Concrete pavement systems have great capacity to provide long service lives; however, if the subbase layer is improperly designed or mismanaged, service life would be diminished significantly since the subbase layer performs many important roles in a concrete pavement system. The erosion of material beneath a concrete slab is an important performance-related factor that if applied to the selection of base materials can enhance the overall design process for concrete pavement systems. However, erosion of the subbase has not been included explicitly in analysis and design procedures since there is not a well accepted laboratory test and related erosion model suitable for design. Previous erosion test methods and erosion models are evaluated in terms of their utility to characterize subbase materials for erosion resistance. With this information, a new test configuration was devised that uses a Hamburg wheel-tracking device for evaluating erodibility with respect to the degree of stabilization and base type. Test devices, procedures, and results are explained and summarized for application in mechanistic design processes. A proposed erosion model is calibrated by comparing erosion to lab test results and LTPP field performance data. Subbase design guidelines are provided with a decision flowchart and a design assistant spread sheet for the economical and sustainable design of concrete pavement subbase layers by considering many design factors that affect the performance of the subbase.

L’énergie hydraulique, où l’énergie cinétique de l’eau est transformée en énergie électrique, représente une contribution importante aux énergies renouvelables. L’eau qui passe par les turbines hydrauliques contient toujours une partie solide, par exemple du sable et de l’argile. Ces sédiments peuvent atteindre des niveaux de concentration élevés, ce qui nuit considérablement à la structure de la turbine par un mécanisme d’endommagement appelé érosion hydro-abrasive. Des types de turbine impliquant des vitesses d’écoulement très élevées, comme les turbines Pelton, sont particulièrement sensibles à l’érosion hydro-abrasive. Les simulations numériques présentent un moyen efficace d’étudier le sujet de l’érosion hydro-abrasive dans les turbines Pelton car elles permettent facilement la variation des nombreux paramètres. Ainsi, une réponse immédiate aux questions opérationnelles, de conception ou d’optimisation peut être obtenue. Cependant, il a été démontré que l’application des modèles d’érosion généraux et souvent utilisés ne fournit pas de résultats corrects en raison des propriétés particulières du matériel et de l’écoulement des turbines Pelton. Par conséquent, ce travail étudie le potentiel de la modélisation de l’érosion directe basée sur des principes fondamentaux. Cela implique que le mouvement des sédiments dans le fluide est simulé, leurs paramètres au moment de l’impact enregistrés et ensuite l’endommagement macroscopique global du matériel calculé sur la base des simulations de structure en microéchelle. Une formulation très appropriée pour les simulations fluides dans les turbines Pelton est une méthode sans maillage, plutôt nouvelle, qui s’appelle Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH). Par conséquent, la première partie de ce travail aborde la mise en oeuvre et l’évaluation d’un modèle Lagrangien de transport des sédiments dans le cadre de cette méthode où les sédiments sont transportés par une équation de mouvement. L’effet du bruit inhérent à la méthode SPH sur le mouvement des sédiments est évalué par rapport à l’effet de la dispersion turbulente des sédiments, qui a été introduite par un modèle basé sur l’équation de Langevin. En outre, les termes liés aux différentes forces dans l’équation du mouvement sont étudiés dans le cadre de la méthode SPH. Une deuxième partie de ce travail développe une approche efficace et généralement applicable pour obtenir l’endommagement globale sans adopter des modèles d’érosion. Pour obtenir cet endommagement global en macroéchelle, l’endommagement causé par un seul impact de sédiment, qui est calculé par des simulations de structure en microéchelle, est combiné avec les statistiques d’impact des simulations du fluide. / Hydraulic energy represents one important contribution to the growing source of renewable energies where the kinetic energy of water is transformed into electric energy. The water flowing through the hydraulic turbines always contains a solid part, for example sand and clay. Those sediments can reach high concentrations, harming importantly the turbine structure by a mechanism called hydro-abrasive erosion. Turbine types implying very high flow velocities, like Pelton turbines, are in particular sensitive to hydro-abrasive erosion. Numerical simulations present an efficient way to study the topic of hydro-abrasive erosion in Pelton turbines as they allow the variation of numerous parameters. Thus an immediate response to operational, design or optimization questions can be obtained. However it has been shown that the application of general, widely used erosion models do not deliver physical correct results due to the particular material and flow properties of Pelton turbines. Consequently this work investigates the potential of erosion modeling based on first principals. That means the sediment movement in the fluid is simulated, their state at impact tracked and then the overall macroscopic material damage calculated based on microscale structural simulations. A convenient formulation for fluid simulations in Pelton turbines is the rather novel, meshless method Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH). Therefore the first part of this work addresses the implementation and evaluation of a Lagrangian sediment transport model in the framework of this method where sediments are transported by a particle equation of motion. The effect of the SPH method inherent noise on the sediment movement is evaluated against the effect of the turbulent dispersion of the sediments, which has been introduced via an ad-hoc model based on the Langevin equation. Furthermore the different force terms in the particle equation of motion are investigated with respect to the SPH method. A second part develops an efficient and general applicable approach to obtain the overall erosion damage without adopting erosion models. Therefore the damage caused by a single sediment impact is calculated by structural simulations on the microscale in a first step. In a second step that isolated damage is combined with impact statistics from the fluid simulations and hence gives the overall damage profile on the macroscale.

