Zur Umsetzung der Ziele der EU-Wasserrahmenrichtlinie sind in Sachsen bis 2015 für Gewässereinzugsgebiete entsprechende Maßnahmen zur Erreichung bzw. Sicherung eines guten Gewässerzustandes durchzuführen. Für die hierzu erforderliche integrierte Planung und Entscheidungsfindung auf Einzugsgebietsebene stellen Entscheidungshilfesysteme den daran beteiligten Akteuren (Flächennutzer, -besitzer, Fachbehörden usw.) die technische Unterstützung bereit. Am Beispiel des überwiegend landwirtschaftlich genutzten Fließgewässereinzugsgebietes der Jahna (Sächsisches Lösshügelland) wurde ein Entscheidungshilfesystem entwickelt und erprobt. Es umfasst zum einen Werkzeuge zur Analyse der Belastungen der Oberflächengewässer und des Grundwassers durch Nährstoffaustrag (z.B. Modell Stoffbilanz) bzw. durch Wassererosion (Modell EROSION 3D). Zum anderen bietet das Entscheidungshilfesystem verschiedene Modelle und Verfahren an, mit deren Hilfe stoffaustragsmindernde landwirtschaftliche Maßnahmen ausgewählt und hinsichtlich ihrer Wirksamkeit abgeschätzt werden können. Ergänzend dazu wurde ein computergestützter Maßnahmenkatalog zur Unterstützung bei der Auswahl stoffaustragsmindernder Maßnahmen im Bereich Landwirtschaft erstellt. Die Priorisierung der verschiedenen Maßnahmenalternativen unter Berücksichtigung ökologischer und ökonomischer Ziele wurde beispielhaft mit Hilfe der Nutzwertanalyse durchgeführt.

Soil erosion is a complex geomorphological process with varying influences of different impacts at different spatio-temporal scales. To date, measurement of soil erosion is predominantly realisable at specific scales, thereby detecting separate processes, e.g. interrill erosion contrary to rill erosion. It is difficult to survey soil surface changes at larger areal coverage such as field scale with high spatial resolution. Either net changes at the system outlet or remaining traces after the erosional event are usually measured. Thus, either quasi-point measurements are extrapolated to the corresponding area without knowing the actual sediment source as well as sediment storage behaviour on the plot or erosion rates are estimated disrupting the area of investigation during the data acquisition impeding multi-temporal assessment. Furthermore, established methods of soil erosion detection and quantification are typically only reliable for large event magnitudes, very labour and time intense, or inflexible. To better observe soil erosion processes at field scale and under natural conditions, the development of a method is necessary, which identifies and quantifies sediment sources and sinks at the hillslope with high spatial resolution and captures single precipitation events as well as allows for longer observation periods. Therefore, an approach is introduced, which measures soil surface changes for multi-spatio-temporal scales without disturbing the area of interest. Recent advances regarding techniques to capture high resolution topography (HiRT) data led to several promising tools for soil erosion measurement with corresponding advantages but also disadvantages. The necessity exists to evaluate those methods because they have been rarely utilised in soil surface studies. On the one hand, there is terrestrial laser scanning (TLS), which comprises high error reliability and retrieves 3D information directly. And on the other hand, there is unmanned aerial vehicle (UAV) technology in combination with structure from motion (SfM) algorithms resulting in UAV photogrammetry, which is very flexible in the field and depicts a beneficial perspective. Evaluation of the TLS feasibility reveals that this method implies a systematic error that is distance-related and temporal constant for the investigated device and can be corrected transferring calibration values retrieved from an estimated lookup table. However, TLS still reaches its application limits quickly due to an unfavourable (almost horizontal) scanning view at the soil surface resulting in a fast decrease of point density and increase of noise with increasing distance from the device. UAV photogrammetry allows for a better perspective (birds-eye view) onto the area of interest, but possesses more complex error behaviour, especially in regard to the systematic error of a DEM dome, which depends on the method for 3D reconstruction from 2D images (i.e. options for additional implementation of observations) and on the image network configuration (i.e. parallel-axes and control point configuration). Therefore, a procedure is developed that enables flexible usage of different cameras and software tools without the need of additional information or specific camera orientations and yet avoiding this dome error. Furthermore, the accuracy potential of UAV photogrammetry describing rough soil surfaces is assessed because so far corresponding data is missing. Both HiRT methods are used for multi-temporal measurement of soil erosion processes resulting in surface changes of low magnitudes, i.e. rill and especially interrill erosion. Thus, a reference with high accuracy and stability is a requirement. A local reference system with sub-cm and at its best 1 mm accuracy is setup and confirmed by control surveys. TLS and UAV photogrammetry data registration with these targets ensures that errors due to referencing are of minimal impact. Analysis of the multi-temporal performance of both HiRT methods affirms TLS to be suitable for the detection of erosion forms of larger magnitudes because of a level of detection (LoD) of 1.5 cm. UAV photogrammetry enables the quantification of even lower magnitude changes (LoD of 1 cm) and a reliable observation of the change of surface roughness, which is important for runoff processes, at field plots due to high spatial resolution (1 cm²). Synergetic data fusion as a subsequent post-processing step is necessary to exploit the advantages of both HiRT methods and potentially further increase the LoD. The unprecedented high level of information entails the need for automatic geomorphic feature extraction due to the large amount of novel content. Therefore, a method is developed, which allows for accurate rill extraction and rill parameter calculation with high resolution enabling new perspectives onto rill erosion that has not been possible before due to labour and area access limits. Erosion volume and cross sections are calculated for each rill revealing a dominant rill deepening. Furthermore, rill shifting in dependence of the rill orientation towards the dominant wind direction is revealed. Two field plots are installed at erosion prone positions in the Mediterranean (1,000 m²) and in the European loess belt (600 m²) to ensure the detection of surface changes, permitting the evaluation of the feasibility, potential and limits of TLS and UAV photogrammetry in soil erosion studies. Observations are made regarding sediment connectivity at the hillslope scale. Both HiRT methods enable the identification of local sediment sources and sinks, but still exhibiting some degree of uncertainty due to the comparable high LoD in regard to laminar accumulation and interrill erosion processes. At both field sites wheel tracks and erosion rills increase hydrological and sedimentological connectivity. However, at the Mediterranean field plot especially dis-connectivity is obvious. At the European loess belt case study a triggering event could be captured, which led to high erosion rates due to high soil moisture contents and yet further erosion increase due to rill amplification after rill incision. Estimated soil erosion rates range between 2.6 tha-1 and 121.5 tha-1 for single precipitation events and illustrate a large variability due to very different site specifications, although both case studies are located in fragile landscapes. However, the susceptibility to soil erosion has different primary causes, i.e. torrential precipitation at the Mediterranean site and high soil erodibility at the European loess belt site. The future capability of the HiRT methods is their potential to be applicable at yet larger scales. Hence, investigations of the importance of gullys for sediment connectivity between hillslopes and channels are possible as well as the possible explanation of different erosion rates observed at hillslope and at catchment scales because local sediment sink and sources can be quantified. In addition, HiRT data can be a great tool for calibrating, validating and enhancing soil erosion models due to the unprecedented level of detail and the flexible multi-spatio-temporal application.

Trotz des erheblichen Ausmaßes der Bodenerosion in vielen Entwicklungsländern ist bislang weitgehend unklar, welches ihre wesentlichen anthropogenen Ursachen sind, und damit auch, wo Politiken und Maßnahmen für den Erhalt der Nahrungs- und Produktionsressource Boden ansetzen sollten. Jenseits unmittelbarer natürlicher und landnutzerischer Ursachen stehen heute sozioökonomische Faktoren im Mittelpunkt der Diskussion, von denen angenommen wird, daß sie die Anbau- und Bodenschutzentscheidungen der Landnutzer und darüber das Ausmaß an Bodenerosion beeinflussen, insbesondere: (i) verstärkte Armut, (ii) zunehmender Bevölkerungsdruck, (iii) verzerrte Agrarpreise, (iv) unangepaßter technischer Fortschritt sowie (v) unsichere Landbesitzverhältnisse. Der Bedeutung dieser Bestimmungsfaktoren wird vorwiegend im Rahmen produktionsökonomischer Ansätze und der Theorie der Induzierten Innovation nachgegangen. Allerdings wird die Wirkung einzelner Ursachen in der Literatur sehr unterschiedlich eingeschätzt. So wird beispielsweise in eher optimistischen Szenarien davon ausgegangen, daß Armuts- und Bevölkerungsdruck langfristig zur Entwicklung und Verbreitung bodenschonender Innovationen führen. In negativen Szenarien überwiegen hingegen Stimmen, die gerade in diesem Druck bei gleichzeitigem Preisdruck die wesentlichen Ursachen für die kurzsichtige Übernutzung des Bodens sehen. Empirische Studien zur Fundierung der kontrovers diskutierten Hypothesen liegen bislang nur für einen jeweils begrenzten lokalen Kontext vor und sind kaum verallgemeinerbar. Vor diesem Hintergrund bieten die Daten der ersten weltweiten Erhebung zum Stand der Bodenerosion (GLASOD, UNEP/ISRIC, 1991) nunmehr die Möglichkeit, sozioökonomische und landnutzerische Determinanten der Bodenerosion auf überregionaler Ebene empirisch zu untersuchen. Anhand der Aggregation und Analyse der im GLASOD enthaltenen Informationen wird zunächst deutlich, daß Afrika und Südostasien flächenmäßig mit jeweils rd. 4,5 Mio km2 am meisten zur Degradation durch Bodenerosion und Nährstoffverluste[1] in Entwicklungsländern beitragen, während der Anteil erodierter Fläche an der jeweiligen Gesamtfläche des Subkontinents[2] in Südwestasien (37%), Mittelamerika und Südostasien (jeweils rd. 25%) am höchsten ist. Extrem stark erodierte Länder finden sich v.a. in Mittelamerika und Afrika: In El Salvador, Haiti und Costa Rica sind zwischen 60% und 90% der jeweiligen Landesfläche betroffen. In Afrika sind vor allem die nord- und westafrikanischen Sahelländer Tunesien, Mauretanien, Libyen, Niger, Burkina Faso und Mali, im Osten die Hochlandstaaten Burundi und Rwanda sowie schließlich die Kapverdischen Inseln, besonders stark erodiert (40% bis 80% der Landesfläche). Wassererosion hat den größten Anteil an der Erosionsfläche, in Mittelamerika und Südostasien sind sogar mehr als 70% der erodierten Fläche von Wassererosion betroffen. Für die empirische Analyse der Zusammenhänge zwischen Bodenerosion und möglichen Bestimmungsfaktoren wird ein exploratives, ökonometrisches Vorgehen auf Grundlage nationaler Daten gewählt[3]. Die spezifische Aufeinanderfolge verschiedener Korrelations-, Faktoren- und Regressionsanalysen wird der großen Anzahl in Frage kommender Indikatorvariablen für mögliche Erosionsdeterminanten sowie den zu erwartenden Problemen der Multikollinearität und Modellspezifizierung in besonderem Maße gerecht. Letztere ergeben sich einerseits aus anzunehmenden Abhängikeiten unter verschiedenen Erosionsdeterminanten. Andererseits macht der latente Charakter[4], den die aus einem mikroökonomischen Kontext abgeleiteten Erosionsursachen auf aggregierter Ebene haben, es notwendig, für jede der angenommenen