Für das Modell Erosion 3D wird derzeit an der TU Bergakademie Freiberg ein Wintermodul entwickelt. Mit diesem soll es möglich werden, den aus der Schneeschmelze resultierenden Oberflächenabfluß und dessen Sedimentgehalt zu modellieren. Ziel dieser Studienarbeit ist es, zum einen die Schneedecke im „Schäfertal“ zu charakterisieren und zum anderen das Modell Erosion 3D/Winter Version zu überprüfen. Das Ergebnis der Auswertung von gemessener Lufttemperatur, Schneehöhe und dazugehörigem Wasseräquivalent hat ergeben, das selbst in Kleineinzugsgebieten wie dem Schäfertal die Schneedecke eine sehr große Heterogenität aufweißt. Diese Heterogenität nimmt mit zunehmendem Alter der Schneedecke zu. Bei der Ausführung des Modells Erosion 3D/Winter Version muß zu Beginn der Modellierung ein Schneeschmelzfaktor eingegeben werden. Eine empirische Bestimmung ergab, daß ein Schneeschmelzfaktor mit dem Wert 1 für das „Schäfertal“ die besten Simulationsergebnisse liefert. Weiterhin muß festgelegt werden, ob die Böden im Untersuchungsgebiet zum Zeitpunkt der Modellierung gefroren oder nicht gefroren sind. Diese Entscheidung ist problematisch: Einerseits wird selten die Bodentemperatur gemessen, die nicht zwangsläufig mit der Lufttemperatur korreliert. Anderseits befindet sich im Untersuchungsgebiet nur ein Lufttemperaturmesspunkt. Somit ist es schwierig eine exakte Verteilung des Parameters zu erhalten, insbesondere da es eine starke Gliederung in Nord- und Südhanglagen gibt. In Anlehnung an die große Heterogenität der Schneedecke kann davon ausgegangen werden, daß es falsch ist anzunehmen, daß im gesamten Untersuchungsgebiet über den Modellierzeitraum gleiche Bedingungen vorliegen (gefrorene bzw. nicht gefrorene Böden). Somit wird der große Einfluß des Bodenfrostes nicht optimal in dieser Modellversion beachtet. Für die Überprüfung des Modells Erosion 3D/Winter Version wurde zunächst eine Sensitivitätsanalyse durchgeführt, um das Verhalten der Modellergebnisse gegenüber der Lagerungsdichte, dem Erosionswiderstand und der Rauhigkeit herauszufinden. Diese Sensitivitätsanalyse ergab, daß bei den Parametern Erosionswiderstand und Rauhigkeit die Annahme „Bodenfrost“ keinen Einfluß auf das Ergebnis der Modellierung hat. Einen großen Einfluß hat die Annahme „Bodenfrost“ allerdings bei Betrachtung der Lagerungsdichte die im Programm Erosion 3D/Winter Version ein zentraler Parametern ist. Gefrorene Böden überspringen das Infiltrationsmodul, somit ist deren Sensitivität wegen fehlender Infiltration Null. Ohne Bodenfrost ist der Parameter durch seine hohe Sensitivität wie schon im E3D sehr bedeutend. Die Ablation der Schneedecke wird von Erosion 3D/Winter Version sehr gut berechnet, doch bei der Akkumulation von Schnee treten bei der verwendeten Version Fehler auf, denn das simulierte Wasseräquivalent ist um einiges höher als das gemessene. Aus diesem Grund war es nicht möglich das Programm für das Schäfertal zu validieren.

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.