Doctor of Philosophy / Department of Biological & Agricultural Engineering / Aleksey Y. Sheshukov / As the world faces an increasing demand for food due to the growing global population and the pernicious effects of land degradation, there is a need to overcome this challenge by using sustainable management practices for agricultural productions. One of the problems, which sustainable agriculture seeks to address, is the loss of topsoil due to soil erosion. Changing weather patterns also contribute to the average annual rainfall across the globe with an excess precipitation, which creates runoff and causes soil erosion. One of the significant yet less studied types of soil erosion is ephemeral gully erosion. Formed by the concentrated overland flow during intensive rainfall events, ephemeral gullies are channels on agricultural fields that can be removed by tillage operations but appear at the same location every year. Even though simplified ephemeral gully models estimate soil losses, they do not account for complicated hydrological and soil erosion processes of channel formations. The purpose of this research work is to investigate sediment sources and develop tools that can predict ephemeral gully erosion more efficiently. To achieve this goal, an experimental study was conducted on an agricultural field in central Kansas by tracking channel development, monitoring soil moisture content, and recording the amount of rainfall. Runoff and sediment loads from contributing catchment and critical and actual shear stresses were estimated by the computer model, and conclusions were made on the effect of saturation dynamics on the erosion processes. Furthermore, a two-dimensional subsurface water flow and soil erosion model was developed with the variable soil erodibility parameters which account for the subsurface fluxes and the effects on the soil detachment process. The model was applied to study the impacts of variable soil erodibility parameters on the erosion process for different soils and various antecedent soil moisture conditions. Also developed to estimate the soil losses at the field scale was an integrated spatially-distributed ephemeral gully model with dynamic time-dependent channel development. The model showed good fit by matching the experimental data. The results from this work can be used to advance the research of soil erosion prediction from concentrated flow channels and ephemeral gullies formed on agricultural fields.

Made available in DSpace on 2015-05-14T12:09:04Z (GMT). No. of bitstreams: 1 arquivototal.pdf: 3666055 bytes, checksum: 7ce2752c773c4c2bbc3c8e1704fee6ed (MD5) Previous issue date: 2011-07-28 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES / The determination of water losses by runoff and soil is essential for understanding and quantifying the runoff-erosion processes. The use of simulated rainfall in order to obtain runoff-erosion data provides simulations under conditions that cannot always be naturally represented in the field. Thus, this study aims to evaluate the water and soil losses on erosion plots in the semiarid region of Paraíba state through simulated rainfall and runoff-erosion modeling techniques under different vegetation covers and soil moisture conditions. Thus, simulated rainfalls were performed with a mean intensity of 53 mm/h on plots installed in São João do Cariri Experimental Basin with surface cover such as native vegetation, deforested, corn and beans, which were. The simulated rainfall was applied under different soil moisture conditions, as follows: (a) dry condition with 60 min duration, (b) wet condition 24 hours after the end of the simulation in the dry condition, with 30 min duration, (c) very wet conditions 30 min after the end of the simulation in wet condition, with 30 min duration. The data of water and soil losses obtained from rainfall simulation on plots under different cover and moisture conditions were modeled using the WESP runoff-erosion model. The collected runoff-erosion data from the erosion plots showed that the runoff in all types of cover was increased according to the increasing of soil moisture. The sediment yield was higher in the dry moisture condition, because they had 60 min of duration. The values of runoff and sediment yield under wet and very wet conditions were similar in all type of surface covers. The native cover showed to be effective in protecting the soil, with very significant reductions in relation to other types of coverage. The corn and beans have showed to be ineffective to protect the soil with greater water and soil losses than those observed for the bare plots. Regarding to the runoff-erosion modeling processes on the erosion plots under different surface cover and moisture conditions, the WESP model presented excellent results when observed and simulated runoff and sediment yield data were compared. / A determinação das perdas de água e solo por escoamento superficial é essencial para o entendimento e quantificação dos processos hidrossedimentológicos. O uso de chuva simulada para a obtenção de dados hidrossedimentológicos proporciona simulações em condições que nem sempre podem ser representadas naturalmente em campo. Desta forma, o presente estudo tem como objetivo avaliar as perdas de água e solo em parcelas de erosão, na região semiárida do Estado da Paraíba, através de chuva simulada e modelagem hidrossedimentológica, sob diferentes coberturas vegetais e condições de umidade do solo. Para tanto, foram realizadas chuvas simuladas com intensidades médias de 53 mm/h em parcelas com cobertura nativa, desmatada, milho e feijão, instaladas na Bacia Experimental de São João do Cariri. As chuvas simuladas foram aplicadas variando as condições de umidade do solo, da seguinte maneira: (a) condição seca com 60 min de duração; (b) condição úmida após 24 h do término da simulação na condição seca, com 30 min de duração; (c) condição muito úmida 30 min após o término da simulação na condição úmida, com 30 min de duração. Os dados de perda de água e solo obtidos a partir de chuva simulada nas parcelas com diferentes tipos de cobertura do solo e condições de umidade foram modelados pelo modelo hidrossedimentológico WESP. Os resultados do monitoramento hidrossedimentológico nas parcelas de erosão mostraram que o escoamento superficial em todos os tipos de cobertura do solo foi maior de acordo com o aumento da umidade do solo. Já a produção de sedimentos foi maior na condição de umidade seca, por suas simulações possuírem uma duração de 60 min. Os valores dos escoamentos superficiais e produções de sedimentos das condições úmida e muito úmida foram semelhantes em todos os tipos de cobertura do solo. A cobertura nativa se mostrou eficiente na proteção do solo, apresentando reduções bastante significativas em relação aos outros tipos de cobertura. As culturas de milho e feijão se mostraram ineficientes para a proteção do solo, apresentando perdas de água e solo superiores aos observados para o solo desmatado. Em relação à modelagem dos processos hidrossedimentológicos nas parcelas de erosão com diferentes tipos de cobertura do solo e condições de umidade, o modelo WESP apresentou resultados excelentes quando comparados os valores de escoamento e produção de sedimentos observados com os calculados.

