPIC und EROSION3D darf nicht unterschätzt werden. Es müssen Anpassungen an die kleinparzellierte schweizerische Agrarlandschaft vorgenommen werden, da die Modelle in anderen Agrarlandschaften entwickelt wurden und trotz physikalisch basierter Algorithmen nicht ohne eine Kalibrierung an langjährigen Felddaten auskommen.
Das einfache statistisch-empirische GIS-Modell ESSEM lehnt sich am zweistufigen Basler Bodenerosionsmodell an und basiert auf der Verwendung von amtlich zur Verfügung stehenden Daten, sowie vorhandenen Reliefanalysetools und GIS-Algorithmen, wie sie heute in jedem Planungsbüro zum Einsatz kommen. Es kann als praxistauglich angesehen werden, wenn es darum geht, Planungskarten für den Agrarlandschaftswandel zu erstellen. Hier bietet es durch seine anschaulichen Ergebnisse - eventuell ergänzt um 3D-Visualisierungen - genügend genaue Planungskarten, um dem Prozess der Bodenerosion und den damit verbundenen Stoffumlagerungen in der Landschaft vorzubeugen.