Improving the predictive capability of the soil erosion modeling tool EROSION-3D: From observation data to validation

Ziel dieser Arbeit ist die Verbesserung der Vorhersagekraft des Bodenerosionsmodelierungs-werkzeugs EROSION-3D, welche oftmals durch die Identifizierung der werkzeugspezifischen Parameter Skinfaktor und Erosionswiderstand limitiert ist. Als drei Betrachtungsebenen der Arbeit werden 1. Beobachtungsdaten, 2. die Fähigkeit von EROSION-3D zur Beschreibung der Beobachtungsdaten und 3. die Vorhersagekraft des Werkzeugs untersucht. Aufzeichnungen verschiedener Beregnungsversuche wurden maschinenlesbar zusammengefasst. Daran wurde EROSION-3D mit den bisher üblichen sowie Monte-Carlo Methoden kalibriert. Anhand beschreibender Daten der Beregnungsversuche wurden Vorhersagemethoden zur Schätzung der modellspezifischen Parameter entwickelt und hinsichtlich der Parameterwerte und damit modellierter Abfluss-/Abtragswerte validiert. Die Ergebnisse zeigen, dass verbesserte Vorhersagen mit den neuen Schätzmethoden möglich sind, aber auch Möglichkeiten zur Verbesserung der Modellstruktur bestehen

APPLICATION OF PHYSICALLY-BASED EROSION 3D MODEL IN SMALL CATCHMENT

The scope of this study is the application of a new approach for the estimation of potential soil erosion using a physically-based erosion model Erosion 3D for modelling potential erosion in the Myjava River basin, Slovakia. Erosion 3D is a physically-based model for predicting soil erosion by water on agricultural land (Schmidt, 1996). The model is predominantly based on physical principles and it simulates surface runoff, erosion, deposition and the detachment of soil particles for single events, and provides good tool to simulate and quantify soil erosion, but has not been established in Slovakian basins yet. The soil system of Erosion 3D is based on the fourth edition of the soil classification of “Bodenkundliche Kartieranleitung” („KA 4“, AG Boden, 1994). Because of different soil classification it was required in the first step to create an overplot of KA 4 textural system with the USDA textural system used in Slovakia. The model requires three input parameter - relief, precipitation and soil parameters. The first two parameters are easy to obtain but soil input parameters are more complicated mainly for different areas where the model was calibrated and validated. In this study we focused to creation of the soil input data sets for Slovak condition including establishment of Parameter catalogue for every soil input parameters. The catalogue has been configured based on overplotted textural triangle. The Erosion 3D model was applied to a small catchment Tura Luka situated in the Myjava Hill Land which is known for its quick runoff response and related muddy floods. Four scenarios of initial moisture parameter, which is considered as the most sensitive soil input parameter, were applied in fallow and winter wheat. Simulations were done for 100-year design rainfall of 60 minutes duration. The results of potential erosion are well-capable to point to the spatial and temporal variability of the rainfall event with the wide range of the values

Erosion 3D Sachsen

Für die Erstellung von Bewirtschaftungs- und Maßnahmenplänen (FFH, EU-WRRL) ist es erforderlich, den bislang noch sehr hohen Aufwand für die Datenbeschaffung und -generierung im Rahmen der Modellierung mit EROSION 3D zu senken. Erreicht werden soll eine schnellere sowie effizientere Abschätzung von Landnutzungsänderungen, Landschaftseingriffen, des Klimawandels usw. auf Oberflächenabfluss, Bodenabtrag sowie Sedimenteintrag in Gewässer mit EROSION 3D. Im vorliegenden Projekt ist es gelungen, Parametrisierung und Modellanwendung so zu kombinieren, dass eine Bodenabtragssimulation mit dem Modell EROSION 3D flächendeckend für Sachsen mit vertretbarem Zeitaufwand durchführbar ist. Der korrigierte und angepasste Geo-Basisdatensatz liefert die Primärinformationen zur Datenbankabfrage der Parametrisierungssoftware DPROC. Durch eine interaktive Flächenauswahl, kombiniert mit einem Flächendatenzuschnitt, können Landnutzungs- und Bearbeitungsszenarien für hydrologische Einzugsgebiete oder Oberflächenwasserkörper schnell parametrisiert werden. Die grundlegend korrigierte und erweiterte Datenbank des DPROC erlaubt die verbesserte Abschätzung erosionsrelevanter Bodenparameter, besonders für die dauerhaft konservierende Bodenbearbeitung und die Direktsaat. Die umfangreiche Dokumentation der Arbeitsschritte und die Transparenz der Datenbank ermöglichen es, jederzeit Aktualisierungen (Geo-Basisdaten) und Erweiterungen (DPROC-Datenbank) vorzunehmen. Von den Projektergebnissen profitieren vor allem die Anwender des Programms EROSION 3D. Beim Druck des Dokumentes ist zu beachten, dass die Karten im Format DIN A3 erstellt wurden