Determinanten verschiedene, u.U. korrelierte Indikatorvariablen zu definieren, was zusätzlich Kollinearität bedingt. Für Bodenerosion werden auf der Basis der national aggregierten GLASOD-Daten verschiedene Erosionsindizes definiert, die prinzipiell den von Wasser- und Winderosion sowie durch Nährstoffverluste betroffenen Anteil der nutzbaren Landesfläche wiedergeben. Die Datengrundlage für mögliche Erosionsdeterminanten wird ausgehend von Datensammlungen internationaler Organisationen für den Zeitraum 1961-1990 zusammengestellt. Für eine große Anzahl der in der Literatur diskutierten sozioökonomischen, landnutzerischen und auch natürlichen Rahmenbedingungen können repräsentative Indikatorvariablen definiert werden. Mangels geeigneter Indikatoren und Daten bleiben allerdings die Art und Sicherheit der Landbesitzverhältnisse unberücksichtigt. Insgesamt umfaßt die Datengrundlage rund 150 Variablen. Die Ergebnisse der Einfachkorrelationsanalysen zwischen den Erosionsindizes und möglichen Determinanten dienen einer ersten Einschätzung der Zusammenhänge. Sie zeigen, daß länderübergreifend insbesondere Variablen des Bevölkerungsdrucks sowie der durchschnittliche Waldanteil mit dem Ausmaß Bodenerosion in Zusammenhang stehen. Die Abholzungsraten in den 80er Jahren sind vor allem mit dem Ausmaß der Wassererosion korreliert. Bei Betrachtung der Länder mittleren Klimas[5] können Zusammenhänge mit Variablen nachgewiesen werden, die die Landnutzungsintensität und die Ausdehnung der tatsächlichen Nutzfläche in Relation zur potentiellen Nutzfläche wiedergeben. Weiterhin stehen in der mittleren Klimazone tendenziell sinkende Produzentenpreise für Agrarprodukte in Zusammenhang mit dem Ausmaß der Erosion. Erwartungsgemäß ist die Bedeutung natürlicher Faktoren für einzelne Erosionsformen und Klimazonen charakteristisch. Insgesamt scheinen Variablen, die das Ergebnis einer vermutlich längerfristigen Entwicklung wiedergeben, mehr Bedeutung für das Ausmaß der Erosion zu haben als solche, die Veränderungen im Referenzzeitraum 1961-1990 erfassen. Anhand verschiedener Faktorenanalysen für 62 Variablen und 73 Länder mit annähernd vollständigen Datensätzen können sodann strukturelle Zusammenhänge unter der Vielzahl möglicherweise relevanter Erosionsdeterminanten aufgedeckt und die Variablenanzahl auf Grundlage dieser Zusammenhänge auf eine geringere Anzahl weitgehend voneinander unabhängiger Größen reduziert werden. Es zeigt sich, daß die Struktur der Variablen durch etwa zehn gut interpretierbare Faktoren bei rd. 75% erklärter Gesamtvarianz klar wiedergegeben werden kann, und daß diese Faktoren auch bei Variation der Ausgangsvariablen sowie der Faktorextraktions- und Rotationsmethode stabil bleiben. Bemerkenswert ist, daß viele der Faktoren einen deutlichen Bezug zu den in der Literatur diskutierten Wirkungsketten unter möglichen Erosionsdeterminanten haben. So werden in dem für die Erklärung der Gesamtvarianz wichtigsten Faktor Variablen gebündelt, die die langfristige Intensivierung der Landnutzung im Zusammenhang mit strukturellem Bevölkerungsdruck und begrenzter Verfügbarkeit landwirtschaftlich nutzbarer Flächen erfassen. Weitere wichtige Faktoren beziehen sich auf strukturelle Armut in Verbindung mit erhöhtem ländlichen Bevölkerungswachstum; auf die mit Bevölkerungsdruck einhergehende langfristige wie auch rezente Expansion der landwirtschaftlichen Nutzfläche und Abholzung von Naturwald; auf Entwicklungswege, die eher auf die Produktion hochwertiger Produkte statt auf eine Flächenexpansion abzielen. Für die Preisentwicklung im Referenzzeitraum kann anhand einer Faktorenanalyse mit reduzierter Länderanzahl[6] gezeigt werden, daß ein Zusammenhang zwischen langfristig geringen oder negativen Preiszuwächsen im Agrarsektor und dem Faktor "Rezente Abholzungsraten" besteht. Um die relative Bedeutung dieser Faktoren für Bodenerosion zu quantifizieren, werden schrittweise Regressionsanalysen mit Bodenerosion als abhängiger Variablen und ausgewählten Repräsentantenvariablen für jeden Faktor als angenommenen unabhängigen Variablen durchgeführt[7]. Es lassen sich drei besonders relevante anthropogene Entwicklungen identifizieren, anhand derer das Erosionsausmaß bis zu rund 75% erklärt werden kann: (1) die langfristige, historische Ausdehnung der landwirtschaftlichen Nutzfläche auf Kosten des Waldbestandes in Zusammenhang mit einem Gesamtbevölkerungsdruck, der gegen Ende der 80er Jahre die agrar-ökologische Tragfähigkeit überschreitet; (2) die rezente Abholzung von Naturwald, die in Zusammenhang mit dem Wachstum der Gesamtbevölkerung zu sehen ist. Hier scheinen weniger der Druck der Agrarbevölkerung und die Ausdehnung der landwirtschaftlichen Nutzfläche - also die Produktionsseite - im Vordergrund zu stehen, als vielmehr der Druck der Nachfrageseite, in Kombination mit einem tendenziell sinkenden Agrarpreisniveau, das den Expansionsdruck auf das Land verstärkt hat. (3) Die langfristige, bevölkerungsdruckinduzierte Intensivierung der Agrarproduktion, vor allem durch Umwandlung von Dauergrünland in Ackerland, verkürzte Brachezeiten und erhöhte Viehbesatzdichten. Ein weiteres Ergebnis ist, daß in keinem Fall ein wesentlicher Einfluß von Armut auf das landesweite Ausmaß der Bodenerosion nachgewiesen werden kann - wie bereits die Ergebnisse der Einfachkorrelationsanalysen für immerhin 15 verschiedene Armutsindikatoren vermuten lassen. Es bestehen Unterschiede in den Erklärungsmustern für verschiedene Erosionsformen und Klimazonen. Die rezenten Abholzungsraten haben für Wassererosion, insbesondere in Ländern der extrem humiden Klimazone, herausragende Bedeutung. Zusätzlich zu den Faktoren (1) und (2) ist die Intensität der landwirtschaftlichen Produktion (3) vor allem für Wassererosion und in Ländern der mittleren Klimazone von Bedeutung. Hier ist auch die negative Wirkung einer sinkenden Agrarpreisentwicklung am stärksten. Gleichzeitig gilt hier: je eher der eingeschlagene Entwicklungsweg auf die Produktion hochwertiger Produkte im Gegesatz zur reinen Flächenexpansion abzielt, desto geringer ist das Erosionsausmaß. Für das Ausmaß der Winderosion und der Degradation durch Nährstoffverluste hingegen sind insbesondere die agroklimatischen Bedingungen ausschlaggebend. Die als erosionsrelevant identifizierten anthropogenen Rahmenbedingungen sind mit zentralen theoretischen Hypothesen konsistent. Fraglos gehören sie eher zu den Größen, deren kurzfristige Beeinflussung durch politische Maßnahmen schwierig ist. Dennoch können folgende Ansätze für eine Schwerpunktsetzung bei der Gestaltung von Politikmaßnahmen zur wirksamen Erosionsverminderung abgeleitet werden: Die Reduktion des Bevölkerungsdrucks durch eine an die natürlichen Bedingungen und relativen Faktorknappheiten angepaßte Erhöhung des Produktionspotentials, gerade auch in Regionen mit relativ niedrigem Potential. Eine stärkere Fokussierung auf Forstpolitiken bzw. auf eine Regulierung der kommerziellen Nutzung von Wäldern, vor allem in humiden Klimazonen. .Eine selektive, langfristig angelegte Verbesserung der incentive-Struktur für bodenschonende Produkte und Anbaumethoden über wirtschaftspolitische Eingriffe sowie durch verbesserte institutionelle und rechtliche Rahmenbedingungen. Von Politiken zur Armutsbekämpfung ist hingegen nicht zu erwarten, daß sie maßgebliche Impulse zur Verminderung der Bodenerosion geben können. Es muß jedoch immer präsent bleiben, daß arme Landnutzer sicherlich am stärksten und häufig existentiell von Erosionsschäden betroffen sind. Die Qualität zukünftiger Forschungsbemühungen auf globaler Ebene wird vor allem von der zukünftigen Datenverfügbarkeit und -qualität bestimmt: Für den Stand der Bodenerosion sind Informationen für verschiedene Zeitpunkte erforderlich; für anthropogene Erosionsdeterminanten eröffnen georeferenzierte Daten der Forschung gänzlich neue Perspektiven. Parallel zu überregionalen Analysen sind weitere lokale, sub-nationale Studien unbedingt notwendig, um umfassend zu ergründen, warum und welche Landnutzer die Ressource Boden in einem konkreten sozioökonomischen Kontext degradieren. Fußnoten: [1]Neben der Wasser- und Winderosion wird eine weitere Degradationsform, der Verlust von Nährstoffen und organischer Substanz, mitberücksichtigt und vereinfachend mit "Nährstoffverluste" bezeichnet.[2]Gemeint ist die nutzbare Landesfläche, Ödland ausgenommen. [3]Georeferenzierte Daten liegen derzeit für sozioökonomische Erosionsdeterminanten noch nicht vor.[4]D.h. Größen, von denen a priori nicht bekannt ist, wie sie beobachtet und gemessen werden können. [5]Dies sind Länder, in denen weder extrem aride noch extrem humide Bedingungen vorherrschen. [6]Für die entsprechende Variable liegen nur Daten für 56 Länder vor.[7]Umgekehrte Wirkungen der Erosion auf die als unabhängig angenommenen anthropogenen Variablen sind im Betrachtungszeitraum - bis auf die Armutswirkung starker Erosion - unwahrscheinlich. / By the end of this century, soil erosion has reached an alarming extent in many developing countries. Still, uncertainty prevails regarding the human-induced causes of soil erosion. In consequence, many efforts to design efficient anti-erosion policies and instruments remain erratic. The actual discussion about human-induced causes of soil erosion focusses on socioeconomic factors that assumably influence the land users´ decisions on agricultural production and soil protection, and, hence, the degree of soil erosion. The most frequently discussed factors are: (i) poverty, (ii) population pressure, (iii) biased agricultural prices, (iv) the introduction of inadequate technical innovations and (iv) insecurity of land tenure. They are basically deduced from and discussed on base of production theory and the theory of induced innovation. Nevertheless, the different views on the importance to be assigned to the single factors are quite controverse. For example, in a rather optimistic scenario, it is argued that poverty and population pressure lead to the development of soil-conserving innovations in the long run. On the other side, poverty and population pressure, in combination with falling agricultural prices, are assumed to lead to a short-termist overuse of the soil. Empirical evidence that supports some of the controverse hypotheses on the causes of soil erosion is restricted to local studies based on local data on soil erosion, their results can hardly be generalized. In this context, the spatial data compiled within the global assessment of human-induced soil degradation (GLASOD; UNEP/ISRIC, 1991) for the first time permits a large-scale empirical analysis of socioeconomic and landuse factors relevant to erosion. By aggregating the information of the GLASOD data, countries and regions whith marked soil erosion can be identified. While Africa and Asia most contribute to the extent of soil erosion and the loss of nutrients[8] in absolute terms (4,5 mio sqkm each), it is in Southwest Asia (37%), Central America and Southeast Asia (25% each), where the proportion of of the land area - excluding wastelands - that is affected reaches the highest levels. Looked at on a national level, countries with an extreme extent of soil erosion are to be found in Central America and Africa: In El Salvador, Haiti and Costa Rica, 60 to 90 percent of the land area[9] are affected. In Africa, Sahelian Countries as Tunesia, Mauretania, Libya, Niger, Burkina Faso and Mali, as well as the eastafrican highlands of Burundi and Rwanda, and also Cape Verde show the highest proportions of eroded land area2 (40 to 80 %). Water erosion is the most widespread type of erosion, in Central America and Southeast Asia it even contributes with about 70% to the area affected by erosion and the loss of nutrients1. The methodological approach chosen for the empirical analysis of human-induced causes of soil erosion is an explorative, econometric one, based on national cross-country data[10]. A specific combination of correlation analyses, factor analysis, and regression analysis is designed, that can handle the great number of possible indicators for the assumed causes of erosion, and cope with related problems of multicollinearity and model specification. Those problems result from supposed interrelationships among different human-induced causes of soil