Modellierung der Bodenerosion mit HydroAS
Modellierung der Bodenerosion durch Starkregenereignisse mit HydroAS
Durch Starkregenereignisse entstehen Sturzfluten, die Mensch, Infrastruktur und Umwelt schaden können. Zusätzlich führen die hohen, kinetischen Kräfte der intensitätsstarken Niederschläge häufig zum Bodenabtrag von landwirtschaftlichen Flächen. Die Folgen der Bodenerosion sind Schäden auf urbanen Flächen, Abtrag und Verlust des Oberbodens auf landwirtschaftlichen Flächen sowie der Eintrag von Nähr- und Schadstoffen in Oberflächengewässer. Zur Abschätzung möglicher Gefahren und zur Konzeption von Maßnahmen gegen Bodenerosion wurde ein Modul zur Simulation von Bodenerosion in HydroAS implementiert.
Als Projektpartner in einem F&E-Projekt entwickelte Hydrotec gemeinsam mit der Universität des Saarlandes (UdS) und der Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes (htw saar) ein Modul zur Simulation von Bodenabtrag, -transport und ablagerung.
Entwicklungsbedarf in der Bodenerosionsmodellierung
Nach aktuellem Stand der Technik werden Starkregenereignisse mit zweidimensionalen, hydrodynamisch-numerischen Modellen (2D-Modellen) simuliert, wohingegen bestehende Erosionsmodelle mit vereinfachter 1D-hydraulischer Berechnung durchgeführt werden. Im Rahmen des F&E-Projektes wurde der präzise 2D-Berechnungsansatz von HydroAS genutzt, um die Hydraulik und damit die angreifenden Kräfte auf den Ackerboden zu berechnen, da die Qualität der Erosionssimulation entscheidend von der Genauigkeit der Hydraulik abhängt.
Erosionsprozesse treten sowohl in Fließgewässern durch Gerinneströmungen als auch auf der Bodenoberfläche durch Oberflächenabfluss auf. Die zugrunde liegenden Randbedingungen sind dabei sehr unterschiedlich. Die Strömungen im Fließgewässer sind geprägt durch hohe Wassertiefen (mehrere Dezimeter) und geringe Gefälle (wenige Prozent bis Promille), wobei Oberflächenabflüsse geringe Fließtiefen (wenige Zentimeter) und hohe Sohlgefälle (mehrere Prozent) aufweisen. Dadurch ergeben sich auch in der Erosionsmodellierung Unterschiede
Bodenerosionsmodell in HydroAS integriert
Die zu HydroAS gehörenden Module für den Stofftransport HydroAS GS, FT und ST sind für die Simulation des Feststofftriebs in Fließgewässern einsetzbar. Die in ihnen implementierten Erosionsprozesse mussten um Randbedingungen erweitertwerden, um auch Erosion auf landwirtschaftlichen Flächen und durch Oberflächenabfluss abbildenzu können.
Das HydroAS-Bodenerosionsmodell verwendet einen Transportkapazitätsansatz nach Govers (1990), der für Abflüsse auf stark geneigten Ackerflächen gültig ist. Der Abtrag des Bodens wird durch die maximale Transportkapazität vorgegeben. Das Bodenmaterial wird mit dem Oberflächenabfluss des simulierten Niederschlags transportiert und schließlich abgelagert. In jedem Zeitschritt und an jedem Knoten wird die Geländehöhe angepasst, wodurch sich Erosions- und Sedimentationsbereiche ergeben.
Vergleich von Drohnenaufnahmen mit Modell
Um das Bodenerosionsmodul zu kalibrieren und zu verifizieren, wurden tatsächliche Erosionsereignisse nach Starkregen mit Drohnenaufnahmen dokumentiert.
Mit den hochaufgelösten Bildern und den detaillierten Geländemodellen der betroffenen Flächen ist nachvollziehbar, wo sich Erosionswege und -rinnen gebildet haben und wie viel Bodenmaterial abgetragen wurde. Mehrere Erosionsflächen wurden in HydroAS abgebildet und zusammen mit dem Bodenerosionsmodul und
dem Niederschlagsszenario des jeweiligen Erosionsereignisses belastet. Der Vergleich der aufgenommenen Orthofotos und der Simulationsergebnisse zeigt eine hohe Übereinstimmung des Modells mit der Realität.
Erosionswege, Bodenabtrag und -ablagerung und Sedimentationsfrachten
Das Modul HydroAS Bodenerosion berechnet die örtliche Verteilung der Erosion, die generell eng mit den Fließwegen zusammenhängt. Darüber hinaus ermittelt es auch quantitativ die Erosions-, Transport- und Sedimentationsmengen.
Die Feststofftransportrate im Modell gibt Auskunft, wo und wann sich Boden bewegt. Über die Änderung der Sohle werden die Erosions- und Sedimentationstiefen ausgegeben, die Rückschlüsse auf die jeweiligen transportierten Bodenmengen erlauben.
Im Modell sind – vergleichbar wie in der Abflussmodellierung– Kontrollquerschnitte frei definierbar, an denen die berechneten Sedimentfrachten ausgegeben werden.
Software-Modul und Dienstleistung
Mit dem neue entwickelten HydroAS Bodenerosionsmodul werden aktuell in einem F&E-Projekt die vorliegenden Starkregengefahrenkarten des Saarlandes um Bodenerosionsgefahrenkarten ergänzt. Das Modul wird danach in die HydroAS-Produktpalette integriert und steht für die Anwendung mit HydroAS Modellen zur Verfügung. Damit ist es möglich Bodenabtrag und Sedimentation zu lokalisieren, zu quantifizieren und entsprechende Gegenmaßnahmen zu konzipieren und nachzuweisen.
Bis zur Veröffentlichung des Moduls bietet Hydrotec die Bodenerosionsmodellierung als Dienstleistung an. Nehmen Sie dazu gern mit uns Konatkt auf.
Dr. rer. nat. Rebecca Hinsberger, Prof. Dr.-Ing. Alpaslan Yörük
Literatur
- Govers G. (1990) Empirical relationships for the transport capacity of overland flow. Erosion, Transport and Deposition Processes (Proceedings of the Jerusalem Workshop, March-April 1987). IAHS Publ. no. 189, 1990
- Hinsberger, R.; Yörük, A. (2025): Application of a 2D Hydrodynamic Numerical Model for Heavy Precipitation-Induced Soil Erosion. Environmental Processes, 12, 54. https://doi.org/10.1007/s40710-025-00797-9
- Hinsberger R. (2025). Entwicklung eines Modells zur Simulation der Bodenerosion bei Starkregen auf Grundlage eines zweidimensionalen HN-Modellansatzes. Dissertation, Universität des Saarlandes