Für das Modell Erosion 3D wird derzeit an der TU Bergakademie Freiberg ein Wintermodul entwickelt. Mit diesem soll es möglich werden, den aus der Schneeschmelze resultierenden Oberflächenabfluß und dessen Sedimentgehalt zu modellieren. Ziel dieser Studienarbeit ist es, zum einen die Schneedecke im „Schäfertal“ zu charakterisieren und zum anderen das Modell Erosion 3D/Winter Version zu überprüfen. Das Ergebnis der Auswertung von gemessener Lufttemperatur, Schneehöhe und dazugehörigem Wasseräquivalent hat ergeben, das selbst in Kleineinzugsgebieten wie dem Schäfertal die Schneedecke eine sehr große Heterogenität aufweißt. Diese Heterogenität nimmt mit zunehmendem Alter der Schneedecke zu. Bei der Ausführung des Modells Erosion 3D/Winter Version muß zu Beginn der Modellierung ein Schneeschmelzfaktor eingegeben werden. Eine empirische Bestimmung ergab, daß ein Schneeschmelzfaktor mit dem Wert 1 für das „Schäfertal“ die besten Simulationsergebnisse liefert. Weiterhin muß festgelegt werden, ob die Böden im Untersuchungsgebiet zum Zeitpunkt der Modellierung gefroren oder nicht gefroren sind. Diese Entscheidung ist problematisch: Einerseits wird selten die Bodentemperatur gemessen, die nicht zwangsläufig mit der Lufttemperatur korreliert. Anderseits befindet sich im Untersuchungsgebiet nur ein Lufttemperaturmesspunkt. Somit ist es schwierig eine exakte Verteilung des Parameters zu erhalten, insbesondere da es eine starke Gliederung in Nord- und Südhanglagen gibt. In Anlehnung an die große Heterogenität der Schneedecke kann davon ausgegangen werden, daß es falsch ist anzunehmen, daß im gesamten Untersuchungsgebiet über den Modellierzeitraum gleiche Bedingungen vorliegen (gefrorene bzw. nicht gefrorene Böden). Somit wird der große Einfluß des Bodenfrostes nicht optimal in dieser Modellversion beachtet. Für die Überprüfung des Modells Erosion 3D/Winter Version wurde zunächst eine Sensitivitätsanalyse durchgeführt, um das Verhalten der Modellergebnisse gegenüber der Lagerungsdichte, dem Erosionswiderstand und der Rauhigkeit herauszufinden. Diese Sensitivitätsanalyse ergab, daß bei den Parametern Erosionswiderstand und Rauhigkeit die Annahme „Bodenfrost“ keinen Einfluß auf das Ergebnis der Modellierung hat. Einen großen Einfluß hat die Annahme „Bodenfrost“ allerdings bei Betrachtung der Lagerungsdichte die im Programm Erosion 3D/Winter Version ein zentraler Parametern ist. Gefrorene Böden überspringen das Infiltrationsmodul, somit ist deren Sensitivität wegen fehlender Infiltration Null. Ohne Bodenfrost ist der Parameter durch seine hohe Sensitivität wie schon im E3D sehr bedeutend. Die Ablation der Schneedecke wird von Erosion 3D/Winter Version sehr gut berechnet, doch bei der Akkumulation von Schnee treten bei der verwendeten Version Fehler auf, denn das simulierte Wasseräquivalent ist um einiges höher als das gemessene. Aus diesem Grund war es nicht möglich das Programm für das Schäfertal zu validieren.:Abbildungsverzeichnis iii Tabellenverzeichnis iv 1 Einleitung und Zielsetzung 1 2 Charakterisierung des Untersuchungsgebietes „Schäfertal“ 4 2.1 Lage und Charakterisierung 4 2.2 Pedologie 6 2.3 Klima 7 2.4 Landnutzung 8 3 Charakterisierung von Schneeperioden im Untersuchungsgebiet im Hinblick auf ihre zeitliche und räumliche Dynamik 11 3.1 Datengrundlage 11 3.2 Zeitliche Dynamik der Schneeschmelze 13 3.2.1 Ergebnisdarstellung und Interpretation 13 3.3 Räumliche Dynamik 15 3.3.1 Ergebnisdarstellung 15 3.3.2 Interpretation 21 4 Model Erosion 3D mit Wintermodul 24 4.1 Das Modell Erosion 3D 24 4.2 Erweiterung des Modells Erosion 3D durch das Wintermodul 25 4.3 Parametersetzung für die räumlichen Daten 27 4.4 Aufbereitung der zeitlichen Daten 32 5 Überprüfung der Funktion des Modells Erosion 3D/Winter Version 34 5.1 Methodische Vorgehensweise 34 5.2 Überprüfung des Schneeschmelzfaktors mit gemessenen Werten 34 5.2.1 Ergebnisdarstellung und Interpretation 34 5.3 Überprüfung der Sensitivität ausgewählter Bodenparameter 35 5.3.1 Methodische Vorgehensweise 36 5.3.2 Ergebnisdarstellung und Interpretation 36 5.3.3 Vergleich der Sensitivitätsparameter 38 5.4 Optimierung der Februarbodenparameterdatei für das „Schäfertal“ 40 5.4.1 Datenaufnahme für den Sedimentaustrag 40 5.4.2 Vergleich gemessener Daten mit simulierten Daten 41 5.4.3 Änderung der Februarbodenparameterdatei 43 5.5 Modellierung der dritten Schneeperiode 43 6 Zusammenfassung 46 Literaturverzeichnis 48 Anhang 50

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.