rwth aachen ingenieurhydrologie - vorlesung hydrologie i: erosion
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RWTH Aachen - Ingenieurhydrologie Vorlesung Hydrologie I Themen: Bestimmung der Erosionsgefährdung Allgemeine BodenabtragsgleichungTRANSCRIPT
Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken
Bestimmung der Erosionsgefährdung
Allgemeine Bodenabtragsgleichung
Vorlesung 10
Vorlesung Wasserwirtschaft & Hydrologie I
Themen:
Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken
Bestimmung der Erosionsgefährdung
R: Regenfaktor (Erosivität Regen)
K: Bodenerodierbarkeitsfaktor (Anfälligkeit des Bodens)
LS: Topographiefaktor
C: Bodenbedeckungs- und Bodenbearbeitungsfaktor
P: Erosionsschutzfaktor
A = R x K
x LS
x C
x P [t / ha x a]
Basis: Allgemeine Bodenabtragsgleichung („ABAG“)
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Gewässer Einzugsgebiet
50 [N/(h*a)] 60
[N/(h*a)]
R-Faktor
Der Regenfaktor ist ein Maß für die gebietsspezifische
Erosionskraft des Regens.
Mit dem Faktor werden die Einflüsse der kinetischen
Energie sowie der Niederschlagsintensität aller
erosionswirksamen Einzelregen berücksichtigt.
Als Datenquelle kann die Isoerodentenkarte des
Geologischen Dienstes NRW herangezogen werden.
Regenfaktor R
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Intensität
[mm/h]
medianer
Durchmesser
[mm]
Fallge-
schwindigkeit
[m/s]
kinetische
Energie
[kJ/m² x h]
Sprühregen 0,2 0,10 0,200
Nieselregen 0,5 1,00 4,200
Leichter Regen 1,0 1,20 4,900
Starker Regen 15,0 2,10 6,900
Gewitterregen 100,0 3,00 8,400
10-3
100
101
103
104
Niederschlag und kinetische Energie
Video: Splash-Effekte - Erosion durch Wassertropfen
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Gewässer Einzugsgebiet
K-Faktor [(t*h)/(ha*N)]
0.0 - 0.1 0.1 -
0.2 0.2 - 0.3 0.3
- 0.4 0.4 - 0.5
0.5 - 0.6
Der Faktor beschreibt die Erosionsanfälligkeit des Bodens.
Er ist abhängig von:
• der Körngrößenverteilung
• dem Anteil an organischer Substanz
• der Aggregatklasse des Oberbodens
• der Durchlässigkeit
Die Informationen sind aus den digitalen Bodenkarten
des Geologischen Dienstes zu entnehmen.
Bodenerodierbarkeitsfaktor K
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Mit dem Faktor wird das Verhältnis des Abtrags eines
Hangs vorgegebener Neigung zu einem Standardhang
abgebildet.
In die Berechnung gehen die Hanglänge und die Gelände-
neigung ein.
LS = (L/22)m (65,41 sin² + 4,56 sin + 0,065)
Gewässer Einzugsbebiet
S-Faktor
0.07 – 0.11 0.11 – 0.30
0.30 – 0.96 0.96 – 2.86
>2.86
Topografiefaktor S
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Gewässer Einzugsbebiet
C-Faktor
0.001 0.004
0.200 0.250
Der Faktor beschreibt die Boden-nutzung sowie die
Bepflanzung.
Die Wertzuweisung erfolgt beispielsweise anhand von
ATKIS-Kategorien:
Bebaute Fläche = 0,0
Grünland = 0,004
Wald = 0,002
Ackerfläche = 0,25
Mit dem Erosionsschutzfaktor P können Erosionsschutzmaßnahmen berücksichtigt werden.
Im Regelfall liegen keine belastbaren Informationen vor, so dass der Parameter als neutrale Größe in die Berechnung eingeht (P = 1,0).