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Sediment is a prevalent non-point source pollutant associated with forest operations. Roads and skid trail surfaces have erosion rates that are greater than the harvest area. Forestry best management practices (BMPs) have been developed to minimize erosion on skid trails, but few projects have compared the effectiveness of different BMPs for bladed skid trails in the mountains. This project evaluated soil erosion rates from bladed skid trails in the Ridge and Valley physiographic region of Virginia following an operational timber harvest. Skid trails were assigned into six blocks where each block had similar slopes and soils. All BMP treatments had waterbars, which are considered the minimum acceptable BMP closure treatment. Each block contained four different skid trail closure BMP treatments (waterbar only (Control), slash-covered (Slash), seeded (Seed), and seeded with fertilizer and mulch (Mulch)). The 24 treatment units were isolated with waterbars and installed following the Virginia Department of Forestry (VDOF) BMP guidelines. The randomized complete block design had three slope class ranges: gentle (0%-10%), moderate (11%-20%), and steep (21%-30%). Stormwater runoff from skid trails was directed at downslope waterbars and eroded material was trapped in silt fences at each treatment area. Depth and area of eroded soil collected in silt fences was measured monthly to quantify total erosion volume for the skid trail area and converted to a per acre basis. Volumes were converted to mass using soil bulk density within the trapped sediment. Control treatments had an average erosion rate of 6.8 tons ac-1 yr-1, with rates up to 73.5 tons ac-1 yr-1 following installation and during extreme rainfall events. Seed treatments recorded an average erosion rate of 2.6 tons ac-1 yr-1, with rates reaching 27.2 tons ac-1 yr-1. Adding grass seed provided ground cover, but not consistently over time. Due to high rates of ground cover, the Mulch treatments averaged 0.5 tons ac-1 yr-1 with an extreme of 3.8 tons ac-1 yr-1. Slash treatments were found to reduce erosion rates to an average of 0.4 tons ac-1 yr-1, with the highest rate being 1.8 tons ac-1 yr-1. Site characteristics on experimental units were collected quarterly in order to model erosion rates with commonly used erosion models for forestland (USLE-Forest, RUSLE2, WEPP:Road). Direct erosion estimates were compared to erosion model predictions produced by USLE-Forest, RUSLE2, and WEPP:Road in order to partially confirm the relationship between sediment trap data and the models. Using multiple analyses it was determined that USLE-Forest and RUSLE2 predicted mean values that are more similar to the actual measured rates, RUSLE2 and WEPP:Road have better linear relationships to the measured rates than does USLE-Forest, and USLE-Forest was the most statistically similar to the measured data using a nonparametric Steel-Dwass Multiple Comparisons Test. All models performed inadequately when attempting to predict Control or Slash treatments; while all models performed the best at predicting Mulch treatments. / Master of Science

Soil erosion is a major global environmental problem that is increasing year by year in Turkey. Preventing soil erosion requires political, economic and technical actions / before these actions we must learn properties and behaviors of our soil resources. The aims of this study are to estimate annual soil loss rates of a watershed with integrated models within GIS framework and to map the soil erosion risk for a complex terrain. In this study, annual soil loss rates are estimated using the Universal Soil Loss Equation (USLE) that has been used for five decades all over the world. The main problem in estimating the soil loss rate is determining suitable slope length parameters of USLE for complex terrains in grid based approaches. Different algorithms are evaluated for calculating slope length parameters of the study area namely Kocadere Creek Watershed, which can be considered as a complex terrain. Hickey&amp / #8217 / s algorithm gives more reliable topographic factor values than Mitasova&amp / #8217 / s and Moore&amp / #8217 / s. Satellite image driven cover and management parameter (C) determination is performed by scaling NDVI values to approximate C values by using European Soil Bureau&amp / #8217 / s formula. After the estimation of annual soil loss rates, watershed is mapped into three different erosion risk classes (low, moderate, high) by using two different classification approaches: boolean and fuzzy classifications. Fuzzy classifications are based on (I) only topographic factor and, (II) both topographic and C factors of USLE. By comparing three different classified risk maps, it is found that! in the study area topography dominates erosion process on bare soils and areas having sparse vegetation.

