Entwicklung eines Modells zur Simulation der Bodenerosion bei Starkregen auf Grundlage eines zweidimensionalen HN-Modellansatzes

Abstract

Heavy precipitation is a natural and extreme event that has gained public attention in re-cent years. The hazards and risks posed by these extreme events present a significant challenge. An additional concern is soil erosion on cropland, often caused by heavy precip-itation. Flash floods transport soil material, posing a risk of soil loss and negative effects on other ecosystems, such as streams, which are polluted by the influx of sediment. In addi-tion, the sedimentation of soil material in urban areas increases the damage caused by flash floods. German municipalities are increasingly involved in managing the risks of heavy precipita-tion, which includes assessing the dangers and risks associated with it. Two-dimensional hydrodynamic numerical models (2D models) are used for this purpose, accurately calcu-lating the hydraulics of surface runoff. Additionally, erosion models are available to esti-mate erosion hazards. However, these models use erosion approaches with simplified hy-draulic calculations. To date, no analysis has been conducted that combines precisely cal-culated hydraulic forces acting on the soil with a process-oriented approach to soil erosion. Therefore, this thesis aims to demonstrate that accurately calculating hydraulics using a 2D model can enhance soil erosion modeling to a greater degree of accuracy than previ-ously possible. Various methods were used to test this hypothesis, and corresponding results were ob-tained. First, the hydraulics of the 2D model were examined independently of the erosion approach. The flow resistance of the surface, known as roughness, plays a significant role in the flow process. This was investigated in laboratory experiments to better estimate suit-able values for surface runoff. The results show that the ratio of vegetation height to water depth is particularly decisive for the roughness value. The resistance increases with in-creasing runoff at water depths less than the vegetation height. It reaches a maximum val-ue when the water depth corresponds to the vegetation height, then decreases until the water depth exceeds approximately 5 to 7 times the vegetation height. Beyond this point, constant roughness values can be determined. For the combined 2D hydraulic and erosion calculation, a suitable approach for calculating sediment transport capacity in surface runoff was first selected and then coupled with the existing 2D model HydroAS GS. The transport capacity approach by Govers (1990) was used, resulting in the new, coupled HydroAS GS–Govers model. Erosion data was collect-ed over three years to calibrate and validate the new model. In particular, linear erosion that occurred after a heavy precipitation event was recorded using an unmanned aerial vehicle (UAV) and analyzed in terms of spatial distribution and the amount of erosion in rills. A total of 11 fields with 32 rills were examined. The data was used to test the existing erosion models with simplified hydraulics, RUSLE2 and EROSION-3D, and the new Hy-droAS GS–Govers model. A comparison of the model results showed a significant im-provement in rill erosion, both in terms of rill generation, spatial location, and erosion vol-umes, compared to the observed erosion data. Furthermore, this work examined the accuracy of UAV-generated digital elevation models (DEMs) of croplands with erosion to estimate the extent of error in the calibration and vali-dation data. A key finding was that rill depths were underestimated in the DEMs generated compared to manual measurements, resulting in an average underestimation of erosion of 10%. The proposed coupled 2D hydraulic and erosion model, HydroAS GS–Govers, can be used for a detailed analysis of erosion on arable land caused by heavy precipitation. This model allows for the spatial and quantitative determination of rill erosion, which is a signifi-cant contributor to total erosion. Consequently, the model can verify the dangers and dam-aging effects of extreme heavy precipitation. Potential applications of the model include using simulation results as a basis for developing erosion countermeasures and assessing their effectiveness, as well as estimating sediment-bound nutrient and pollutant inputs from arable land into neighboring ecosystems.

