Prozessorientierte Modellierung der Abflussbildung und -konzentration auf verschlämmungsgefährdeten landwirtschaftlichen Nutzflächen

Die Bewirtschaftungsform und damit die Bodenbearbeitung haben umfangreiche Auswirkungen auf die Abflussbildung und –konzentration. Durch die Umstellung von der konventionellen zur konservierenden Bodenbewirtschaftung ergeben sich positive Effekte im Hinblick auf den Wasserrückhalt in der Fläche: Eine ganzjährig angestrebte Bodenbedeckung (Anbau einer Zwischenfrucht, Belassen von Ernterückständen auf der Ackerkrume) verringert die Verschlämmungsneigung der Böden, verbessert das Mikroklima in Bodennähe und erhöht die Infiltrationsleistung. Pflanzenreste auf dem Boden erhöhen den Fließwiderstand und verringern die Geschwindigkeit des Oberflächenabflusses. Dieser kann durch Re-Infiltration auf ungesättigten Flächen in den Boden gelangen. Dadurch erhöhen sich wiederum die Speicherwirkung des Bodens sowie der verfügbare Wasservorrat für die Feldfrucht. Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, den Einfluss von Landnutzung und -bewirtschaftung auf den Direktabfluss in der unteren Mesoskale räumlich hoch auflösend mit Hilfe eines physikalisch-basierten Wasserhaushalts-Modells abzubilden. Damit sollen die Möglichkeiten der Abflussreduzierung durch Flächenneugestaltung, infiltrationsfördernde Bewirtschaftung und Etablierung lokaler Maßnahmen erfasst werden. Es wird eine Datenbank vorgestellt, die aus den Beregnungsexperimenten mehrerer Forschergruppen besteht und sowohl die Abflussganglinien der einzelnen Experimente in ihrem zeitlichen Verlauf als auch die zeit-invarianten (Bodeneigenschaften) wie variablen (Beregnungs- und Bearbeitungseigenschaften) Randbedingungen zu jedem einzelnen Beregnungsversuch sowie die punktuellen Messergebnisse (time to ponding, time to runoff) zusammenfasst. Die Datensätze der Beregnungsdatenbank werden umfangreich analysiert: Durch Optimierungsalgorithmen (Simulated Annealing) werden aus den gemessenen Infiltrationsraten der einzelnen Versuche die besten Parameter für ein modifiziertes Infiltrationsmodell nach Horton ermittelt. Diese optimierten Parameter werden mit den Boden- und Bearbeitungseigenschaften der Beregnungsexperimente verknüpft und durch statistische Regressionsmethoden geschätzt. Es wird ein einfach anzuwendendes multiples Regressionsmodell entwickelt, das die infiltrationssteuernden Parameter der modifizierten Horton-Gleichung aus allgemein verfügbaren Daten hinreichend gut schätzen kann. Das hydrologische Modellierungssystem WaSiM wird um zwei Komponenten erweitert: um ein Verschlämmungsmodul, das dem Modul zur Wasserbewegung in der ungesättigten Zone vorangeschaltet ist und um ein Modul zur Abflusskonzentration des Oberflächenabflusses nach dem Ansatz der kinematischen Welle. Die Modellerweiterungen und die zugrundeliegenden Prozessbeschreibungen werden auf verschiedenen Skalen angewendet: Auf der Plotskale können einzelne Beregnungsversuche aus der Datenbank besser simuliert werden als ohne die Modellerweiterung. Durch die konservierende Bodenbearbeitung und die erosionsverringernde Fruchtfolge auf den Ackerflächen (Hangskale) des Klosterguts Scheyern kann im Modell ein hoher Abflussanteil an Zwischenabfluss nachgewiesen werden, der durch die erhöhte Ausbildung stabiler Makroporen und als zeitlich verzögerte Abflusskomponente größeren Anteil am Gesamtabfluss hat. Bei der Simulation der konventionellen Bodenbearbeitung auf der unteren Mesoskale (Weiherbachgebiet) können bei einzelnen Starkregenereignissen räumlich detailliert verschlämmungsgefährdete Bereiche ausgewiesen werden.