Forest roads and stream crossings can be important sources of sediment in forested watersheds. The purpose of this research was to compare trapped sediment and forestry best management practice (BMP) effectiveness from haul road stream crossing approaches and ditches. The three studies in this dissertation provide a quantitative assessment of sediment production and potential sediment delivery from forest haul roads in the Virginia Piedmont and Ridge and Valley regions. Sediment production rates were measured and modeled to evaluate and compare road and ditch segments near stream crossings with various ranges of road attributes, BMPs, and management objectives. Sediment mass delivered to traps from 37 haul road stream crossing approaches ranged from <0.1 to 2.7 Mg for the one year collection. Collectively, five approaches accounted for 82% of the total sediment mass trapped. Approaches were categorized into Low, Standard, and High road quality rankings according to road attributes. Seventy-one percent (5 of 7) of Low ranked approaches delivered sediment to traps at rates greater than 11.2 Mg ha-1 yr-1. Nearly 90% of Standard or High road quality approaches generated less than 0.1 Mg of sediment over one year. Among approaches with less than 0.1 Mg of trapped sediment, road gradients ranged from 1% to 13%, bare soil ranged from 2% to 94%, and distances to nearest water control structures ranged from 8.2 to 427.0 m. Such a wide spectrum of road attributes with relatively low levels of trapped sediment indicate that contemporary BMPs can mitigate problematic road attributes and reduce erosion and sediment delivery. Three erosion models, USLE-forest, RUSLE2, and WEPP were compared to trapped sediment data from the 37 forest haul road stream crossing approaches in the first study. The second study assessed model performance from five variations of the three erosion models that have been used in previous forest operations research, USLE-roadway, USLE-soil survey, RUSLE2, WEPP-default, and WEPP-modified. The results suggest that these soil erosion models could estimate erosion and sediment delivery within 5 Mg ha-1 yr-1 for most approaches with erosion rates less than 11.2 Mg ha-1 yr-1, while model estimates varied widely for approaches that eroded above 11.2 Mg ha-1 yr-1. Based on the results from the 12 evaluations of model performance, the modified version of WEPP consistently performed better compared to all other model variations tested. However, results from the study suggest that additional field evaluations and improvement of soil erosion models are needed for stream crossings. The soil erosion models evaluated are not an adequate surrogate for informing policy decisions. The third study evaluated sediment control effectiveness of four commonly recommended ditch BMPs on forest haul road stream crossing approaches. Sixty ditch segments near stream crossings were reconstructed and four ditch BMP treatments were tested. Ditch treatments were bare (Bare), grass seed with lime fertilizer (Seed), grass seed with lime fertilizer and erosion control mat (Mat), rock check dams (Dam), and completely rocked (Rock). Mat treatments had significantly lower erosion rates than Bare and Dam, while Rock and Seed produced intermediate levels. Findings of this study suggest Mat, Seed, and Rock ditch BMPs were effective at reducing erosion, but Mat was most effective directly following construction because Mat provided immediate soil protection measures. Any BMPs that reduce bare soil can provide reduction in erosion and even natural site condition, including litterfall and invasive vegetation can provide erosion control. However, ditch BMPs cannot mitigate inadequate water control structures. Overall, forest roads and stream crossings have the potential to be major contributors of sediment in forested watersheds when roads are not designed well or when BMPs are not properly implemented. Forestry BMPs reduce stormwater runoff velocity and volume from forest roads, but can have varying levels of effectiveness due to site-specific conditions. Operational field studies provide valuable information regarding erosion and sediment delivery rates, which helps guide BMP recommendations and subsequently enhances water quality protection. / Ph. D.