3D Agro-ecological Land Use Planning Using Surfer Tool for Sustainable Land Management in Sumani Watershed, West Sumatra Indonesia

Estimation of soil erosion 3D (E3D) provides basic information that can help manage agricultural areas sustainably, which has not been sufficiently conducted in Indonesia. Sumani watershed is main rice production area in West Sumatra which has experienced environmental problem such as soil erosion and production problem in recent years. 3D Agro-ecological land use planning based on soil erosion 3D hazard and economic feasibility analyses consist of production cost and prize data for each crop. Using a kriging method in Surfer tool program, have been developed data base from topographic map, Landsat TM image, climatic data and soil psychochemical properties. Using these data, the Universal Soil Loss Equation was used for spatial map of soil erosion 3D and proposed a 3D agro-ecological land use planning for sustainable land management in Sumani watershed. A 3D Agro-ecological land use planning was planned under which the land use type would not cause more than tolerable soil erosion (TER) and would be economically feasible. The study revealed that the annual average soil erosion from Sumani watershed was approximately 76.70 Mg ha-1yr-1 in 2011 where more than 100 Mg ha-1yr-1 was found on the cultivated sloping lands at agricultural field, which constitutes large portion of soil erosion in the watershed. Modification of land use with high CP values to one with lower CP values such as erosion control practices by reforestation, combination of mixed garden+beef+chicken (MBC), terrace (TBC) or contour cropping+beef+chicken (CBC) and sawah+buffalo+chicken (SBC) could reduce soil erosion rate by 83.2%, from 76.70 to 12.9 Mg ha-1 yr-1, with an increase in total profit from agricultural production of about 9.2% in whole Sumani watershed

Validierung EROSION 3D - Prüfung und Validierung des neu entwickelten Oberflächenabflussmoduls des Modells EROSION 3D im Zusammenhang mit Maßnahmen des vorsorgenden Hochwasserschutzes auf landwirtschaftlich genutzten Flächen

Das LfULG nutzt seit mehreren Jahren das Prozessmodell EROSION 3D im Rahmen seiner fachlichen Forschungs- und Beratungstätigkeit zur Untersuchung abfluss- und bodenschutzbezogener Fragestellungen. In einem Forschungsprojekt wurden in der Entwicklung befindliche Prozesskomponenten des Modells EROSION 3D bezüglich der Simulation des hochwasserrelevanten Oberflächenabflusses geprüft. In drei sächsischen Einzugsgebieten wurden der Mehrschicht-Infiltrationsansatz und der Abflussretentions- und -translationsansatz der EROSION 3D-Versionen 3.11 und 3.14 anhand realer Niederschlags-Abfluss-Ereignisse getestet. Gleichzeitig werden Möglichkeiten einer Weiterentwicklung aufgezeigt, um eine operationalisierte Nutzung des Modells in der planerischen Praxis in Zukunft im Bereich der Oberflächenabflussabschätzung zu ermöglichen. Das primäre Ziel der Validierung lag in der Aufdeckung von Modellsensitivitäten und möglichen Fehlerquellen, die entweder durch die Parametrisierung, die Prozessabbildung oder unvollständiges Anwenderwissen bedingt sind. Ein weiterer Schwerpunkt lag in der Optimierung der Modellergebnisse durch Verbesserung der Eingangsdaten. Das vorliegende Heft der Schriftenreihe enthält die Ergebnisse des Forschungsprojektes und wendet sich vorrangig an Anwender des Programms EROSION 3D