erosion. At the same time, many of the causes of erosion have a latent character when considered on a national level[11], since they are deduced from a microeconomic context. This makes it necessary to define various indicator variables for each of them, which, again, implies additional multicollinearity. On the basis of the aggregated GLASOD data, a set of operational variables for soil erosion is defined. They basically indicate the proportion of a country´s degradable land area (i.e. land area minus wastelands) that is eroded through wind, water, or degraded by the loss of nutrients and organic matter by the end of the 80´s. In turn, the database for possible determinants of erosion is compiled departing from standard international data sets for the time span 1961-1990. Representative indicators can be defined for many of the causative factors discussed in literature, as well for socioeconomic ones, as for landuse, and also for natural factors. They are adapted in a way that they not only best fit and capture the hypothesized determinants, but also the ecological and timely dimension of the analysis. One important field that is not covered is land tenure. The resulting database comprises about 150 variables for possible causative factors, with a varying number of country-data available. The results of correlation analyses between the indicator variables for soil erosion and for possible causative factors facilitate a first assesion of relevant relationships. They show, that variables that quantify population pressure and the proportion of forested area are correlated with soil erosion for all countries. Deforestation rates in the 80´s are especially related to water erosion. Considering only countries without extreme climatic conditions[12] correlations are found between soil erosion and variables for the intensity of land use and the degree of expansion of the agricultural frontier. Producer price declines for relevant agricultural products are also found to be correlated with soil erosion in these countries. Corresponding to theoretical assumptions, the importance of different natural factors vary for different types of erosion and climatic zones. Altogether, variables that express structural conditions and can be regarded as the outcome of historical, long-term developments, seem to have stronger correlation with the extent of soil erosion than variables that quantify changes that took place within the time span under consideration, 1961 to 1990. The next methodological step consists in different factor analyses for 62 of the variables that express possible causative factors and for 73 countries with approximatively complete data sets. The principal objectives are to detect structural interrelationships among the multitude of variables and to reduce their number on the basis of these interrelations, in a way to obtain a set of variables that are largely independent of each other. It turns out that the structure of the 62 variables under consideration can clearly be reproduced by about 10 factors, with about 75% of their total variance being explained. These factors prove to be robust with respect to changes in the set of included variables, and in the methods of extraction and rotation. It is noteworthy, that many of the identified factors refer to cause-effect relationships that are discussed in literature. For instance, the factor that explains the greatest part of total variance, combines variables that quantify the long-run intensification of land use with others that stand for structural population pressure and a limited buffer for the expansion of the agricultural area. Other important factors relate to structural poverty, in combination with high rates of rural population growth; to the long-term and recent deforestation and to total population pressure; to development paths that aim at sopisticated animal procuction and permanent culture rather than at a mere expansion of the agricultural area. Other factors stand for the prevailing natural conditions. Based on a factor analysis for a reduced number of countries, it can be shown that declinig aggregate agricultural producer prices[13] are associated with the factor ´recent deforestation rates´. To quantify the relative importance of the identified factors, stepwise regression analyses are then carried out, with soil erosion as the dependent variable and selected representative variables for each of the factors as presumed independent variables[14]. Three human-induced factors, or developments, show to have particular relevance for the extent of soil erosion, that they can explain to up to 75%: (1) the long-run historical expansion of the agricultural frontier at the expense of the forested area, in combination with a population pressure well above the corresponding supporting capacities in the 80´s; (2) recent deforestation rates in conjunction with total population growth. This effect can rather be associated with a growth of demand for agricultural and forestral products and declining agricultural prices than with pressures directly resulting from agricultural population and expansion; (3) the long-run intensification of land use, mainly throug the conversion of permanent pastures to arable land, the shortening of fallow periods, and the increase of animal densities. This type of intensification is associated with and possibly induced by high structural population pressure in agricultural areas. Another important result is that poverty seems to have minor impact on the extent of soil erosion at the aggregate, national level. None of the included variables that represent the factor ´poverty´ shows a significant relative impact, neither in the models for the sum of erosion nor for specific types of erosion or climatic zones. This fact supports the low correlation coefficients for altogether 15 different poverty indicators that were calculated in the context of simple correlation analysis. Specific models for specific types of erosion and climatic zones show that there exist characteristic patterns of explanation for each type and zone. Recent deforestation rates and the associated features (factor (2))are particularily important in the explanation of water erosion, especially in countries with predominant humid climate. The impact of production-intensity in terms of factor (3) is specific for water erosion, and for countries without extreme climatic conditions, together with the factors (1) and (2). This is also where the negative effect of declinig agricultural prices appears to be strongest. At the same time, the development of sopisticated animal procuction and the growth of the area under permanent culture in contrast to a mere expansion of the agricultural area seem to be favourable to the soil in this context. In the explanation of wind erosion and loss of nutrients, natural factors are in the foreground. The identified, human-induced pressures related to long-term population growth, intesification, agricultural price decline and recent deforestation are consistent with important theoretical hypotheses. Those pressures are clearly not of the type that can be overcome over night through political intervention. Nevertheless, they lead to the following areas of intervention that should be given priority in the design of policy measures for the reduction of soil erosion: A reduction of population pressure through an increase in site-specific production potentials, based upon innovations that match the prevailing agro-ecological and economic conditions. Special attention should be given to low potential areas.A stronger focus on forest policy and the regulation of commercial forest use especially in the humid zone.A selective, long-term improvement of economic incentives for the production of soil-conserving crops with soil-conserving methods, by means of economic policy as well as through improved institutional conditions. Policies that aim at the reduction of poverty can not be expected to play a decisive role in the reduction of soil erosion. In spite of that, it is most necessary that policy makers keep in mind that the poor certainly are most affected by and vulnerable to erosion damages. At a global scale, the quality of future research on the topic will largely be determined by data availability and quality: concerning soil erosion, information at different points in time is necessary; for anthropogenic factors, spatial datasets will bring a new dimension into scientific research. Parallel with global analyses, further in depth local studies are necessary for a comprehensive and detailed insight into why and which land users degrade the resource they depend on in a specific socioeconomic context. footnotes: [8]The loss of nutrients and organic matter, independent of soil erosion, is also considered and is abbreviated with the term ´loss of nutrients´ in this text. [9]Again, it is the land area excluding wasteland that is being referred to. [10]Spatial data sets are not avaiable yet for socioeconomic factors related to soil erosion. [11]I.e. it is not known a priori, how these causes can be measured and quantified. [12]I.e. countries without predominant arid, hyper-arid or humid agroclimatioc conditions. [13]The availability of data for the variable in cause is limited to 56 coutries. [14]Reciprocal effects that soil erosion might have on anthropogenic factors are not very likely to occurr within the considered time span, except a possible increase of poverty due to erosion.

Im Rahmen der Umsetzung der EU Wasserrahmenrichtlinie sind Maßnahmepläne gefordert, welche den Stoffeintrag in Oberflächengewässer minimieren. Da der Sedimenteintrag an das Vorhandensein von Oberflächenabfluss gebunden ist, müssen beide Prozesse im Zusammenhang betrachtet werden. Für die Einschätzung der Wirksamkeit ist eine quantitative Bewertung dieser Maßnahmen notwendig. Dafür sind Modellrechnungen ein unerlässliches Hilfsmittel. In der vorliegenden Arbeit wurde das Modell EROSION 3D als geeignetes Instrument zur Quantifizierung des Landnutzungs- und Bewirtschaftungseinflusses auf den Wasserrückhalt in der Fläche und den Sedimenteintrag in Gewässer, angewendet. Das Modell ermöglichte zudem eine Abbildung von Erosion und Abfluss in einer hohen räumlichen Auflösung (5 m Rasterweite). Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit haben bestätigt, dass die Landnutzung Einfluss auf den Oberflächenabfluss und insbesondere auf den Sedimenteintrag in Gewässer nimmt. Maßnahmen wie eine Erhöhung des Wald- sowie Grünland / Direktsaatanteils wirken sich reduzierend auf den Oberflächenabfluss und die Bodenerosion aus. Es hat sich gezeigt, dass der Landnutzungseinfluss mit zunehmender Abflusswirksamkeit eines Starkregenereignisses und zunehmender Anfangsbodenfeuchte sinkt. Während sich im Falle des 5 jährigen Extremereignisses der Abflussbeiwert zwischen vollständiger Bewaldung des UG Oberreichenbach und realem Nutzungszustandes (konventionelle Bewirtschaftung der Ackerflächen) um 100 % unterscheidet, liegt der Unterschied beim Hochwasserereignis vom August 2002 zwischen beiden nur noch bei ca. 20 %. Hingegen bleibt die Wirkung der Landnutzung auf die Bodenerosion auch bei Starkregenereignissen hoher Abflusswirksamkeit erhalten. Für das lössgeprägte Untersuchungsgebiet Klatschbach konnte bestätigt werden, dass eine konservierende Bewirtschaftung im Vergleich zur konventionellen Variante zu einer signifikanten Abflussminderung führt. In Bezug auf den Erosionsschutz ist die konservierende Bewirtschaftung für beide Untersuchungsgebiete als sehr geeignete Maßnahme einzuschätzen, da hierdurch eine Reduzierung des Sedimenteintrages um etwa 95 % erreicht werden kann. Als noch wirksamer für den Hochwasser- und Erosionsschutz erwies sich eine Umstellung der Bewirtschaftung auf Grünland oder Direktsaat. Selbst bei einem 100 jährigen Extremereignis und hoher Anfangsbodenfeuchte wurden für beide Untersuchungsgebiete Abflussminderungen von mindestens 17 % und Minderungen des Bodenabtrages von mehr als 98 % im Vergleich zur konventionellen Variante berechnet.

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. / 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.

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.