In der vorliegenden Arbeit wurden Doppelringinfiltrationsexperimente an teilweise gefro­renen Böden durchgeführt. Diese Experimente wurden anschließend mit den zwei computer­ge­stützten Modellen, Erosion 3D / Winter und COUP, nachgestellt, um die Frage zu beantworten, ob es möglich ist, die Infiltration in teilweise gefrorene Böden vorherzusagen. Die Doppelringinfiltrationsexperimente wurden auf einem ackerbaulich genutzten Lehm­boden mit geringer Lagerungsdichte und Bodenfeuchten im Bereich der Feld­kapa­zität, an der nördlichen Grenze des hydrologischen Untersuchungsgebietes „Schäfertal“ durch­ge­führt. Drei Experimente erfolgten bei teilweise gefrorenen und ein Experiment bei unge­frorenem Boden. Bei diesen Experimenten wurde herausgefunden, dass die Endinfiltrationsrate des gefro­renen Bodens mit 7·10-5 m/s gleich der Endinfiltrationsrate des ungefrorenen Bodens war. Während bei dem Infiltrationsexperiment mit ungefrorenem Boden die Endinfiltrations­rate bereits nach 10 bis 20 min erreicht war, wurden bei den Experimenten mit gefrorenen Böden aufgrund der zusätzlichen Sättigung des kryoturbativen Sekundärporenvolumens mehr Zeit benötigt. Zu den im Boden ablaufenden Prozessen bei Zugabe von Infiltrationswasser (Tem­pe­ratur­veränderung, Gefrier- und Auftauprozesse, Veränderung der Porosität) besteht noch Klärungsbedarf. Der für die Modellierung wichtige Eingabeparameter der Anfangsbodenfeuchte konnte bei winterlichen Bedingungen nicht genau bestimmt werden. Gravimetrische Boden­feuchtebestimmungen liefern aufgrund des Eintrags von zusätzlichen Eis- und Schnee-Wasser zu hohe Werte. TDR- und Watermark-Messungen unterschätzen hingegen die Bodenfeuchten, weil sie nur den Anteil des flüssigen Wassers berücksichtigen. Mit Erosion 3D / Winter konnten die Ergebnisse der Infiltrationsexperimente, unter der Voraussetzung, dass die effektive gesättigte hydraulische Leitfähigkeit des ungefrorenen Bodens exakt bekannt war, sehr gut nachgestellt werden. Eine Modellierung der Infiltration in einen teilweise gefrorenen Boden ist damit, zumindest für den untersuchten Boden und die betrachteten meteorologischen Bedingungen, möglich. Das COUP - Modell lieferte dagegen völlig andere Ergebnisse, weil von einem Ein­frieren des infiltrierten Wassers bei negativen Temperaturen ausgegangen wird. Eine Verbesserung der Infiltrationsbeschreibungen könnte hier wahrscheinlich durch die Vorgabe einer größeren Anzahl von Eingabeparametern, die die natürliche Situation besser repräsentieren als die für die Modellierung verwendeten Daten, erfolgen.

Die Planung geeigneter Maßnahmen zu Verminderung des Bodenabtrags ist gebunden an eine möglichst präzise Ermittlung von Erosions- und Depositionsflächen, die Lokalisierung des Oberflächenabflusses und die Erfassung möglicher Eintrittspunkte des erodierten Bodens in Fließ- und Stillgewässer (siehe auch DUTTMANN 1999). Dazu stehen verschiedene Instrumente zur Verfügung. Neben den klassischen Methoden wie Kartierungen von Erosionsformen sowie deren Verteilung oder Messungen zur Quantifizierung von Bodenab- und aufträgen kommt der Anwendung von Modellen eine deutlich steigende Bedeutung zu. Dazu stehen einerseits empirische Modelle und andererseits prozessorientierte physikalisch basierte Modelle zur Verfügung. Bedingt durch den damit verbundenen Aufwand wurde bisher auf einen Einsatz dieser Modelle im Rahmen der planerischen Praxis weitgehend verzichtet. Mit der Anwendung des physikalisch basierten Erosionsmodells EROSION 3D wurde die Anwendbarkeit des Modells als Instrument in der Planungspraxis untersucht. Dazu wurde geprüft, ob der Ist-Zustand der Flächen dargestellt und die Planung von Maßnahmen präzisiert und objektiviert wurden kann. Diese Zielstellung wurde an drei, in verschiedenen Regionen Sachsens gelegenen Fallbeispielen mit verschiedenen planerischen Zielstellungen untersucht. Alle Untersuchungsgebiete befinden sich in überwiegend agrarisch geprägten Landschaften, da mit dem gewählten Modell vorrangig erosive Prozesse auf ackerbaulich genutzten Standorten dargestellt werden. Das erste Fallbeispiel untersucht, inwieweit die Funktion des Bodens als Archiv der Natur- und Kulturgeschichte auf Ackerflächen gewährleistet wurde und welche Maßnahmen zum