Szenarienkarten Wassererosion in Sachsen: Erarbeitung und Bereitstellung von Szenarienkarten Wassererosion mit EROSION-3D für Ackerflächen Sachsens

Mithilfe des Modells EROSION-3D wurden für sämtliche Ackerflächen Sachsens Erosionsszenarienkarten erstellt. Der vorliegende Band der Schriftenreihe dient der Dokumentation der Modellierungen. Fachnutzer und interessierte Privatpersonen erhalten so die Möglichkeit, sich mit der Methodik und den zugrundeliegenden Modellannahmen vertraut zu machen. Die Szenarienkarten selbst sind im Portal iDA abrufbar in der Rubrik „Landwirtschaft“ > „Erosionsgefährdung Landwirtschaftliche Nutzflächen“ > „Erosionsszenarienkarten Modell EROSION 3D“. Redaktionsschluss: 31.08.202

Berechnung von Schneeschmelze und Wintererosion im Kleineinzugsgebiet „Schäfertal“ mit dem Modell Erosion 3D/Winter Version

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 5

The application of two physically-based erosion models in small catchments: A case study of the Myjava Hill Land, Slovakia

Modelling of water erosion to identify areas which are endangered of potential soil loss and to estimate the intensity of processes at different scales. Evaluation of potential soil water erosion in two small catchment using eight scenarios of initial soil moisture for three different crops – fallow, silage corn and winter wheat. Estimate the potential soil water erosion during the real measured rainfall event. Taking advanatge of two physically-based erosion models Erosion-2D and Erosion-3D and compare the calculations

Analyse Geländemodell für die Erosionsbewertung

Bisherige Auswertungen der Erosionsgefährdung stützen sich auf das landesweit verfügbare Digitale Geländemodell (DGM) mit einer Rasterweite von 20 m (DGM20). Das neu erstellte DGM2 bietet durch seine Rasterweite von 2 m erstmalig eine sehr hohe räumliche Auflösung. In Testgebieten wurden die Auswirkungen der neuen Datengrundlage DGM2 (Laserscanbefliegung) auf die Erosionsgefährdungsbewertung analysiert. Verschiedene DGM-Aufbereitungsverfahren sowie DGM-Rasterweiten wurden im Hinblick auf die Erosionsmodelle Erosion-3D und ABAG (Allgemeine Bodenabtragsgleichung) getestet. ABAG und Erosion-3D reagierten zum Teil unterschiedlich empfindlich auf die verschiedenen DGM-Varianten

Phosphoreinträge durch Erosion in Sachsen

Im Projekt wurde eine Methodik entwickelt, um mit dem Modell EROSION 3D sachsenweit für erosionsauslösende Starkniederschlagsszenarien den partikelgebundene Phosphoreintrag in Oberflächenwasserkörper abzuschätzen. Mit dieser Abschätzung und der Identifikation wassererosionsgefährdeter Ackerflächen bzw. Feststoffeintragspfade in Gewässer lassen sich zur erfolgreichen Umsetzung der EU-Wasserrahmenrichtlinie zielgerichtete Maßnahmen zum Erosionsschutz ableiten. Die Modellierungen mit EROSION 3D zeigen, dass eine konsequente Umstellung auf konservierende Bodenbearbeitung die P-Austräge in Sachsen signifikant um 80-90 % senken würde. Die Projektergebnisse liefern wichtige Grundlagen zur P-Anreicherung im Feinbodenanteil von Ackerböden und geben einen Einblick in das Prozessverständnis der partikelgebundenen P-Austragsdynamik