Im Rahmen der Umsetzung der EU Wasserrahmenrichtlinie sind Maßnahmepläne gefordert, welche den Stoffeintrag in Oberflächengewässer minimieren. Da der Sedimenteintrag an das Vorhandensein von Oberflächenabfluss gebunden ist, müssen beide Prozesse im Zusammenhang betrachtet werden. Für die Einschätzung der Wirksamkeit ist eine quantitative Bewertung dieser Maßnahmen notwendig. Dafür sind Modellrechnungen ein unerlässliches Hilfsmittel. In der vorliegenden Arbeit wurde das Modell EROSION 3D als geeignetes Instrument zur Quantifizierung des Landnutzungs- und Bewirtschaftungseinflusses auf den Wasserrückhalt in der Fläche und den Sedimenteintrag in Gewässer, angewendet. Das Modell ermöglichte zudem eine Abbildung von Erosion und Abfluss in einer hohen räumlichen Auflösung (5 m Rasterweite). Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit haben bestätigt, dass die Landnutzung Einfluss auf den Oberflächenabfluss und insbesondere auf den Sedimenteintrag in Gewässer nimmt. Maßnahmen wie eine Erhöhung des Wald- sowie Grünland / Direktsaatanteils wirken sich reduzierend auf den Oberflächenabfluss und die Bodenerosion aus. Es hat sich gezeigt, dass der Landnutzungseinfluss mit zunehmender Abflusswirksamkeit eines Starkregenereignisses und zunehmender Anfangsbodenfeuchte sinkt. Während sich im Falle des 5 jährigen Extremereignisses der Abflussbeiwert zwischen vollständiger Bewaldung des UG Oberreichenbach und realem Nutzungszustandes (konventionelle Bewirtschaftung der Ackerflächen) um 100 % unterscheidet, liegt der Unterschied beim Hochwasserereignis vom August 2002 zwischen beiden nur noch bei ca. 20 %. Hingegen bleibt die Wirkung der Landnutzung auf die Bodenerosion auch bei Starkregenereignissen hoher Abflusswirksamkeit erhalten. Für das lössgeprägte Untersuchungsgebiet Klatschbach konnte bestätigt werden, dass eine konservierende Bewirtschaftung im Vergleich zur konventionellen Variante zu einer signifikanten Abflussminderung führt. In Bezug auf den Erosionsschutz ist die konservierende Bewirtschaftung für beide Untersuchungsgebiete als sehr geeignete Maßnahme einzuschätzen, da hierdurch eine Reduzierung des Sedimenteintrages um etwa 95 % erreicht werden kann. Als noch wirksamer für den Hochwasser- und Erosionsschutz erwies sich eine Umstellung der Bewirtschaftung auf Grünland oder Direktsaat. Selbst bei einem 100 jährigen Extremereignis und hoher Anfangsbodenfeuchte wurden für beide Untersuchungsgebiete Abflussminderungen von mindestens 17 % und Minderungen des Bodenabtrages von mehr als 98 % im Vergleich zur konventionellen Variante berechnet.

Der Einfluss bodenspezifischer Größen auf die Rillenerosion wurde in Überströmungsversuchen in einem eigens dafür konstruiertem Kleingerinne untersucht. Die Neigung des 2 m langen und 0,1 m breiten Gerinnes wurde dafür zwischen 2, 4 und 6 % variiert. Im Gerinne wurden zum einen natürliche Böden, zum anderen künstliche, aus Schluff und Sand gemischte Substrate mit 0,060 l*s-1, 0,125 l*s-1 und 0,300 l*s-1 überströmt. Die Körnung der natürlichen Böden reichte von stark schluffig bis sandig-lehmig, die der künstlichen Substrate von stark schluffig bis sandig. Die künstlichen Substrate wiesen im Gegensatz zu den natürlichen Böden keine Aggregierung auf und waren frei von organischer Substanz. Zu Beginn der Versuche wird der Boden zunächst flächig überströmt. Währenddessen bilden sich Mikrorillen auf der Gerinnesohle aus. Selektiver Sedimenttransport bewirkt die Akkumulation der nicht transportablen Fraktion auf der Bodenoberfläche, wodurch sich Rippel bilden. Über den Rippeln formen sich stehende Wellen im Abfluss. Die stehenden Wellen erzeugen Sohlschubspannungsspitzen auf die Gerinnesohle, welche zu verstärkter lokaler Erosion, zur Ausbildung von Mikrodepressionen und im weiteren zur Entstehung von Rillenköpfen führen. Die Rillenköpfe wandern entgegen dem Gefälle und hinterlassen Rillen, in denen sich der Abfluss konzentriert. In den Rillen können weitere Rillenköpfe entstehen. Anhand des Beginns der Rillenerosion, der Rillenkopfneubildungsrate, dem Erosionsfortschritt der Rillenköpfe, der Bestandsdauer der Rillenköpfe und der Sedimentkonzentration im Abfluss kann das Phänomen „Rillenerosion“ erfasst und quantifiziert werden. Diese erosionsspezifischen Kennwerte zeigen sich dabei in Abhängigkeit von bodenspezifischen Größen, wie der Lagerungsdichte, der Korngrößenzusammensetzung sowie der Aggregatgrößenverteilung und –stabilität. Aus den Korrelationsanalysen zwischen den bodenspezifischen Größen und den spezifischen Kennwerten der Rillenerosion leiten sich empirische Beziehungen ab. Diese Beziehungen sind nicht-linearerer und nicht-stetiger Natur. Parallel zu den Versuchen im Kleingerinne wurden Überströmungs- und Beregnungsversuche in einem Großgerinne durchgeführt. Die Projektion der laborativen Ergebnisse des Kleingerinnes auf das naturnahere Großgerinne zeigte dabei Parallelen.

Bodenerosion durch Wasser ist ein ubiquitäres Problem, dass sowohl die landwirtschaftliche Produktivität vermindert, Bodenfunktionen einschränkt und auch in anderen Umweltkompartimenten schädliche Auswirkungen haben kann. Oberflächengewässer sind durch die mit Bodenerosion einhergehende Belastung durch Sediment, sedimentgebundenen und gelösten Nährstoffen sowie anderen Schadstoffen besonders betroffen. Das Wissen über Erosionsprozesse und Sedimentfrachten hat daher große Bedeutung für den Schutz der Güter Boden und Wasser und darüber hinaus eine ökonomische Bedeutung. Generell kann innerhalb eines Hanges oder Einzugsgebietes von einer Zone der Erosion, des Transports und der Sedimentation ausgegangen werden. Jedoch führen Abflussbildungsprozesse und rauhigkeits- bzw. topographiebeeinflusste Abflusskonzentration zu einer individuellen Differenzierung. Räumliche und zeitliche Prozessdiskontinuitäten oder Konnektivitäten und Schwellenwerte modifizieren die Erosions- und Sedimentaustragssituation in einem Einzugsgebiet darüber hinaus. Die Landschaftstrukturelemente Relief und Boden kontrollieren demnach über die Bodenfeuchtedifferenzierung im entscheidenden Maße die Abflussbildung und Sedimentfracht in einem Einzugsgebiet. Obwohl in den gemäßigten und kühlen Klimaregionen ein großer Teil der Abflussbildung im Winter stattfindet und von Bodenfrost sowie Schneeschmelzen geprägt sein kann, ist über die Prozesse und die Größe der Sediment- und Nährstoffausträge bei solchen winterlichen Randbedingungen nur wenig bekannt. Systematische Untersuchungen existieren vor allem für Norwegen und Russland. Dieses Defizit spiegelt sich auch in den vorhandenen Modellansätzen zur Abbildung der Bodenerosion und der Abschätzung von Sedimentausträgen aus Einzugsgebieten wider. Zum einen werden in der Regel weder Schneedeckenaufbau bzw. -schmelze noch die Veränderungen des Bodenwasserflusses bei Bodenfrost berücksichtigt. Zum anderen werden die Erosivität des Schneeschmelzabflusses und die Beeinflussungen der Bodenerodibilität, z.B. durch Frost-Tau Zyklen, nicht hinreichend wiedergegeben. Ziel der vorliegenden Arbeit ist es daher, auf der Analyse von Daten aus einem deutschen und einem russischen Untersuchungseinzugsgebiet aufbauend, die wichtigsten Prozesse und Größen der Abflussbildung und Stoffausträge bei winterlichen Rahmenbedingungen zu charakterisieren und in einem Modellsystem umzusetzen. Die weitergehende Anwendung dieses Modellsystems dient der Interpretation räumlicher Heterogenitäten und zeitlicher Variabilitäten sowie der Auswirkungen von klimatischen- und Landnutzungsänderungen auf den Sedimentaustrag der beiden Untersuchungseinzugsgebiete. Das 1.44 km² große Einzugsgebiet Schäfertal liegt im östlichen Unterharz. Über den Grauwacken und Tonschiefern haben sich aus einem periglazialen Decklagenkomplex Braun- und Parabraunerden entwickelt, die ackerbaulich mit einer Wintergetreide-Raps Fruchtfolge genutzt werden. In der Tiefenlinie dominieren hydromorph überprägte Böden mit Wiesennutzung. Das Klima weist bei einer Jahresmitteltemperatur von 6.8°C und 680 mm Jahresniederschlagssumme eine geringe kontinentale Überprägung auf. Neben langjährigen umfangreichen hydro-meteorologischen Messungen finden seit mehreren Jahren Untersuchungen zum Sediment- und Nährstoffautrag statt. Eine regelmäßige zweiwöchentliche Beprobung des Abflusses am Gebietsauslass wird durch eine automatisierte Hochwasserprobenahme vor allem bei Schneeschmelzen ergänzt. Neben der Sedimentkonzentration werden unter anderem Phosphor und gelöster organischer Kohlenstoff nach Standardmethoden bestimmt. Auch im russischen Zielgebiet Lubazhinkha liegt das Hauptaugenmerk auf der Charakterisierung der Abflussbildung und der Stoffausträge bei den jährlich auftretenden Schneeschmelzen. Das Einzugsgebiet liegt ungefähr 100 km südlich von Moskau im Übergangsbereich der südlichen Taiga zur Waldsteppe. Die insgesamt 18.8 km² werden zur Hälfte landwirtschaftlich und zu einem Drittel forstwirtschaftlich genutzt. Die aktuelle räumliche Differenzierung der Nutzung in diesem Gebiet wird durch die reliefbedingte Kappung und hydromorphe Überprägung der vorherrschenden grauen Waldböden bestimmt. Das Klima und die Hydrologie sind durch Schneedeckenaufbau und –schmelze, bei einer Jahresdurchschnittstemperatur von 4.4°C und einer Jahresniederschlagsmenge von 560 mm, geprägt. Zur Erfassung des Stoffaustrags werden Hochwasserprobenahmen am Gebietsauslass sowie an den beiden wichtigsten Zuflüssen genommen und neben Sediment- und Nährstoffkonzentrationen weitere physikalische und chemische Parameter bestimmt. Die Auswertung der Daten des Schäfertals zeigen für den Untersuchungszeitraum eine deutliche Dominanz der Hochwasserereignisse, die durch Schneeschmelzen hervorgerufen werden. Einzugsgebietsbedingungen mit gefrorenem Boden führen zu einer Modifizierung der Abflussentwicklung vor allem im ansteigenden Teil des gemessenen Hydrographen durch Auftreten von schnellen oberflächen- oder oberflächennahen Abflüssen. Der Spitzenabfluss bei den acht zur Interpretation herangezogenen Hochwasserereignissen variiert zwischen 30 und 270 l s-1, bei Abflussmengen von 1-50 mm. Die am Gebietsauslass ermittelten maximalen Sedimentkonzentrationen liegen für die beiden Ereignisse ohne gefrorenen Boden bei unter 650 mg l-1 und damit deutlich unter den bis zu 6000 mg l-1 bei teilweise oder ganz gefrorenen Böden im Schäfertal. Lediglich bei einem Ereignis mit Niederschlag und ungefrorenem Boden treten hohe Sedimentkonzentrationen auf, die auf Gerinnepflegemaßnahmen und dadurch leichte Mobilisierbarkeit von Material zurückzuführen sind. Dementsprechend schwanken die Sedimentfrachten der Einzelereignisse und erreichen bis zu 17 t. Die wichtigste Steuergröße ist dabei die Ausbildung erosiven Abflusses auf den Hängen durch eine Verminderung der hydraulischen Leitfähigkeit bei gefrorenen Böden. Der Vergleich der Sedimentkonzentrationen der Hochwasserereignisse mit der zweiwöchentlichen Grundbeprobung verdeutlicht, ebenso wie Hysteresekurven der Einzelereignisse, die unterschiedlichen Dynamiken der Austragssituationen. Während die durch Bodenfrost geprägten Ereignisse ein gegen den Uhrzeigersinn verlaufendes Abfluss-Sedimentkonzentrationsverhältnis aufweisen, das auf eine Sedimentquelle auf den Hängen hinweist, sind die Hysteresekurven bei nicht gefrorenen Böden im Uhrzeigersinn orientiert. Eine Sedimentherkunft in Gerinnenähe oder den Gerinneböschungen selbst ist daher wahrscheinlich. Diese Annahmen werden auch durch eine differenzierte Phosphoranreicherungsrate im ausgetragenen Sediment bestätigt. Darüber hinaus kann teilweise eine ereignisinterne Dynamik beobachtet werden, die auf zeitliche Variabilität in der Abflussbildung und damit