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Ein mobiler Windkanal mit integrierter Beregnungsanlage zur experimentellen Erfassung der Bodenerosion durch Wind, Wasser und ihrer kombinierten Wirkung im Gelände

A portable windtunnel with integrated rainfall simulator for experimental measurement of soil erosion by wind, water and their combined effect in the field

  • Durch Bodendegradation werden jedes Jahr weltweit große Schäden verursacht. Die beiden Hauptverursacher für die globale Bodendegradation sind die Wind- und die Wassererosion. Für die Planung von effizienten Schutzmaßnahmen oder regionalen Managementplänen ist es deshalb wichtig zu verstehen, dass die beiden Prozesse nicht nur als abgekoppelte Phänomene auftreten. Auch wenn seit einiger Zeit das Bewusstsein hierfür zugenommen hat und eine steigende Anzahl von Bodenerosionsstudien auf diesen Sachverhalt eingehen, so bestehen vor allem bei der Abschätzung der relativen Bedeutung und dem Verständnis der vorhandenen Interaktionen zwischen der Wind- und Wassererosion noch substantielle Wissenslücken. Da indirekte Messverfahren, wie beispielsweise die Luftbildauswertung oder die Fernerkundung, für mikro-skalige Prozessstudien ungeeignet sind, beschränken sich die Studien zur Erfassung der Interaktion beider Prozesse zumeist auf die direkten und/oder experimentellen Messungen. Ein Vergleich der Abtragsraten und eine Untersuchung der Interaktionen zwischen der Wind- und der Wassererosion ist jedoch sehr schwierig, da es bislang kein Messinstrument gibt, dass einfach und schnell, die durch Wind, Wasser oder deren Zusammenwirken verursachten Erosionsraten auf natürlichen Oberflächen bestimmen kann. Aus diesem Grund wurde im Rahmen dieses Dissertationsprojekts erstmals, ein mobiler Windkanal mit integrierter Beregnungsanlage konzipiert und umgesetzt. Seine simulierten Wind- und Niederschlagseigenschaften wurden in Labormessungen mit einem Laserdistrometer, Niederschlagssammlern, Anemometern und Nebelversuchen bestimmt. Die beim Einsatz der Anlage in unterschiedlichen Messkampagnen gewonnenen Erkenntnisse zu seinem Aufbau flossen stetig in die Weiterentwicklung des Kanals ein. Die Qualität der simulierten Bedingungen im Kanal können nach den Modifikationen und unter Einbeziehung der Anforderungen an einen geländefähigen Kanal mit guter Mobilität, als sehr gut bezeichnet werden. Insbesondere die Reproduzierbarkeit der simulierten Bedingungen treten hier positiv hervor. Die angestrebten Ziele dieser Arbeit konnten weitestgehend erfüllt werden. Mit dem mobilen Windkanal mit integrierter Beregnungsanlage steht in Zukunft eine Anlage zur Verfügung, mit der die Abtragsraten der Wind- und Wassererosion im Gelände, getrennt und in ihrer gemeinsamen Wirkung, gemessen werden können. Durch den Einsatz der Anlage ist es möglich, einige der noch offenen wissenschaftlichen Fragen zur relativen Bedeutung und Interaktion der beiden Prozesse zukünftig zu untersuchen, um weitere Erkenntnisse über Ihren Einfluss auf die Bodendegradation, in Abhängigkeit von Landnutzungsänderungen und dem Klimawandel, zu erhalten.
  • Soil erosion by wind and water is causing severe soil degradation worldwide. It is essential for regional land management and the development of effective protection measures to understand that both processes are not separate phenomena. Instead, they are often closely associated to each other, locally as well as in time. Important gaps of knowledge exist especially in our understanding of their relative importance and interaction of wind and water erosion. Direct or experimental measurements are commonly used for micro-scale investigation of soil erosion processes; because other methods like small scale aerial photography and remote sensing do not have a sufficient resolution to differentiate between single particles and processes. Nevertheless, it is very difficult to compare soil loss caused by wind and water erosion from natural soil surfaces with the available measurement techniques, because until now there is no method available that can measure both processes simultaneously. Therefore, the objective of this study was to develop a portable wind tunnel with an integrated rainfall simulator to measure both processes separately and simultaneously in the field. The produced wind and rainfall characteristics were measured with the tuft method, smoke tests, propeller and pietot tube anemometers, rain gauges and a Laserdisdrometer. The overall quality of simulated conditions can be described as very good, but limitations that arise due to its portability (e.g. short length, small height) have to be taken into account. Most importantly, the good reproducibility of wind and rainfall conditions allow for its use in relative in-situ measurements. In conclusion, most of the aspired objectives could be solved and a device has been developed that is able to simulate wind erosion, water erosion, and their combined effects on natural soil surfaces.

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Metadaten
Author:Wolfgang Fister
URN:urn:nbn:de:hbz:385-7269
Advisor:Johannes B. Ries
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Date of completion:2011/12/12
Publishing institution:Universität Trier
Granting institution:Universität Trier, Fachbereich 6
Date of final exam:2011/11/14
Release Date:2011/12/12
Tag:Wassererosion; Winderosion; windverdriftete Tropfen
water erosion; wind erosion; wind-driven rain
GND Keyword:Beregnungsanlage; Bodenerosion; Feldexperiment; Künstlicher Niederschlag; Windkanal
Source:Zeitschrift für Geomorphologie, Journal of Arid Environments, Soil and Tillage Research, Catena
Institutes:Fachbereich 6 / Geographie und Geowissenschaften
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 55 Geowissenschaften, Geologie / 550 Geowissenschaften

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