Schutz dieser Bodenfunktion beitragen können. Archäologische Bodendenkmäler auf landwirtschaftlich genutzten Flächen unterliegen durch die deutliche Intensivierung der landwirtschaftlichen Bodenbearbeitung einer zunehmenden Gefährdung. Als Vorgehensweise wurde hier zuerst die graduelle Gefährdung der archäologischen Bodendenkmäler auf mesoskaliger Ebene bestimmt. Dazu erfolgt die Ermittlung der potentiellen Erosionsgefährdung. Anschließend für mehrere Hot-Spot-Flächen auf der Ebene des Kleineinzugsgebietes (chorische Ebene) eine hochaufgelöste Prüfung des derzeitigen Zustandes der Flächen und die Ableitung und Prüfung von Schutzmaßnahmen unter der Annahme von mehreren Landschaftsszenarien durchgeführt. Das zweite Fallbeispiel betrachtet den Einsatz des Erosionsmodells im Rahmen des Artenschutzes am Beispiel der Flussperlmuschel (Margaritifera margaritifera). Die Flussperlmuscheln sind durch Sediment- und Stoffeinträge in Fließgewässer extrem in ihrem Bestand gefährdet. Mit Hilfe der Modellierungsszenarien wurde untersucht, ob Stoffeintragspfade aus landwirtschaftlich genutzten Flächen und Sedimentübertrittspunkte in Gewässer nachvollziehbar ermittelt werden. Die Erwartung wurde durch den Modelleinsatz bestätigt. Auf Basis des Ist-Zustandes wurden anschließend Maßnahmenvorschläge erarbeitet, die zur Minimierung der Gewässereutrophierung und damit zum Schutz der Flussperlmuschel beitragen. Fallbeispiel 3 untersucht im Untersuchungsgebiet Baderitzer Stausee vorliegende umweltrelevante Planungen hinsichtlich ihrer Aussagen zum Erosionsschutz und den möglichen Einsatz von Erosionsmodellierungen auf dieser Planungsebene. Dazu wurde für dieses Fallbeispiel ein optimiertes Szenario mit der Fokussierung auf den Erosionsschutz entwickelt. Zusammenfassend wird festgestellt, dass das Modell EROSION 3D den unterschiedlichen Planungsansprüchen der drei ausgewählten Fallbeispiele gerecht werden konnte und ein weiterer Einsatz des Modells im Rahmen umweltrelevanter Maßnahmen sehr gut vorstellbar ist. Dazu bedarf es neben der noch zu beantwortenden Frage nach dem Finanzierungskonzept vor allem der Mitarbeit und kompetenten Beratung der Entscheidungsträger durch die Planer und Planerinnen.:INHALTSVERZEICHNIS ABBILDUNGSVERZEICHNIS TABELLENVERZEICHNIS ABKÜRZUNGEN UND SYMBOLE 1 Einleitung 1 1.1 Motivation 1 1.2 Ziel 3 1.3 Vorgehensweise 4 2 Stand des Wissens 5 2.1 Bodenerosion 5 2.1.1 Nutzungsbedingte Erosion 6 2.1.2 Erosionsschäden 8 2.1.3 Erosionsschutz 9 2.2 Umweltziele, Umweltqualitätsziele und Umwelthandlungsziele des Erosionsschutzes 13 2.2.1 Allgemeine Grundlagen 13 2.2.2 Situation des Erosionsschutzes 15 2.3 Rechtliche Grundlagen des Erosionsschutzes 19 2.3.1 Weltweit 19 2.3.2 Europäische Union (EU) 21 2.3.3 Bundesebene 22 2.3.4 Länderebene am Beispiel des Freistaates Sachsen 26 2.4 Landschaftsbezogene Planungen - Umsetzungsinstrumente des Erosionsschutzes? 28 2.4.1 Einordnung der Landschaftsplanung im Planungssystem 28 2.4.2 Planungsrecht und räumliche Planungssysteme 28 2.4.3 Raumordnung 28 2.4.4 Landschaftsplanung 29 2.4.5 Weitere Planungsinstrumente 31 2.4.6 Landwirtschaftliche Fachplanungen 32 2.5 Bisherige planerische Ansätze zur Erosionsminderung 33 2.5.1 Kriterien zur Ackerschlaggestaltung 33 2.5.2 Sächsischer Leitfaden Bodenschutz bei Planungs- und Genehmigungsverfahren 33 2.5.3 Aktuelle sächsische, deutsche und europäische Förderprogramme 33 2.5.4 Standards zum Erosionsschutz unter Cross Compliance ab dem 01. Juli 2010 35 3 Methodik 36 3.1 Vorgehensweise 36 3.1.1 Fallbeispiel 1 – Erosionsbedingte Gefährdung archäologischer Denkmalflächen 38 3.1.2 Fallbeispiel 2 - Arten- und Gewässerschutz am Beispiel der Flussperlmuschel 39 3.1.3 Fallbeispiel 3 – Optimierung landschaftsgliedernder Strukturen 40 3.2 Erosionsmodellierung 42 3.2.1 Stand der Wissenschaft 42 3.2.2 Auswahlkriterien der Modellanwendung 43 3.2.3 EROSION 3D 45 3.3 Daten- und Informationsgrundlagen 49 3.3.1 Landnutzungsparameter 49 3.3.2 Bodendaten 50 3.3.3 Ableitung des Landnutzungs- und Bodendatensatzes 51 3.3.4 Geländehöhen/ Geländemodell 51 3.3.5 Niederschlagsdaten 52 3.4 Experimentelle Parameterbestimmung 55 3.4.1 Feldarbeiten 55 3.4.2 Laborarbeiten 55 4 Ergebnisse 56 4.1 Fallbeispiel 1 – Schutz archäologischer