zusammenhängend, eine räumliche Heterogenität der Sedimentquellen belegt. Während im Untersuchungsgebiet Schäfertal ein mehrmaliges Auftreten von Schneeschmelzen innerhalb eines Winters möglich ist, kommt es im russischen Einzugsgebiet zu einem regelmäßigen Schneedeckenaufbau über den Winter hinweg und einer Schneeschmelze in der Regel im März oder in der ersten Aprilhälfte. Die Auswertung mehrjähriger Datenreihen belegt die Bedeutung der Schneeschmelze für die Abflussbildung und den Sedimentaustrag aus dem Untersuchungsgebiet Lubazhinkha. Für die drei zur Interpretation herangezogenen Schneeschmelzen liegt die Sedimentfracht zwischen 50 und 630 t bei deutlichen Unterschieden in den hydrologischen Rahmenbedingungen. Die ereignisbezogene Sedimentfracht von mindestens 0.3 t ha-1 liegt zwar über der für das Schäfertal ermittelten, befindet sich aber im Bereich der Werte, die in anderen Studien bei vergleichbaren Böden und Nutzungsformen bestimmt wurden. Eine detaillierte Analyse der Messwerte der Schneeschmelze im Jahr 2003 belegt eine Dynamik innerhalb dieses Einzelereignisses. Bei Sedimentkonzentrationen im Abfluss am Gebietsauslass von 6 bis 540 mg l-1 kommt es zu einer Sedimentfracht von ungefähr 190 t. Während die maximalen Konzentrationen von Sediment und Phosphor mit der Spitze des Abflusses einhergehen, liegt für DOC eine Verzögerung vor, die durch eine langsamere Schneeschmelze und Mobilisierung von DOC aus dem humusreichen Oberboden der Waldflächen ausgelöst wird. Eine Differenzierung der Abflusskomponenten ermöglicht eine weitergehende Interpretation der ereignisinternen Dynamik der Stoffquellen und Eintragspfade. Bei geringen Abflussmengen (< 2,5 mm d-1) findet ein Stoffeintrag überwiegend in gelöster Form über die Bodenwasserpassage und langsame Abflusskomponenten in den Vorfluter statt. Bei höheren Abflussmengen dominieren schnelle Abflusskomponenten bzw. Oberflächenabfluss, der zeitlich dynamisch unterschiedliche Stoffquellen mobilisiert. Neben diesen ereignisinternen treten interanuelle Variabilitäten auf, die durch witterungsbedingte Faktoren bestimmt werden. Wie im Schäfertal spielt auch im Lubazhinkhaeinzugsgebiet die Ausbildung von Bodenfrost und damit verbundene Veränderung der Infiltrationseigenschaften der Böden eine große Rolle. Das Schneewasseräquivalent, die Schneeschmelzdynamik und Bodenfrosteigenschaften, z.B. Eindringtiefe, sind die wichtigsten Steuergrößen. Die Variabilität dieser Randbedingungen führt zu einer hohen interannuellen Differenzierung der Abflussbildung und der Sedimentausträge. Für die Schneeschmelze 2004 kann so bei überdurchschnittlich hohen Wintertemperaturen und nur teilweise gefrorenen Böden sowie geringem Schneewasseräquivalent eine geringe Sedimentfracht ermittelt werden. Darüber hinaus verdeutlichen die Hysteresekurven der Sedimentkonzentrationen Unterschiede in der Sedimentquelle für die Einzeljahre, die von den oben genannten Rahmenbedingungen abhängen. Auf der Basis des Monitoring lassen sich für beide Einzugsgebiete die wichtigen abflussbildenden Prozesse charakterisieren und Einflussgrößen erfassen. Dem Bodenfrost und der Schneeschmelzdynamik kommen dabei übergeordnete Bedeutung zu. In beiden Gebieten werden bei winterlichen Rahmenbedingungen erhebliche Mengen an Sediment und Nährstoffen ausgetragen. Die Interpretation physikalischer bzw. chemischer Parameter des Abflusses ermöglicht darüber hinaus auch Aussagen über die zeitliche Variabilität und räumliche Heterogenität der Sedimentherkunftsräume. Aus den Erkenntnissen der Einzugsgebietsbeobachtung ergeben sich für einen Modellansatz verschiedenen Anforderungen, die vor allem die räumlich differenzierte Darstellung des Einflusses von Bodenfrost auf den Bodenwasserhaushalt sowie die Bodenerosion durch oberflächlich abfließendes Schneeschmelzwasser betreffen. Die Grundlage für das Modellsystem „IWAN“ (Integrated Winter erosion And Nutrient load model) stellt das hydrologische Modell WASIM ETH Ver. 2 und das Stoffhaushaltsmodell AGNPS 5.0 dar. Die Verknüpfung dieser beiden auf Rasterzellen aufbauenden Modelle ermöglicht die Nutzung von kontinuierlichen, räumlich differenzierten Informationen zum Oberflächenabfluss für die Abschätzung der Bodenerosion. Durch diese Schnittstelle wird die sehr hohe Parametersensitivität des SCS-CN Verfahrens in AGNPS durch geringere Einzelsensitivitäten verschiedener Parameter des Bodenwasserhaushaltes in WASIM ersetzt und gleichzeitig eine plausible, prozessbasierte räumliche Abflussbildung berechnet. Durch die Implementierung eines Moduls zur Abschätzung der Bodentemperatur in WASIM ist zusätzlich die Grundlage für eine weitergehende Verbesserung der Abflussbildung bei winterlichen Randbedingungen gelegt. Durch das Modul wird die Oberbodentemperatur aus Werten der Lufttemperatur unter Einbeziehung der Exposition und der Landnutzung auf der Basis einer Polynomanpassung abgeschätzt. Bei einer modellierten Schneedecke von mehr als 5 mm Schneewasseräquivalent wird die berechnete Bodentemperatur des Vortages übernommen. Bei Bodentemperaturen unter dem Gefrierpunkt wird darüber hinaus die gesättigte hydraulische Leitfähigkeit des Bodens auf Null herabgesetzt, so dass im Zuge der Schneeschmelze zunächst das noch freie Porenvolumen aufgefüllt wird und danach Oberflächenabflussbildung beginnt. Für das Schäfertal liegt die Güte der Anpassung der Bodentemperatur bei Korrelationskoeffizienten von 0.62 bis 0.81 und für das Lubazhinkhaeinzugsgebiet bei Werten von 0.82 bis 0.91. Die räumlich und zeitlich differenzierte Oberflächenabflussinformation dient als Grundlage einer neu entwickelten Berechnung der Rillenerosion bei Schneeschmelzen, die den dafür nicht geeigneten empirischen Ansatz in AGNPS ersetzt. Basierend auf der Grundannahme eines dreieckigen, nicht durch Frost in der Eintiefung beeinträchtigten Rillenprofils und, da wassergesättigt, nichtkohesiver Bodeneigenschaften wird für jede Rasterzelle eine Rille simuliert. Die Erodibilität des Bodens wird als Funktion von Wurzelparametern und des Durchmessers der wasserstabilen Aggregate erfasst. Die Scherkraft des Schneeschmelzeabflusses in der Rille wird in Abhängigkeit von der Oberflächenrauhigkeit und dem Aggregatdurchmesser betrachtet und darauf aufbauend in einem Impulsstromansatz die erodierte Bodenmenge berechnet. In Verbindung mit dem durch das modifizierte WASIM berechneten und gerouteten Oberflächenabfluss ergibt sich so ein räumlich differenziertes Bild der Bodenerosion. Das Modellsystem IWAN beinhaltet neben der Erosionsberechnung ein eingabefenstergesteuertes Menü zur Datenkonvertierung und zum Prä- sowie Postprozessing. Die Ergebnisse der Anwendung des Modellsystems für die beiden Einzugsgebiete belegen, dass sowohl die entscheidenden Prozesse der Abflussbildung als auch des Sedimentaustrags wiedergegeben werden. Für das Schäfertal wurde für die Kalibrierungsjahre 1994 bis 1995 eine Modellierungsgüte von R2 0.94 bzw. 0.91 erzielt. Mit Ausnahmen der Schneeschmelze im Jahr 1996 werden die Episoden hohen Abflusses in den Jahren 1996 bis 2003 mit dem kalibrierten Parametersatz gut wiedergegeben und das witterungsbedingte Trockenfallen im Sommer zufriedenstellend dargestellt. Auf dieser Basis wird für die experimentell erfassten und diskutierten Schneeschmelzereignisse das Gesamtabflussvolumen dieser Ereignisse mit hoher Güte abgebildet. Die räumlich differenziert berechnete Bodenfeuchte und Bodenfrostvorkommen bedingen einen variablen Anteil des Oberflächenabflusses am Gesamtabfluss. Für das Schneeschmelzerosionsmodul hat das Abflussvolumen ebenso wie die Hangneigung und Abflusslänge eine positive Sensitivität. Aufgrund von Parameterkombinationen und nichtlineare Algorithmen kann es jedoch vor allem für die Wurzelparameter und den Manning Koeffizienten zu differenzierten Sensitivitätsentwicklungen kommen. Für die Simulation der Erosion im Schäfertal wurde daher zunächst auf einen Parametersatz zurückgegriffen, der auf der Basis von Erosionsparzellenversuchen kalibriert wurde. Die Mittelwerte der berechneten Erosion liegen zwischen 0.0006 und 0.96 t ha-1 für die sechs gemessenen Einzelereignisse im Schäfertal. Die Medianwerte und hohen Standardabweichungen belegen jedoch, dass insgesamt Zellen mit geringen Erosionswerten überwiegen. Die Ereignisse mit gefrorenen Böden weisen eine signifikant höhere Erosion auf. Unterschiede in der Erosion treten bei gleichen Gesamtabflussvolumen wie z.B. bei den Ereignissen vom 20.01.2001 und 26.02.2002 durch differenzierte Abflusskonzentration auf dem nord- bzw. südexponierten Hang auf. Neben einer Überprüfung der Plausibilität der berechneten Werte, werden die räumlichen Verteilungsmuster durch Geländeaufnahmen bestätigt. Die Anpassung der berechneten Sedimentfracht an die gemessenen Werte erfolgte durch die Kalibrierung des Manning Koeffizienten für ein Ereignis. Die simulierte Sedimentfracht ist in einigen Hangfußbereichen aufgrund der Abflussakkumulation besonders hoch und erreicht für den Gebietsauslass Werte zwischen 0.0 und 13.84 t. Mit der Ausnahme des Ereignisses vom 26.02.2002 ist die Sedimentfracht leicht unterschätzt, so dass sich in der Summe für die drei Winterhalbjahre 2001 bis 2003 ein Gesamtfehler von 11 t ergibt. Die Differenz zwischen der simulierten und beobachteten Sedimentfracht ist für den 26.12.2002 am größten. Als mögliche Ursache für die Abweichungen der berechneten zu den gemessenen Werten, wird die zeitliche Variabilität und räumliche Heterogenität der Oberflächenrauhigkeit, vor allem in Hinblick auf Bodenbearbeitung und Bodenfrosteinflüssen, diskutiert. Die generelle Verteilung der Sedimentquellen, Transportwege und Übertrittstellen vom Hang ins Gewässer stimmt mit Geländebeobachtungen überein. Eine quantitative Überprüfung der räumlichen Ergebnisse auf der Einzelereignisebene ist für das Schäfertal jedoch nicht möglich. Für das Lubazhinkhaeinzugsgebiet können zwei Parametersätze für das Kalibrierungsjahr 2004 identifiziert werde, die eine zufriedenstellende Modellierungsgüte für das hydrologische Modell erreichen. Obwohl einer dieser Parametersätze die Schneeschmelzsituationen und Maximalabflüsse gut darstellt, sind die Areale mit Oberflächenabflussbildung innerhalb des Einzugsgebietes nicht plausibel verteilt. Im Gegensatz dazu werden die lateralen Wasserflüsse und damit die prozessbestimmende Bodenfeuchteverteilung durch den anderen Parametersatz besser abgebildet. Es kommt jedoch zu einer Überschätzung der Spitzenabflüsse der Schneeschmelzhochwasser für die Validierungsjahre 2003 und 2005. Die auf der Basis der Messwerte erkannten Unterschiede zwischen den Einzeljahren werden ebenso dargestellt wie die differenzierte Abflussbildung innerhalb einer Schneeschmelzsituation. Neben Oberflächenabflussbildung auf den flachen Kuppenbereichen und auf Sättigungsflächen in den Talböden, wird auch die beobachtete verzögerte Abflussbildung unter Wald durch das Modell berücksichtigt. Bei zehn Tagen mit Oberflächenabfluss innerhalb der drei Schneeschmelzen 2003 bis 2005 mit Oberflächenabflussvolumen von 0.3 bis 24.1 mm d-1 werden durch das Modellsystem IWAN Erosionssummen von 10 bis 280 t d-1 simuliert. Bei einem variablen Flächenanteil von ca. 5 bis 46 % des Gesamtgebietes, auf dem Erosion stattfindet, bewegen sich die Werte der effektiven Erosion bei 0.1 bis 0.32 t ha-1 für die Einzeltage und 0.44 bis 0.92 t ha-1 für die mehrtägigen Schneeschmelzen. Die am Gebietsauslass simulierte Sedimentfracht liegt zwischen 6.7 und 365.8 t pro Tag und summiert sich auf 246.2 t für die Schneeschmelze 2003. Im Jahr 2004 werden 99.9 t und im Jahr 2005 sogar 757.9 t Austrag simuliert. Für das Kalibrierungsjahr 2004 kommt es zu einer