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Bodenabtrag durch Wassererosion in Folge von Klimaveränderungen - Phase 2

Bodenabtrag durch Wassererosion in Folge von Klimaveränderungen - Phase 2
Ansprechpartner:

Giorgia Fosser 

Dr. Hans Schipper

Projektgruppe:

Verbundprojekt KLIWA (Klimaveränderung und Wasserwirtschaft) der Landesanstalt für Umwelt, Messungen und Naturschutz Baden-Württemberg

Förderung:

2010-2013

Partner:

geomer GmbH, Heidelberg

Bodengut, Stuttgart

Starttermin:

September 2010

Endtermin:

September 2013

Bodenerosion (Thomas Max Müller / pixelio.de)

 

Die zweite Phase des Projektes "Bodenabtrag durch Wassererosion in Folge von Klimaveränderungen" sieht die Umsetzung der aus Phase 1 entstandenen Ergebnisse vor (zur Phase 1).

Zusammenfassung

Bodenerosion in kleinen bis mittleren Einzugsgebieten wird vielfach von kurzen, lokal begrenzten, aber intensiven Niederschlägen verursacht. Im vorliegenden Projekt wurde die Kopplungsmöglichkeit zwischen einem Klima- und Erosionsmodell untersucht. Für die Niederschlagssimulation wurde das regionale physi-kalisch-dynamische Klimamodell COSMO-CLM verwendet, für die Erosions- und Abflusssimulation das physikalische LISEM-Modell. Untersucht wurden die drei Referenzstandorte Mertesdorf (RLP), Scheyern (BY) und Weiherbach (BW) in zwei Zeiträumen (1971 – 2000, 2021 – 2050) sowie 15 Vergleichsstandorte, um die Übertragbarkeit der Methode in die Fläche zu prüfen.

Beim COSMO-CLM wurde mit einem Nesting-Verfahren schrittweise die Auflösung erhöht. Zuerst wurde mit einer 7 km-Auflösung das gesamte KLIWA-Gebiet für beide Zeiträume gerechnet. Eine Sensitivitätsstudie in einer 2,8 km-Auflösung führte zu einer für dieses Projekt optimalen Modellkonfiguration sowie zu optimalen Simulationsgebieten. In diesen Gebieten wurden mit einer 2,8 km-Auflösung wiederum beide Zeiträume gerechnet (Scheyern: 1990 – 1995, 2044 – 2049). Diese Langzeitsimulationen waren die Grundlage für die ereignisbasierten Simulationen an den Referenzstandorten in einer 1 km-/15 min-Auflösung. Für die Auswahl von Ereignissen an den Vergleichsstandorten dienten die Simulationen in der 7 km-/1 h-Auflösung. Die Kalibrierung des LISEM-Modells fand mittels Sensitivitätsstudien statt und ergab anhand plausibler Wasserabflusswerte z.B. die günstigste Einstellung der Bodentiefe auf 250 cm. Diese Einstellungen beziehen sich auf eine Plausibilitätskontrolle am Referenzstandort Weiherbach. Aufgrund der unvorhersehbaren Lücken bei den Vergleichsdaten von den Referenzstandorten konnte keine Modellvalidierung durchgeführt werden.

Für die erfolgreiche Kopplung der beiden Modelle wurden für die Schnittstellen Transferprogramme entwi-ckelt, die einen (halb)automatischen Datenaustausch ermöglichen. Die Modellkopplung zeigte eine Abhängigkeit der LISEM Ergebnisse von den COSMO-CLM Ergebnissen. Somit spiegelt sich auch eine veränderte Niederschlagscharakteristik innerhalb der Modellkette in einem veränderten Bodenabtrag und Wasserabfluss wider, so dass nun ein Prognoseinstrument für Einzugsgebiete vorliegt. Da für die Übernahme von Basisdaten in das LISEM auch Aufbereitungsschritte automatisiert wurden, erscheint eine praxistaugliche und großflächige Anwendung realisierbar.

Die Modellierung mit COSMO-CLM zeigte, dass höhere Niederschlagsintensitäten im Sommer erwartet werden können. Im Untersuchungsgebiet um Mertesdorf, schon jetzt das niederschlagsärmste, wird eine Abnahme der Niederschlagsmenge erwartet. Die Dauer und Häufigkeit der Trockenperioden werden zunehmen. Ähnliches trifft auch auf Weiherbach und in geringerem Maße auf Scheyern. Ein Vergleich zwischen Simulationen mit einer 1 km- und 2,8 km-Auflösung zeigte, dass die Ergebnisse sehr gut miteinander übereinstimmen, vor allem in Bezug auf das zeitliche Auftreten der Ereignisse. Dennoch neigten die Ergebnisse in den 1km-Simulationen dazu, die höheren Niederschlagsintensitäten auf Stundenbasis im Vergleich zu den 2,8km-Simulationen zu unterschätzen. Mit LISEM wurden 114 Simulationen für die drei Referenz- und die 15 Vergleichsstandorte durchgeführt. Im Mittel über alle Standorte nahm die Bodenerosion um 2,0 t/ha zu bei einer mittleren Zunahme der Niederschlagsumme um 4 mm. Die Veränderungen unterlagen allerdings sehr großen Schwankungen und sind aufgrund der geringen Anzahl an ausgewählten Niederschlagsereignissen je Standort eher zufällig, so dass keine allgemeingültigen Aussagen möglich sind. Weiterhin haben neben der Niederschlagscharakteristik auch Bodenvorfeuchte und weitere Standorteigenschaften sowie die Vegetation einen sich im Rahmen von Klimaänderungen verändernden Einfluss auf das Ausmaß der Bodenerosion und des Wasserabflusses, der jedoch nicht untersucht wurde.