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Experimentelle Rinnenerosionsforschung vs. Modellkonzepte " Quantifizierung der hydraulischen und erosiven Wirksamkeit von Rinnen

Experimental rill erosion research vs. Model concepts - Quantification of the hydraulic and erosional effectivity of rills

  • Rinnen werden als effektive Sedimentquellen und als Transportwege für große Sedimentmengen angesehen, zusätzlich agieren sie als bevorzugte Fließwege für den Oberflächenabfluss. Sie können sich zu irreversiblen Formen (Gullys) weiterentwickeln. Trotz Fortschritten in der Modellierung bleibt insbesondere die Modellierung von Rinnenerosion schwierig. Daher ist es wichtig, experimentelle Daten aus Geländeversuchen zu erheben, um das Prozesswissen zu verbessern und bessere Modelle zu entwickeln. In den Experimenten sollte eine standardisierte Methode verwendet werden, um eine gewisse Vergleichbarkeit der Ergebnisse zwischen unterschiedlichen Testgebieten zu gewährleisten. Die meisten Experimente zur Rinnenerosion, die unter Labor- oder Geländebedingungen durchgeführt wurden, verwendeten Substrate mit unterschiedlichen Korngrößen und natürlichen oder simulierten Niederschlag. Ziel war meist die Entstehung von Rinnennetzwerken zu beobachten, Startbedingungen für Rinnenbildung zu definieren, die Entwicklung der Rinnenmorphologie zu untersuchen, die wichtigsten hydraulischen Parameter wie Fließquerschnitt, benetzten Umfang, hydraulischen Radius, mittlere Fließgeschwindigkeit und shear stress abzuschätzen oder mathematische Modelle zu kreieren, um den Bodenabtrag durch Rinnenerosion abschätzen zu können. Aber es fehlen Untersuchungen zum Verhalten von existierenden Rinnen, natürlichen oder anthropogen entwickelten, unter Geländebedingungen. Um diese Lücke zu schließen wurde eine reproduzierbare Versuchsanordnung entworfen und in verschiedenen Rinnen angewendet um folgende Fragen zu beantworten: Wie hoch ist der Anteil der Rinnenerosion am Bodenabtrag? 2) Wie effektiv sind Rinnen beim Transport von Wasser und Sediment durch ihr Einzugsgebiet? In prozess-basierten Modellen werden verschiedene Prozesse durch mathematische Gleichungen beschrieben. Die Grundlage dieser Formeln ist meist ein hydraulischer Parameter, der in Verbindung zum Abtrag gebracht wird. Der am häufigsten verwendete Parameter ist der shear stress, von dem angenommen wird, dass er ein lineares Verhältnis zu Erosionsparametern wie detachment rate, detachment capacity oder Sedimentkonzentration aufweist. Aus dem shear stress lassen sich weitere Parameter wie unit length shear force oder verschiedene Varianten der stream power berechnen. Die verwendeten Erosions- und hydraulischen Parameter ändern sich je nach Forschergruppe. Eine weitere Modellannahme ist, dass die transport rate die trasnport capacity nicht übersteigen kann. Wenn das transport rate vs. transport capacity - Verhältnis 1 übersteigt, verringern Sedimentationsprozesse die Rate bis die transport capacity wieder erreicht ist. Wir untersuchten in Geländeversuchen die folgenden Annahmen: 1) Ist das Verhältnis zwischen transport rate und transport capacity immer kleiner 1? 2) Besteht die lineare Beziehung zwischen verschiedenen hydraulischen Parametern und Bodenabrtagsparametern? 3)Verursachen die selben hydraulischen Parameter, die in verschiedenen Versuchen aufgenommen wurden, auch immer die selben Erosionsparameter?
  • Rills are considered to be effective sediment sources, distributers of large sediment quantities and act as preferred runoff channels for overland flow. They have the potential to develop to irreversible forms (Gullies). Despite of the continuous advances in modelling particularly the modelling of rill erosion remains still difficult. So it is important to produce experimental data from field experiments to increase the process knowledge and for developing more useable models. In the experiments a standardised method should be used to achieve a certain comparability of the results between different test areas. Most experimental work about rill erosion that has been carried out in laboratory or under field conditions has used soil with different texture and natural or simulated rainfall. The aim was mainly to observe rill network formation, to define the initial conditions for rilling, to study the development of rill head morphology, to estimate the main hydraulic variables like cross-section area, wetted perimeter, hydraulic radius, mean velocity and shear stress or to propose mathematical models for estimating soil loss due to rill erosion. But there is a lack of research about the behaviour of existing rills, natural or developed anthropogenically, under field conditions. For closing this gap, we developed a standardized, reproducible experimental set-up and applied it to different rills to address the following questions: 1)- - - -  What is the rill's contribution to soil erosion? 2) How effective are rills for routing water and sediments through their environment? In process based soil erosion models different processes are described in numerical equations. The basic of these equations is in many cases a hydraulic parameter which is linked to an erosion parameter. The most used hydraulic parameter is the shear stress from which is assumed that it shows a linear correlation to erosion parameters like detachment rate, detachment capacity or sediment concentration. From shear stress, different other hydraulic parameters like unit length shear force or different variations of stream power can be calculated. The used erosion and hydraulic parameters change between different research groups. Another model assumption is that transport rates can not exceed transport capacities. If the transport rate / transport capacity relationship exceeds a value of 1, sedimentation processes decrease the rate until capacity is reached again. We tested in rill erosion field experiments the following assumptions: 1) Is the relationship transport rate vs. transport capacity always lower than 1? 2) Is there a linear correlation between different hydraulic parameters and soil erosion parameters? 3) Do the same hydraulic parameters generated in different experiments also cause the same erosion parameters?

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Metadaten
Author:Stefan Wirtz
URN:urn:nbn:de:hbz:385-7888
Advisor: Prof. Dr. Johannes B. Ries
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Date of completion:2013/03/05
Publishing institution:Universität Trier
Granting institution:Universität Trier, Fachbereich 6
Date of final exam:2013/01/28
Release Date:2013/03/05
Tag:experimentelle Forschung
Rill Erosion; Soil Degradation; Soil Erosion
GND Keyword:Angewandte Geomorphologie; Bo; Bodenerosion; Degradierung; Dynamische Geomorphologie; Geomorphologie; Rillenspülung
Institutes:Fachbereich 6 / Geographie und Geowissenschaften
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 55 Geowissenschaften, Geologie / 550 Geowissenschaften

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