Überschätzung der Sedimentfracht im Vergleich zur gemessenen von lediglich 10 t bzw. 12%. Für die Schneeschmelze im Jahr 2003 liegt die Abweichung mit diesem Parametersatz bei -9 %. Für das Jahr 2005 fällt die Berechnung mit einem Fehler von 33 % nicht so gut aus. Insgesamt führen Schneeschmelztage mit geringer simulierter Erosionsmenge zu einer zusätzlichen Mobilisierung von Sediment aus dem Gerinne und umgekehrt, hohe Erosionsmengen zu einer Deposition von Material auf den Wald- und Grünlandflächen und im Gerinne selbst. Hohe Sedimentfrachten werden daher vor allem für die Talflanken und die kerbtalähnlichen Talanfänge berechnet. Durch die räumliche Differenzierung der Abfluss- und Erosionsprozesse kommt es zu signifikanten Unterschieden bei der berechneten Sedimentfracht für die beiden Teileinzugsgebiete. Bei Schneeschmelztagen mit Abflussbildung unter Wald wird aufgrund des höheren Waldanteils im Lubazhinkhateilgebiet eine höhere Sedimentmenge ausgetragen. Die Unterschiede im Gerinneverhalten und zwischen den Teileinzugsgebieten verdeutlichen die insgesamt hohe Prozessrepräsentanz der Modellergebnisse. Das Modellsystem IWAN bildet für beide Einzugsgebiete mit hoher Plausibilität die räumliche und zeitliche Dynamik der Oberflächenabflussbildung während der Schneeschmelze und die damit verbundenen Erosionsprozesse ab. Der Modellansatz stellt somit eine Möglichkeit zwischen Modellergebnisaggregierung für den Gebietsauslass und aufwendiger Geländebeobachtung bzw. –messungen dar. Die prozessbeschreibende Modellierung mit zufriedenstellender Güte sowohl für das Schäfertal als auch für das Lubazhinkhaeinzugsgebiet stellt die Grundlage für die Berechnung von Klima- oder Landnutzungsszenarien dar. Eine Auswertung der bestehenden langjährigen Datenreihe aus dem Schäfertal bestätigt zunächst den allgemeinen Trend zur Erwärmung vor allem im Winterhalbjahr. Demgegenüber lässt der instrumentenbedingte Fehler bei der Niederschlagmessung keine Ableitung eines Trends aus den vorhandenen Daten zu. Aus der meteorologischen Datenreihe des Schäfertals wurden insgesamt 13 Jahre mit definierter Abweichung von +2.5 bis -2.5 °C und fünfmal +0.5 °C von der durchschnittlichen Winterlufttemperatur (Jd 330-90) gegenüber dem langjährigen Wintermittel ausgewählt. Im Gegensatz zu Wettergeneratoren werden dadurch eine Kombinationen aus Lufttemperatur und Niederschlag erfasst, die typischen Witterungssituationen entsprechen. Die Niederschlagssummen für den Winterzeitraum dieser Szenariojahre liegen zwischen -45 % und + 75 % gegenüber den langjährigen Mittelwerten. Die Modellergebnisse belegen die große Bedeutung der Witterungssituationen für die Abflussbildung in der Art, dass eine erhöhte Niederschlagsumme nicht zwingend auch eine überdurchschnittliche Abflussmenge hervorruft. Schneedeckendynamik und Bodenfrost sind die prägenden Elemente. Die Anzahl der Schneetage und die Dauer einer Schneeperiode liegt bei negativen Temperaturabweichungen deutlich über den Szenarien mit positiver Abweichung. Insgesamt zeigen die Ergebnisse der hydrologischen Simulation für die Szenarien, dass sowohl eine starke Abweichung nach oben oder unten vom bisherigen Durchschnitt vermehrt zu Oberflächenabflussbildung führt. Die Erosionssummen der Szenariotage mit Oberflächenabfluss variieren zwischen 4 und 141 t d-1 und stehen aufgrund des nicht veränderten Parametersatzes in direkter Abhängigkeit zum Abflussvolumen. Die berechneten Erosionssummen für Situationen ohne Bodenfrost fallen generell geringer aus, befinden sich aber wie auch die Ereignisse mit Bodenfrost im Wertebereich der Referenzereignisse. Im Bereich der Referenzereignisse liegen auch die Sedimentfrachten mit 0.03 bis 13.15 t d-1. Eine erhöhte Variabilität ist zu erwarten, wenn die Veränderungen der Vegetationsperioden und der Fruchtfolgen in den Modellansatz aufgenommen würden. Eine Betrachtung der Erosionsummen und Sedimentfrachten nicht auf Basis von Tageswerten sondern von Schneeschmelzereignissen zeigt deutlich, dass die Klimaszenarien mit hohen Abweichungen von den Normwerten auch erhöhte Gesamtstoffausträge verursachen. Im russischen Lubazhinkhaeinzugsgebiet führen die Transformationsprozesse im Landwirtschaftssektor zu tiefgreifenden Änderungen der Landnutzung. Auf einer Analyse der Entwicklung in den letzten 15 Jahren aufbauend, kann für das Gebiet von einer deutlichen Modifikation im Verhältnis Grünland, Acker und Wald ausgegangen werden. Diese Dynamik spiegelt sich in den fünf Szenarien wider, die flächenspezifische Änderungen vorsehen. Die Variationen reichen von einem Szenario, in dem ein ausländischer Investor die landwirtschaftliche Nutzfläche auf alle geeigneten Böden ausdehnt, über eine Ausdehnung der Waldflächen in einem laufenden staatlichen Waldschutzprogramm bis hin zum Aufbau kleinbäuerlicher Strukturen und lokale Vermarktung der Produkte durch sich entwickelnden Tourismus. Die Gesamtabflussmenge der Szenarien liegt zwischen 276.4 und 293.3 mm für die Simulationsperiode 2003 bis 2005. In Abhängigkeit vom Waldflächenanteil und der damit verbundenen Evapotranspiration treten im Vergleich zum Ist-Zustands des Referenzszenarios nur geringe positive oder negative Abweichungen auf. Im Unterschied dazu treten bei der Betrachtung der Oberflächabflussentwicklung für die drei Schneeschmelzperioden relativ große Abweichungen bis zu über 20 mm auf. Diese Unterschiede sind am deutlichsten in den durch Bodenfrost und hohes Schneewasseräquivalent ausgezeichneten Jahre 2003 und 2005 für das Szenario mit dem größten Waldflächen- und Grünlandanteil. Mit wenigen Ausnahmen führen die Szenarien zu einer Erhöhung der simulierten Sedimentfracht am Gebietsauslass. Die Ergebnisse belegen darüber hinaus, dass eine Verminderung der Erosion auf den Hängen allein nicht zu einer Frachtreduzierung führen muss, da bei geringer Sedimentbelastung im Gerinne Material aufgenommen werden kann. Ein flächenspezifischer Vergleich zweier Szenarien belegt die Bedeutung der Verortung der Nutzungsänderungen innerhalb des Einzugsgebietes und der damit einhergehenden Konnektivität von abflussbildenden Arealen und Erosionsflächen zum Gerinne hin. Die Szenarioergebnisse weisen auf die steigende Bedeutung von Extremereignissen hin, die im Zuge des Klimawandels zu erwarten sind. Ebenso wird die Verknüpfung von Hang- und Gerinneprozessen als Attribut eines Einzugsgebietes unterstrichen, das bei Managementmaßnahmen beachtet werden muss. Insgesamt belegen die Ergebnisse für beide Untersuchungsgebiete, dass das Modellsystem IWAN nach einer Kabibrierung erfolgreich zur Abschätzung von möglichen zukünftigen Sedimentquellen und Sedimentausträgen eingesetzt werden kann. Weitergehender Forschungsbedarf besteht in der Frage der Übertragbarkeit des Monitoringansatzes in Naturräume mit anderen, zum Teil komplexeren hydrologischen Einzugsgebietsreaktionen und darauf aufbauenden Stoffausträgen und Austragspfaden. Darüber hinaus kann im Modellsystem IWAN eine Verbesserung durch eine Berechnung der Rillenausbildung auf dem Hang sowie eine Modifikation der Sedimenttransportberechnung erzielt werden. Bei einer Übertragung auf andere Einzugsgebiete sollte eine umfassende Sensitivitätsanalyse und Ergebnisunsicherheitsbetrachtung vor allem in Hinblick auf die Kopplung von Teilmodellen innerhalb des Modellsystems erfolgen.:Gliederung Gliederung V Liste der Abbildungen VII Liste der Tabellen XII 1 Einleitung und Fragestellung 3 1.1 Bodenerosion und Sedimentfracht in Einzugsgebieten 3 1.1.1 Abflussbildung, Bodenerosion und Sedimentaustrag 3 1.1.2 Winterliche Situationen 5 1.2 Modellierungsansätze 13 1.2.1 Modelle und Modellkopplungen 13 1.2.2 Probleme der Modellanwendung 17 1.3 Wissensdefizite und Zielstellung 23 2 Untersuchungsgebiete und Methoden 25 2.1 Schäfertal 25 2.1.1 Naturraum 25 2.1.2 Methoden 28 2.2 Lubazhinkha 31 2.2.1 Naturraum 31 2.2.2 Methoden 36 2.3 Datenverarbeitung 38 3 Ergebnisse und Diskussion des Monitorings in den Einzugsgebieten 41 3.1 Schäfertal 41 3.1.1 Abflussbildung 41 3.1.2 Stoffausträge bei Hochwasserereignissen 45 3.2 Lubazhinkha 54 3.2.1 Bedeutung der Schneeschmelze für den Stoffaustrag 54 3.2.2 Stoffdynamik während der Schneeschmelze 57 4 Modellentwicklung 69 4.1 Zielstellungen der Modellmodifikation und -entwicklung 69 4.2 WASIM-AGNPS 70 4.2.1 Wasserhaushaltsmodell WASIM 70 4.2.2 Stofftransportmodell AGNPS 72 4.2.3 Schnittstelle WASIM-AGNPS 74 4.3 Modifikation von WASIM für winterliche Abflussbildung 76 4.3.1 Grundlagen 76 4.3.2 Datenerhebung 77 4.3.3 Sensorauswahl 77 4.3.4 Ergebnisse 79 4.3.5 Empirisches Modell 82 4.3.6 Bodentemperaturteilmodul 83 4.3.7 Anpassung mit Daten aus dem Einzugsgebiet Lubazhinkha 85 4.4 Schneeschmelzerosionsmodell (SMEM) 87 4.4.1 Rillenprofil 87 4.4.2 Bodenerosion 90 4.4.3 Technische Umsetzung 96 4.5 Modellsystem IWAN 97 4.5.1 Schnittstelle SMEM-AGNPS 97 4.5.2 Graphische Benutzeroberfläche 99 5 Modellergebnisse und Diskussion 105 5.1 Schäfertal 105 5.1.1 Bodentemperatur 105 5.1.2 Hydrologie 108 5.1.3 Schneeschmelzerosion 113 5.1.4 Sedimentfracht 120 5.2 Lubazhinkha 126 5.2.1 Hydrologie 126 5.2.2 Schneeschmelzerosion 133 5.2.3 Sedimentfracht 137 6 Szenariorechnungen 143 6.1 Klimaszenarien Schäfertal 143 6.1.1 Szenarienauswahl 143 6.1.2 Modellergebnisse und Diskussion 148 6.2 Landnutzungsszenarien Lubazhinkha 158 6.2.1 Szenarienauswahl 158 6.2.2 Modellergebnisse und Diskussion 163 7 Schlussfolgerungen 169 7.1 Einzugsgebiete 169 7.2 Modellsystem IWAN 172 7.3 Szenarien 176 7.4 Forschungsbedarf 178 8 Zusammenfassung 179 9 Summary 189 10 Literatur 199 Appendix 207 Abkürzungen Modellübersicht Quellcode (VBA) / Soil erosion by water is a ubiquitous problem that impairs the agricultural productivity, diminishes soil functionality and may harmfully affect neighbouring environmental compartments. Surface waters are especially affected by the sediment, sediment bounded and soluble nutrients as well as pollutants mobilised by soil erosion. The knowledge about erosion processes and sediment loads is of high relevance for the protection of the soil and water and has moreover an economic dimension. Generally, a slope or catchment can be divided into three zones: erosion, transport and sedimentation. However, runoff generating processes and roughness or topography triggered runoff concentration lead to an individual differentiation. Furthermore, spatial and temporal discontinuities of processes or connectivities and thresholds modify the erosion and sediment characteristics. Relief and soil as structural elements of a catchment control accordingly the soil moisture differentiation and in an essential way the runoff generation and sediment load. In temperate and cold climates an important portion of runoff is generated in winter and can be affected by soil frost and snowmelt. However, only little knowledge exists about the processes and dimension of sediment and nutrient emissions under these wintry conditions. Systematic research exists particularly in Russia and Norway. The related deficits are also reflected in existing model approaches to estimate soil erosion and sediment fields from catchments. On the one hand neither the snow development or snow melt nor the modification of the soil water flow in case of frozen soil is considered. On the other hand the erosivity of the snow melt runoff and the modification of the soil erodibility through, for example frost-thaw cycles, is adequately reflected. It is the main focus of the presented work to identify, by analysing data from a German and a Russian catchment, the dominant processes and triggers of runoff generation and diffuse pollution under winter conditions. The results are implemented into a model system which is utilised to analyse spatial heterogeneity and temporal variability of processes and to estimate the effects of climate and land use change on sediment loads in the two target areas. The 1.44 km² catchment Schaefertal is located in the eastern lower Harz Mountains approx. 