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.Tillage practices and thus soil cultivation have significant impacts on runoff generation and concentration processes. By changing conventional tillage towards conservational tillage positive effects regarding natural water retention can be achieved. In attempting a constant soil coverage throughout the year (by catch crop cultivation and mulch tillage) the susceptibility to surface crusting is reduced, the microclimate at the soil surface is improved and hence infiltration is enhanced. Crop remains on the soils surface increase flow resistance and decrease flow velocity of the surface runoff, so that runoff can enter the soil layer by re-infiltration on unsaturated areas. The retention capacity of the soil and thus the available water storage for field crops is improved. The objective of this work is to simulate the impacts of land use and tillage practices on surface runoff in the lower mesoscale in high spatial resolution by a physically based water balance model. Thereby the potential of runoff reduction by reallocation of arable land, soil management promoting infiltration capacity and establishment of local measures can be determined. A database of rainfall simulations on arable fields is introduced that combines the data of several research groups: the hydrographs of the experiments, the time invariant (soil properties) and variable (sprinkler and tillage properties) boundary conditions of every single experiment and the punctual measurements (time to ponding, time to runoff) are summarized. The data sets of the rainfall simulation database are analyzed extensively. By means of optimization algorithms (Simulated Annealing) the optimized parameters of a modified HORTON type infiltration model are determined from the measured infiltration rates. The optimized parameter sets are combined with the boundary conditions of the experiments (soil and tillage properties) and estimated by statistical regression methods. An easily applicable multiple regression model is developed that is able to sufficiently estimate the infiltration parameters of the modified HORTON equation from commonly available data. The hydrological modeling system WaSiM is extended by two components: a surface sealing module that precedes the water movement into the unsaturated zone and a surface routing module using the kinematic wave approach for surface runoff. The model extensions and the underlying mathematical process descriptions are applied on several spatial scales: On the plot scale single experiments from the rainfall simulation database can predict hydrographs better than without the model extensions. Conservational tillage and crop rotation reducing erosion is modeled on the slope scale (arable fields on the Scheyern experimental farm) showing a high ratio of interflow in total runoff as delayed runoff component, thus representing the formation of stable macropores. Conventional tillage is modeled on the lower mesoscale (Weiherbach catchment) indicating areas prone to surface sealing during high precipitation events in spatial detail