Starkregen ist ein natürliches, extremes Ereignis, das in den vergangenen Jahren in den Fokus der Öffentlichkeit gerückt ist. Die Gefahren und Risiken dieser Extremereignisse stellen eine ernstzunehmende Herausforderung dar. Eine zusätzliche Problematik ergibt sich durch die häufig mit Starkregen einhergehende Bodenerosion auf Ackerflächen. Sturzfluten transportieren Bodenmaterial und verursachen dadurch nicht nur ein Risiko für Bodenverluste, sondern auch negative Auswirkungen für andere Ökosysteme, wie Fließ-gewässer, die durch den Eintrag von Sedimenten belastet werden. Gleichzeitig erhöht der Sedimenteintrag in Siedlungsräume die Schadwirkung von Starkregenereignissen. Zurzeit wird in deutschen Kommunen vermehrt Starkregenrisikomanagement (SRRM) betrieben, wobei die Gefahren und Risiken bei Starkregen bewertet werden. Dazu werden zweidimensionale hydrodynamisch-numerische Modelle (2D-Modelle) herangezogen, die die Hydraulik der Oberflächenabflüsse präzise berechnen können. Parallel dazu liegen Erosionsmodelle vor, die zur Abschätzung von Erosionsgefahren angewendet werden. Hierbei werden allerdings Erosionsansätze mit vereinfachter hydraulischer Berechnung genutzt. Bisher liegt keine kombinierte Betrachtung von präzise berechneten hydraulischen Kräften, die auf den Boden wirken, und einem prozess-orientieren Bodenerosionsansatz vor. Daher soll in dieser Arbeit gezeigt werden, dass durch die akkurate Berechnung der Hydraulik mittels 2D-Modell auch die Bodenerosion besser abgebildet werden kann als bisher möglich. Zur Überprüfung dieser Hypothese wurden verschiedene Methoden angewendet. Zu-nächst wurde die Hydraulik des 2D-Modells unabhängig von dem Erosionsansatz unter-sucht. Eine signifikante Rolle im Fließprozess wird durch den Fließwiderstand der Oberflä-che dargestellt, der sogenannten Rauheit. Diese wurde zur besseren Abschätzung geeig-neter Rauheitswerte im Labor untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass besonders das Ver-hältnis von Vegetationshöhe zu Wassertiefe entscheidend für die Festlegung des Rau-heitswertes ist. Bei Wassertiefen geringer als die Vegetationshöhe nimmt der Widerstand mit steigendem Abfluss zu. Der Widerstand erreicht einen maximalen Wert, wenn die Wassertiefe der Vegetationshöhe entspricht und nimmt wieder ab, bis die Wassertiefe die Vegetationshöhe um das 5-bis 7-fache übersteigt. Danach kann von einem konstanten Rauheitswert ausgegangen werden. Zur kombinierten 2D-Hydraulik- und Erosionsberechnung wurde zunächst ein geeigneter Ansatz zur Berechnung der Sedimenttransportkapazität bei Oberflächenabfluss ausge-wählt und mit dem bestehenden 2D-Modell HydroAS GS gekoppelt. Hierbei kam der An-satz nach Govers (1990) zur Anwendung, wodurch das neue, gekoppelte HydroAS GS–Govers Modell entstand. Zur Kalibrierung und Validierung des neuen Modells wurden über drei Jahre Erosionsdaten gesammelt. Hierbei wurde insbesondere die lineare Erosion, die nach einem Starkregenereignis auftrat, mithilfe einer Drohne aufgenommen und im Hin-blick auf die räumliche Verteilung sowie die Erosionsmenge der Rinnen analysiert. Insge-samt konnten 11 Felder mit 32 Rinnen untersucht werden. Die Daten wurden genutzt, um die bereits existierenden Erosionsmodelle mit vereinfachten hydraulischen Ansätzen, RUSLE2 und EROSION-3D, und das neue HydroAS GS–Govers Modell zu prüfen. Ein Vergleich der Modellergebnisse mit den beobachteten Daten zeigte eine signifikante Ver-besserung der Rinnenerosion, sowohl in der Rinnengenerierung, ihrer räumlicher Lage und der Erosionsmengen. Weiterhin wurde die Genauigkeit der durch Drohnenaufnahmen generierten, digitalen Ge-ländemodelle (DGM) von Ackerflächen mit Erosion betrachtet, um das Fehlerausmaß der Kalibrierungs- und Validierungsdaten abzuschätzen. Ein entscheidendes Ergebnis stellte dabei die Unterschätzung der Rinnentiefe in Drohnen-generierten DGMs im Vergleich zu händischen Messungen dar. Insgesamt ist im Mittel mit einer Unterschätzung der Erosi-onsmenge von 10 % zu rechnen. Das neu erstellte, gekoppelte 2D-Hydraulik- und Erosionsmodell HydroAS GS–Govers kann zur detaillierten Analyse von Erosion auf Ackerflächen, ausgelöst durch Starkregene-reignisse, genutzt werden. Dadurch kann insbesondere die Rinnenerosion, die einen Groß-teil der Gesamterosion ausmacht, räumlich und mengenmäßig bestimmt werden. Die Ge-fahren und Schadauswirkungen, die ein extremes Starkregenereignis haben kann, können dadurch verifiziert werden. Mögliche Einsatzmöglichkeiten des Modells sind die Nutzung der Simulationsergebnisse als Basis zur Erarbeitung von Gegenmaßnahmen von Erosion und zu deren Wirksamkeitsnachweis sowie die Abschätzung sedimentgebundener Nähr- und Schadstoffeinträge von Ackerflächen in benachbarte Ökosysteme.