Denkmalflächen 56 4.1.1 Beschreibung des Untersuchungsgebietes 57 4.1.2 Erosionsgefährdung des Gesamtgebietes - Übersichtsmodellierung 62 4.1.3 Erosionsgefährdung der Hotspotflächen 67 4.2 Fallbeispiel 2 – Artenschutzschwerpunkt Flussperlmuschel 92 4.2.1 Beschreibung der Untersuchungsgebiete 93 4.2.2 Gefährdungsursachen 97 4.2.3 Ergebnisse 99 4.2.4 Lokalisierung und Quantifizierung von Eintragspfaden und Übertrittspunkten 108 4.3 Fallbeispiel 3 – Optimierung landschaftsgliedernder Strukturen im Einzugsgebiet Stausee Baderitz 113 4.3.1 Beschreibung des Untersuchungsgebietes 113 4.3.2 Vorgehensweise 116 4.3.3 Ergebnisse der Modellierungsszenarien 125 5 Diskussion und Schlussfolgerungen 136 5.1 Fallbeispiel 1 136 5.1.1 Übersichtsmodellierung 136 5.1.2 Hot-Spot-Szenarien 136 5.1.3 Schlussfolgerungen 138 5.2 Fallbeispiel 2 139 5.2.1 Modellierungsergebnisse 139 5.2.2 Fehlerdiskussion 141 5.2.3 Vergleich der Modellierungsergebnisse mit vorliegenden Untersuchungen 143 5.2.4 Nicht berücksichtigte Gefährdungsfaktoren 144 5.2.5 Schlussfolgerungen Fallbeispiel 2 144 5.3 Fallbeispiel 3 146 5.3.1 Berücksichtigung des Erosionsschutzes in den vorliegenden Umweltplanungen 146 5.3.2 Erosionsmodellierung 146 5.3.3 Schlussfolgerung Fallbeispiel 3 150 5.4 Synopse der Fallbeispiele 153 5.4.1 Diskussion der Methodik 153 5.4.2 Eignung des Modells für die Umweltplanung 155 5.4.3 Einsatzmöglichkeiten auf der Basis gesetzlicher Grundlagen 156 5.4.4 Fazit 159 6 Zusammenfassung 161 7 Abstract 163 8 Literaturverzeichnis 164 Erklärung gemäß Anlage 4 – Eidesstattliche Versicherung 177 ANHANG A 1 Parametrisierung Fallbeispiel 2 180 A 2 Parametrisierung Fallbeispiel 3 182 A 3 Kartographische Darstellung der Modellergebnisse Fallbeispiel 1 187 / The planning of suitable measurements for reducing soil erosion is linked to a possible precise calculation of size of erosion and deposition, the localization of the overland flow and the side identification of any possible signs of eroded soil in flowing and in slack water (DUTTMANN 1999). A number of different instruments are available. Additionally to the classical methods, such as, field mapping the erosion forms, as well as, the allocation or measurements for the quantification of soil erosion and application, it also increases the importance of models. On the one side there are the empirical models and on the other the process orientated physical models. Due to the amount of work involved in using such models in the real world, they have been mainly ignored. Under the use of physical based erosion models EROSION 3D the use of these models as instruments of planning practice has been examined. The actual condition of the areas has also been produced and to see if the planning of measurements can be precise and objective. This aim has been examined in three different regions in Saxony in case studies each with different methods of planning. All examination areas were located in mainly agricultural countrysides and examined mainly with chosen model of erosion process concerning agronomic used locations. The first case study examined to what extent the function the soil as archive the nature and cultural history on agronomic areas had been allowed for and which measurements for the protection of these soil functions can make a contribution. Archaeological sites on used agricultural areas are exposed to greater danger due to the increased use of soil cultivation. First the potential erosion danger of archaeological sites on a mesoskalig level with subsequent gradual erosion levels was calculated. Finally for several hot spot areas followed a detailed examination of the current condition of the areas and the diversion and examination of protection measurements concerning several countryside scenarios. The second case study looked at the application of erosion models in the framework of wildlife conservation with the example choosen of freshwater pearl mussel (Margaritifera margaritifera). The freshwater pearl mussels are extremely endangered in their population as they are in the sediment and element inputs in flowing water. The examination looked comprehensibly at the help of element input ways on countryside areas and loose sediment in waters. Based on the actual