Bodenbedeckungsfaktor C und Erosionsschutzfaktor P
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Gewässer Einzugsbebiet
Potenzieller Abtrag [t/(ha*a)]
0 - 1 (geringe Gefährdung) 1 - 5 (mittlere
Gefährdung) >5 (starke Gefährdung)
Ergebnis der Allgemeinen Bodenabtragsgleichung
Mittleres Abtragspotenzial
des Einzugsgebietes:
1,11 t/(ha*a)
auf den erosions-
relevanten Nutzflächen.
Die Methode liefert grundsätzlich plausible Werte; der
Aufwand für die praktische Anwendung hält sich in
Grenzen.
Als Defizit ist die generelle Informationslücke bei den
Erosionsschutzmaßnahmen anzusehen.
Ergebnis der Allgemeinen Bodenabtragsgleichung
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Beispielhafte Probleme bei der Anwendung der ABAG
Das vorhandene landesweite DGM5
wiesen diverse Lücken auf, die durch
Informationen des DGM 25 aufgefüllt
werden mussten.
Die Höhenangaben an den Modell-
rändern stimmten nicht überein,
so dass gesonderte Methoden zum
Randabgleich notwendig wurde.
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Modellergebnis für den Aachener Kessel
Höhenmodell [mNN]
-44,25 - 36,37 36,38 -
117,00 117,01 - 197,63
197,64 - 278,26 278,27 -
358,89 358,90, -439,52
439,53 - 520,15 520,16 -
600,78 600,79 - 681,41
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Bröl (Nebenfluss der Sieg)
Einzugsgebiet: 217 km2
Lauflänge: 45 km
Höhenlage: 67 - 398 m
Mittleres Gefälle: 6 ‰
Vergleich von CORINE und ATKIS Daten als Basis für die ABAG
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CORINE (CORINE LAND COVER)
CORINE Land Cover Daten werden auf der Basis der computerunterstützten visuellen Photointerpretation von Satellitendaten mit Hilfe topografischer & thematischer Karten erstellt.
Das Ziel ist die Ermittlung der Landnutzung im Arbeitsmaßstab 1:100.000.
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(Amtliches topographisch-kartographisches
Informationssystem)
Die ATKIS Daten werden auf der Grundlage der
DGK5 Orthophotos erstellt.
Dabei ergibt sich eine
Digitalisierungsgenauigkeit von 3 m.
Das Ziel ist die Schaffung von Geobasisdaten
im Arbeitsmaßstab 1:15.000
ATKIS Datenbasis
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CORINE
Gegenüberstellung ATKIS / CORINE
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Gegenüberstellung ATKIS / CORINE
ATKIS
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Siedlung
Acker
Grünland
Wald
sonstige LW
Corine
ATKIS
12
6
49
32
03
0
66
23
7
Gegenüberstellung ATKIS / CORINE
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ATKIS
CORINE a
CORINE b
Obergrenze 30 [t/(ha*a)]
ohne Obergrenze
0
10.000
20.000
30.000
40.000
50.000
60.000
70.000
80.000
[t/(
ha
*a)]
1
2,2
0,1
1
3,6
0,1
Auswirkungen auf ABAG Berechnungen
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•Bei der Anwendung von CORINE Daten für Mittelgebirgseinzugs-gebieten ist auf Grund der Lageungenauigkeit der
Daten mit einer fehlerhaften Lokalisierung von Belastungsquellen und Maßnahmen zu rechnen.
•Die Flächenbilanzen weisen Abweichungen von bis zu 75 % gegenüber den ATKIS Daten auf. Hierdurch entstehen
quantitative Fehler bei der Ermittlung von Belastungen.
•Als Basis für die Einbindung der Daten in die Berechnung der Allgemeinen Bodenabtragsgleichung sind die CORINE
Daten nicht geeignet.
Ergebnis für das Fallbeispiel Mittelgebirgseinzugsgebiet
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Schwalm
Einzugsgebietsgröße: 254 km²
Lauflänge in NRW: 33 km
Höhenlage: 28 - 85 m
Mittleres Gefälle: 1,7 ‰
Fallbeispiel 2: Tieflandeinzugsgebiet
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Gegenüberstellung ATKIS / CORINE
Siedlung
Acker
Grünland
Wald
Corine
ATKIS
21
43
8
27
15
57
2
25