150 km SW of Berlin, Germany. Cambisols and Luvisolos have developed from periglacial slope deposits on greywacke and argillaceous shale. These slopes are utilised agriculturally with a crop rotation of mainly winter grain and canola. The thalweg is dominated by hydromorphic soils and pasture. The climate is slightly continental with an annual average temperature of 6.8°C and 680 mm total annual precipitation. In addition to long-time hydro-meteorological measurements, since several years research into sediment and nutrient emissions is conducted. A routine biweekly sampling of the runoff at the catchment outlet is supplemented by automatic high flow sampling especially during snow melt flows. Besides suspended sediment concentration, phosphorus species and dissolved organic carbon are sampled and analysed following standard methods. Also in the Russian catchment Lubazhinkha the main focus is the characterisation of runoff generation and sediment/nutrient transport during snowmelt events. The catchment is located about 100 km south of Moscow, Russia in the transition zone from southern Taiga to forest steppe. The area of 18.8 km² is utilised half by agriculture and one third by forestry. The recent spatial differentiation of this land use is triggered by the relief determined erosive shortening and hydromorphic characteristics of the dominant grey forest soils. Climate and hydrology are dominated by snow cover accumulation and snow melt; annual average temperature is 4.4°C and the annual precipitation sum is 560 mm. High flow samples are taken at the catchment outlet behind a small dam and at the two most important tributaries to characterise mobilisation processes and the sediment and nutrient concentrations. The interpretation of data from the Schaefertal demonstrate for the period of investigation the importance of high flow situations that are caused by snow melt. Catchment conditions characterised by frozen soils lead to a modification of the measured hydrograph, especially through the occurrence of fast surface or near-surface components. The peak flow of the eight high flow events which are employed for interpretation vary between 30 and 270 l s-1, with total runoff volumes in a range from 1 to 50 mm. The sediment concentrations that are observed at the catchment outlet are below 650 mg l-1 for the two events without frozen soil and therewith distinct below the maximum of around 6000 mg l-1 for events with frozen or partly frozen soil conditions. Solely, one event with rainfall on unfrozen soil is characterised by high sediment concentration which is caused by channel maintenances and easy mobilisation of material from the channel banks. According to this, the sediment yields vary for the single events and achieve up to 17 t. The most important trigger is the generation of erosive surface runoff on the slopes by reduction of the hydraulic conductivity of the frozen soils. The comparison of the sediment concentrations of high flow events and the biweekly sampling as well as hysteresis curves of the single events clarify the differing dynamics of sediment export situations. The soil frost affected events show an anti-clockwise direction of the discharge-sediment relationship which points to a sediment source on the slope, whereas the hysteresis curves of unfrozen soil conditions are oriented clockwise. For these events a sediment source near the channel or the channel bank is probable. These assumptions are also supported by a differentiated phosphorus enrichment ratio in the exported sediment. Furthermore, a dynamic in the progress of the single events can be observed which is caused by the temporal variability of the runoff generation and confirms the related spatial heterogeneity of sediment sources. Contrary to the Schaefertal with several snow melt events per year, in the Russian catchment the snow cover is accumulated over the entire winter and one snow melt flood occurs in March or during the first half of April. The interpretation of multiannual data document the importance of the spring snow melts for the runoff generation and sediment export from the catchment Lubazhinkha. The sediment yield of three observed snow melt events varies between 50 and 630 t in dependency on the hydrological conditions. The event related sediment load of at least 0.3 t ha-1 is above the values that were measured in the Schaefertal but in the range of other studies with comparable soils and land use. Detailed analyses of the measurements of the snow melt in spring 2003 document the dynamic within one event. A sediment concentration at the catchment outlet from 6 to 540 mg l-1 led to a total event sediment yield of 190 t. The maximum concentrations of sediment and phosphorus peak with the discharge. In contrast, the concentration of dissolved organic carbon (DOC) is delayed compared to the runoff peak due to the slow snow melt development under forest stands and mobilisation of DOC from the organic rich topsoil of these forest areas. A differentiation of runoff components allows a further interpretation of event specific dynamic of sediment sources and transport pathways. In case of low discharge (< 2.5 mm d-1) the material transfer is dominated by dissolved forms and enters the channel passing the soil as slow runoff. Fast runoff components or surface runoff dominate situations with higher amounts of discharge in which sediment and nutrient sources are mobilised with temporal dynamic. Besides this event internal dynamic inter-annual variability exists that is a result of weather conditions in the specific winter. Similar to the Schaefertal, the development of frozen soils and the related modification of infiltration characteristics of the soils play an important role in the Lubazhinkha catchment. Other important triggers are snow water equivalent, snow melt dynamic and specific soil frost characteristics, i.e. depth of penetration. The variability of these boundary conditions led to a high inter-annual differentiation of runoff generation and sediment loads. Thus, for the snowmelt 2004 with above average winter air temperatures and only partly frozen soils, as well as low snow water equivalent, a comparable low sediment load was observed. In addition, the hysteresis curves of the discharge-sediment concentration relationship indicate differences in the sediment sources for the single snow melt events which are in dependency of the abovementioned factors. For both catchments the established monitoring system and selected parameters provide an insight into runoff generating processes and relevant triggers. Occurrences of soil frost and snow melt dynamics are most important factors. Wintry conditions led to high sediment and nutrient yields in both catchments. The interpretation of physical and chemical parameters of discharge allows the identification of spatial heterogeneity and temporal variability of sediment source areas. Several demands for a model approach arise from these findings of catchment monitoring which are especially related to the spatial differentiated estimation of surface runoff generating areas and soil erosion through snow melt water. The basis for the model system “IWAN” (Integrated Winter erosion And Nutrient load model) is the hydrological model WASIM ETH Ver.2 and the nutrient load model AGNPS 5.0. The linking of these two raster-based models facilitates the utilisation of continuous, spatial differentiated information for surface runoff to estimate soil erosion. By this, the high parameter sensitivity of the SCS-CN approach in AGNPS is replaced with sensitivities distributed among different parameters of the soil water calculation in WASIM and the concurrent calculation of a plausible process based spatial differentiated runoff generation. The implementation of a module to estimate the soil temperature forms the basis for an improved calculation of soil water flows and runoff generation under winter conditions. This module calculates the topsoil temperature based on values of air temperature and considers exposition and land use. The calculated soil temperature of the previous day is assumed in case of a snow cover of more than 5 mm water equivalent. The saturated hydraulic conductivity of the soil is set to zero if the calculated soil temperature drops below freezing and surface runoff begins after the water free soil pore volume is filled up. The goodness of fit for the Schaefertal shows a correlation coefficient of 0.62 to 0.81 and for the Lubazhinkha catchment values in a range between 0.82 and 0.91. The spatial and temporal differentiated information of surface runoff is fundamental to a new developed calculation of rill erosion during snow melt situations which replaces the empirical erosion estimation of AGNPS. One rill for each raster cell is simulated on the assumption of a non-cohesive soil through water saturation and that soil frost does not hinder the deepening of the triangular rill profile. The soil erodibilty is a function of root parameters and diameter of water stable aggregates. The erosivity of the snow melt runoff in the rill is calculated in dependency of surface roughness and soil aggregate diameter. A spatial differentiated estimation of soil erosion is possible in combination with the routed surface runoff from the modified WASIM. In addition to the erosion estimation, the model system IWAN comprises a user interface for data conversion as well as pre- and post-processing options. The results of the model system application for both catchments demonstrate that the dominant processes of runoff generation as well as sediment loss are matched. For the Schaefertal a modelling agreement of r² equalling 0.94 and 0.91 is realised for the year of calibration 1994 and the year of validation 1995, respectively. With the exception of 1996 all periods of high flow and the falling dry of the channel in summer from 1996 until 2003 are represented satisfactorily with the calibrated set of parameters. On this basis, the total runoff volume of the observed and above discussed snow melt events has been modelled with a high degree of accuracy. The spatially differentiated calculation of soil moisture and soil frost occurrence results in a variable fraction of surface runoff on the total runoff for these events. Runoff volume, slope and flow length show positive sensitivities in the new snow melt erosion module. However, parameter combinations and non-linear algorithms, especially for root parameters and the Manning coefficient, may lead to more complex sensitivity properties. Thus, the simulation of soil erosion in the Schaefertal was first conducted with a set of parameters that was calibrated with results of erosion plot experiments. The average values of calculated erosion vary between 0.0006 and 0.96 t ha-1 for the six events from the Schaefertal. However, the median values and high standard deviations prove that most of the cells have low erosion values. The results for events with frozen soils are characterised by significant higher values of erosion. Despite similar total runoff volume i.e. of the events from 20.01.2001 and 26.02.2002 differences occur because of distinctions in runoff concentration on the north and south exposed slope. The spatial results are positively compared to field mapping in addition to a plausibility control of the calculated