situation a number of measurement suggestions were prepared for the reduction of water eutrophication and add to the protection of the freshwater pearl mussel. Case study 3 looked at the examination point Baderitzer Stausee the actual status of the countryside planning and the possible use of erosion models as possible methods of these planning levels. To what extent the existing plans for erosion protection in these planning procedures had been taken into account up to now.:INHALTSVERZEICHNIS ABBILDUNGSVERZEICHNIS TABELLENVERZEICHNIS ABKÜRZUNGEN UND SYMBOLE 1 Einleitung 1 1.1 Motivation 1 1.2 Ziel 3 1.3 Vorgehensweise 4 2 Stand des Wissens 5 2.1 Bodenerosion 5 2.1.1 Nutzungsbedingte Erosion 6 2.1.2 Erosionsschäden 8 2.1.3 Erosionsschutz 9 2.2 Umweltziele, Umweltqualitätsziele und Umwelthandlungsziele des Erosionsschutzes 13 2.2.1 Allgemeine Grundlagen 13 2.2.2 Situation des Erosionsschutzes 15 2.3 Rechtliche Grundlagen des Erosionsschutzes 19 2.3.1 Weltweit 19 2.3.2 Europäische Union (EU) 21 2.3.3 Bundesebene 22 2.3.4 Länderebene am Beispiel des Freistaates Sachsen 26 2.4 Landschaftsbezogene Planungen - Umsetzungsinstrumente des Erosionsschutzes? 28 2.4.1 Einordnung der Landschaftsplanung im Planungssystem 28 2.4.2 Planungsrecht und räumliche Planungssysteme 28 2.4.3 Raumordnung 28 2.4.4 Landschaftsplanung 29 2.4.5 Weitere Planungsinstrumente 31 2.4.6 Landwirtschaftliche Fachplanungen 32 2.5 Bisherige planerische Ansätze zur Erosionsminderung 33 2.5.1 Kriterien zur Ackerschlaggestaltung 33 2.5.2 Sächsischer Leitfaden Bodenschutz bei Planungs- und Genehmigungsverfahren 33 2.5.3 Aktuelle sächsische, deutsche und europäische Förderprogramme 33 2.5.4 Standards zum Erosionsschutz unter Cross Compliance ab dem 01. Juli 2010 35 3 Methodik 36 3.1 Vorgehensweise 36 3.1.1 Fallbeispiel 1 – Erosionsbedingte Gefährdung archäologischer Denkmalflächen 38 3.1.2 Fallbeispiel 2 - Arten- und Gewässerschutz am Beispiel der Flussperlmuschel 39 3.1.3 Fallbeispiel 3 – Optimierung landschaftsgliedernder Strukturen 40 3.2 Erosionsmodellierung 42 3.2.1 Stand der Wissenschaft 42 3.2.2 Auswahlkriterien der Modellanwendung 43 3.2.3 EROSION 3D 45 3.3 Daten- und Informationsgrundlagen 49 3.3.1 Landnutzungsparameter 49 3.3.2 Bodendaten 50 3.3.3 Ableitung des Landnutzungs- und Bodendatensatzes 51 3.3.4 Geländehöhen/ Geländemodell 51 3.3.5 Niederschlagsdaten 52 3.4 Experimentelle Parameterbestimmung 55 3.4.1 Feldarbeiten 55 3.4.2 Laborarbeiten 55 4 Ergebnisse 56 4.1 Fallbeispiel 1 – Schutz archäologischer Denkmalflächen 56 4.1.1 Beschreibung des Untersuchungsgebietes 57 4.1.2 Erosionsgefährdung des Gesamtgebietes - Übersichtsmodellierung 62 4.1.3 Erosionsgefährdung der Hotspotflächen 67 4.2 Fallbeispiel 2 – Artenschutzschwerpunkt Flussperlmuschel 92 4.2.1 Beschreibung der Untersuchungsgebiete 93 4.2.2 Gefährdungsursachen 97 4.2.3 Ergebnisse 99 4.2.4 Lokalisierung und Quantifizierung von Eintragspfaden und Übertrittspunkten 108 4.3 Fallbeispiel 3 – Optimierung landschaftsgliedernder Strukturen im Einzugsgebiet Stausee Baderitz 113 4.3.1 Beschreibung des Untersuchungsgebietes 113 4.3.2 Vorgehensweise 116 4.3.3 Ergebnisse der Modellierungsszenarien 125 5 Diskussion und Schlussfolgerungen 136 5.1 Fallbeispiel 1 136 5.1.1 Übersichtsmodellierung 136 5.1.2 Hot-Spot-Szenarien 136 5.1.3 Schlussfolgerungen 138 5.2 Fallbeispiel 2 139 5.2.1 Modellierungsergebnisse 139 5.2.2 Fehlerdiskussion 141 5.2.3 Vergleich der Modellierungsergebnisse mit vorliegenden Untersuchungen 143 5.2.4 Nicht berücksichtigte Gefährdungsfaktoren 144 5.2.5 Schlussfolgerungen Fallbeispiel 2 144 5.3 Fallbeispiel 3 146 5.3.1 Berücksichtigung des Erosionsschutzes in den vorliegenden Umweltplanungen 146 5.3.2 Erosionsmodellierung 146 5.3.3 Schlussfolgerung Fallbeispiel 3 150 5.4 Synopse der Fallbeispiele 153 5.4.1 Diskussion der Methodik 153 5.4.2 Eignung des Modells für die Umweltplanung 155 5.4.3 Einsatzmöglichkeiten auf der Basis gesetzlicher Grundlagen 156 5.4.4 Fazit 159 6 Zusammenfassung 161 7 Abstract 163 8 Literaturverzeichnis 164 Erklärung gemäß Anlage 4 – Eidesstattliche Versicherung 177 ANHANG A 1 Parametrisierung Fallbeispiel 2 180 A 2 Parametrisierung Fallbeispiel 3 182 A 3 Kartographische Darstellung der Modellergebnisse Fallbeispiel 1 187