values. The adjustment of the calculated values for sediment load against the observations is done with calibration of the Manning coefficient for one randomly selected event. The sediment load in some footslope areas caused by runoff concentration is especially high and in the range of 0.0 to 13.84 t for single events. The event sediment yield is generally underestimated with the exception of the event on 26.02.2002. The total absolute error for the three winter seasons is 11 t. The difference between simulated and observed sediment load is highest for the 26.12.2002. This distinction may originate in the temporal variability and spatial heterogeneity of surface roughness against the background of soil frost influences and tillage operations. The general distribution of modelled sediment sources, transport pathways and connecting points to the channel are confirmed by field observations. However, a quantification of the spatial model results on the basis of the observed single events is not possible. For the Lubazhinkha catchment two sets of hydrological parameters are identified for the year of calibration 2004 which achieve satisfying results in comparison to the observed discharge. Although one of these set of parameters performed better in reproducing the peak flows of the snow melt situations, the spatial distribution of surface runoff generating areas was not plausible. Contrary, the second set of parameters characterises the lateral water flows and thus the important spatial soil moisture distribution in a more realistic way. However, the snow melt peak flows for the years of validation 2003 and 2005 are overestimated. The difference between the years, which was identified on the basis of the interpretation of the observations, is matched as well as the dynamic of runoff generation. Surface runoff generation on the flat interfluves areas and saturated areas in valley bottoms are modelled satisfactorily as well as the delayed runoff generation under forest stands. The model system simulates erosion sums of 10 to 280 t d-1 for a total of ten days with surface runoff in a range of 0.3 to 24.1 mm d-1 in the entire modelling period of three years. Considering the variable area of 5 to 46 % on which erosion takes place, the values of effective erosion vary between 0.1 and 0.32 t ha-1 for single days and between 0.44 to 0.92 t ha-1 for multi-day snow melts. The simulated sediment load at the catchment outlet range from 6.7 to 365.8 t per day and sums up to 246.2 t for the snow melt 2003. For the year 2004 99.9 t and for 2005 757.9 t are calculated. In comparison to the observations for the calibration year 2004, the sediment load is overestimated by 10 t or 12 %. The deviation for 2003 is -9 %, with the same set of parameters. The result for 2005 is with an error of 33 % not as good as in the two other years. Overall, the days of snow melt with a low amount of erosion cause additional mobilisation of sediment from the channel banks and contrary, high amount of erosion on the slopes result in deposition processes on the forest and pasture areas near in the valley bottom and in the channel itself. Thus, high sediment loads are estimated for the bottom slopes and the small V-shaped first order valleys. The sediment loads for the two sub-catchments differ significantly because of the spatially differentiated processes of runoff generation and soil erosion. For the days with runoff generation in forest areas higher sediment yields are calculated for the Lubazhinkha-subcatchment which is characterised by a higher degree of forested areas. Differences in slope-channel interaction and variations between the two subcatchments illustrated the overall high process relevance of the model results. The model system IWAN estimates for the Schaefertal and the Lubazhinkha catchment the spatial and temporal dynamics of surface runoff generation and the related erosion processes during snow melt episodes with high plausibility. The model approach demonstrates an option between model result aggregation at the catchment outlet and intensive spatial field observation and measurement within a catchment. The satisfactory modelling of processes for the Schaefertal, as well as for the Lubazhinkha catchment, forms the basis for the calculation of climate and land use scenarios. An analysis of the existing long-term dataset from the Schaefertal approves the general trend of warming, especially in the winter half year. Contrary, the instrument error for rainfall measurements disallows an identification of a trend in the present data. A total of 13 years with defined deviation of +2.5 to -2.5 °C and five years with a deviation of +0.5 °C from the average air temperature in winter (Jd 330-90) were selected from the data set. In contrast to the utilisation of weather generators, this selection provides a dataset with a combination of air temperature and rainfall/snow that is in accordance with typical atmospheric situations. The amount of rainfall for the winter period of the scenario years deviates -45 % to +75 % from the long term average of winter. The model results substantiate the role of weather situations such that an increased amount of rainfall does not automatically result in above-average runoff. Snow cover dynamics and soil frost occurrence are the controlling factors. The number of days with snow and the duration of each snow period are significant higher for scenarios with negative temperature deviation compared to the scenarios with positive deviation. Overall the results of the hydrological calculation of the scenarios show that extreme positive and negative deviations lead to increased surface runoff probability. The sums of erosion for single days with surface runoff varies between 4 to 141 t d-1 and are in direct relation to runoff volume due to the unchanged set of parameters. Generally the calculated sums of erosion for situations without soil frost are lower than with soil frost, but both types are in the range of values of the measured and modelled reference events. Also the calculated sediment yields from 0.03 to 13.15 t d-1 for the scenario days are in the range of the measurements. A higher variability could be expected when considering modifications to vegetation period or crop rotations. An interpretation of erosion and sediment yield on the basis of snow melt periods clarifies those scenarios with extreme deviations also tend to higher sediment export from the catchment. Transformation processes in the agricultural sector of Russia trigger fundamental changes in land use. Based on an analysis of the development of the past 15 years for the Lubazhinkha catchment a significant modification of the pasture, arable land and forest areas is probable in the future. This dynamic is reflected in five scenarios with area-specific changes in land use distribution. The variations range from scenarios with a foreign investor who extends the arable land to all suitable soils in the catchment, an expansion of forest areas in the frame of a governmental forest protection program to the development of small family farms with local market structures because of tourism. The calculated total runoff for the scenarios varies between 276.4 and 293.3 mm for the entire simulation period 2003 to 2005. Small positive or negative deviations occur compared to the as-is state in relation to the variable forest area and combined evapotranspiration. Contrary, the surface runoff shows large deviations of more than 20 mm for the three snow melt periods. These differences are pronounced for the scenario with highest portion of forest and pasture area in the years 2003 and 2005 that are characterised by soil frost and high water equivalent in snow. With only few exceptions the scenarios lead to an increase in simulated sediment yield at the catchment outlet. Moreover, the results document that a decrease of erosion on the slopes does not consequently result in a yield reduction. In the case of low sediment input from the slopes additional material from the channel bed and banks may attribute significantly to the sediment loading. An area specific comparison of two scenarios clarifies the importance of localisation of land use changes and the according connectivity of surface runoff areas and erosion areas to the channel. The scenarios document the increasing importance of extreme events that can be expected due to climate change. Additionally, the link of slope and channel processes, as attribute of a catchment, has to be considered in planning of management measures. The results prove for both catchments that the model system IWAN can be applied for estimating future potential sediment sources and sediment yield after successful calibration. Further research is needed in the question of transferability of the monitoring approach to other environments with a different, more complex hydrological catchment reaction and linked sediment sources and transport mechanisms. The model system IWAN can be improved by a dynamic calculation of rill network generation on the slope and a modification of the sediment transport algorithms. The transfer of the model system to other catchments has to be accompanied by a comprehensive sensitivity and uncertainty analysis especially respecting the model chain within IWAN.:Gliederung Gliederung V Liste der Abbildungen VII Liste der Tabellen XII 1 Einleitung und Fragestellung 3 1.1 Bodenerosion und Sedimentfracht in Einzugsgebieten 3 1.1.1 Abflussbildung, Bodenerosion und Sedimentaustrag 3 1.1.2 Winterliche Situationen 5 1.2 Modellierungsansätze 13 1.2.1 Modelle und Modellkopplungen 13 1.2.2 Probleme der Modellanwendung 17 1.3 Wissensdefizite und Zielstellung 23 2 Untersuchungsgebiete und Methoden 25 2.1 Schäfertal 25 2.1.1 Naturraum 25 2.1.2 Methoden 28 2.2 Lubazhinkha 31 2.2.1 Naturraum 31 2.2.2 Methoden 36 2.3 Datenverarbeitung 38 3 Ergebnisse und Diskussion des Monitorings in den Einzugsgebieten 41 3.1 Schäfertal 41 3.1.1 Abflussbildung 41 3.1.2 Stoffausträge bei Hochwasserereignissen 45 3.2 Lubazhinkha 54 3.2.1 Bedeutung der Schneeschmelze für den Stoffaustrag 54 3.2.2 Stoffdynamik während der Schneeschmelze 57 4 Modellentwicklung 69 4.1 Zielstellungen der Modellmodifikation und -entwicklung 69 4.2 WASIM-AGNPS 70 4.2.1 Wasserhaushaltsmodell WASIM 70 4.2.2 Stofftransportmodell AGNPS 72 4.2.3 Schnittstelle WASIM-AGNPS 74 4.3 Modifikation von WASIM für winterliche Abflussbildung 76 4.3.1 Grundlagen 76 4.3.2 Datenerhebung 77 4.3.3 Sensorauswahl 77 4.3.4 Ergebnisse 79 4.3.5 Empirisches Modell 82 4.3.6 Bodentemperaturteilmodul 83 4.3.7 Anpassung mit Daten aus dem Einzugsgebiet Lubazhinkha 85 4.4 Schneeschmelzerosionsmodell (SMEM) 87 4.4.1 Rillenprofil 87 4.4.2 Bodenerosion 90 4.4.3 Technische Umsetzung 96 4.5 Modellsystem IWAN 97 4.5.1 Schnittstelle SMEM-AGNPS 97 4.5.2 Graphische Benutzeroberfläche 99 5 Modellergebnisse und Diskussion 105 5.1 Schäfertal 105 5.1.1 Bodentemperatur 105 5.1.2 Hydrologie 108 5.1.3 Schneeschmelzerosion 113 5.1.4 Sedimentfracht 120 5.2 Lubazhinkha 126 5.2.1 Hydrologie 126 5.2.2 Schneeschmelzerosion 133 5.2.3 Sedimentfracht 137 6 Szenariorechnungen 143 6.1 Klimaszenarien Schäfertal 143 6.1.1 Szenarienauswahl 143 6.1.2 Modellergebnisse und Diskussion 148 6.2 Landnutzungsszenarien Lubazhinkha 158 6.2.1 Szenarienauswahl 158 6.2.2 Modellergebnisse und Diskussion 163 7 Schlussfolgerungen 169 7.1 Einzugsgebiete 169 7.2 Modellsystem IWAN 172 7.3 Szenarien 176 7.4 Forschungsbedarf 178 8 Zusammenfassung 179 9 Summary 189 10 Literatur 199 Appendix 207 Abkürzungen Modellübersicht Quellcode (VBA)

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