Modellierung der linearen Erosion und des Risikos von Partikeleinträgen in Gewässer Entwicklung und Anwendung von entscheidungsbasierten Modellen zur flächenhaften Prognose der linearen Erosionsaktivität und des Gewässeranschlusses von Ackerflächen (Niedersachsen und Nordwestschweiz) Von der Naturwissenschaftlichen Fakultät der Gottfried Wilhelm Leibniz Universität Hannover zur Erlangung des Grades Doktor der Naturwissenschaften Dr. rer. nat. genehmigte Dissertation von Dipl.-Geogr. Jan Fabian Bug Geboren am 31. Oktober 1980 in Hannover Referent: Prof. Dr. Thomas Mosimann Korreferent: Prof. Dr. Gerald Kuhnt Tag der Promotion: 02.11.2011 I Vorwort Diese Arbeit entstand am Institut für Physische Geographie und Landschaftsökologie der Naturwissenschaftlichen Fakultät der Gottfried Wilhelm Leibniz Universität Hannover. Besonderer Dank gilt meinem Doktorvater Herrn Prof. Dr. Thomas Mosimann für die intensi- ve Betreuung. Mit großem Interesse verfolgte er stets den Fortgang und die Ergebnisse dieser Arbeit. Für die Übernahme des Koreferates danke ich Herrn Prof. Dr. Gerald Kuhnt ganz herzlich. Dank gebührt dem Niedersächsischen Landesamt für Bergbau, Energie und Geologie (LBEG) und dort besonders Herrn Dr. Heinrich Höper sowie Herrn Dr. Walter Schäfer, die als Auftraggeber für die Erosionsdauerbeobachtung in Niedersachsen immer mit Interesse das Projekt unterstützt und damit die Ergebnisse dieser Arbeit ermöglicht haben. Herrn Dr. Roland Bono (Amt für Umweltschutz und Energie des Kantons Basel-Landschaft, Schweiz) und Herrn Pascal Simon (Landwirtschaftliches Zentrum Ebenrain, Kanton Basel-Landschaft) möchte ich für die Hilfestellungen bei der Erstellung der Boden- und Gewässergefährdungs- karten in der Nordwestschweiz danken. Ein großes Dankeschön gebührt meiner Frau Inga, die mir jederzeit hilfreich zur Seite stand und die umfassende Korrekturarbeiten durchgeführt hat. Meiner Familie möchte ich ganz herzlich für die Unterstützung danken. Dank gilt auch Frau Dr. Sandra Sanders, die mein Interesse für das Thema Bodenerosion geweckt hat und mir viele Tipps nach der ersten Durchsicht dieser Arbeit geben konnte. Gedankt sei auch den vielen fleißigen Helfern bei der Erosionsdauerbeobachtung in Nieder- sachsen, vor allem den „Veteranen“ Heiko van Wensen und Frank Beisiegel. Für spannende Gespräche und für die vielen kleinen Hilfestellungen möchte ich meinen Kollegen Philipp Herbst, Dr. Jens Groß, Dr. Uwe Meer und Bastian Steinhoff danken. Hannover, im Dezember 2011 Jan Fabian Bug II Kurzzusammenfassung Bodenerosion durch Wasser führt zum Abtrag von Feinerde auf Ackerflächen und zum Ein- trag von Partikeln in angrenzende Gewässer. Zur Abschätzung des Prozesses steht bereits eine Vielzahl von Modellen zur Verfügung. Diese weisen aber häufig eine komplizierte und nicht nachvollziehbare Struktur auf und benötigen eine große Anzahl von Eingangsdaten. Für bestimmte Prozessteile, wie die lineare Erosion, stehen nur wenig überzeugende Lösun- gen zur Verfügung. Damit die Abschätzung von linearer Bodenerosion und Gewässereintrag vereinfacht wird und nur mit wenigen leicht verfügbaren Eingangsdaten durchführbar ist, werden in dieser Arbeit zwei Modelle konzipiert, eingesetzt und validiert. Das Modell LINERO dient der Abschätzung der Intensität und Lage von LINearen EROsionsformen. Die Prognose der unterschiedlichen Prozesskomponenten der linearen Erosion erfolgt mit gesonderten entscheidungsbaumbasierten GIS-gestützten Submodellen. Für die Erstellung des Modells LINERO entstehen durch eine umfangreiche, räumliche Aus- wertung von vorhandenen Daten aus der Erosionsdauerbeobachtung in Niedersachsen Schadenskarten der linearen Erosion. Aus einem Geländemodell und der Schlagstruktur werden Prädiktoren abgeleitet, die mit Hilfe von empirisch-statistischen und wissensbasier- ten Methoden mit den Messwerten verglichen werden. Zur Prognose der linearen Erosions- aktivität in Fahrspuren, in Vorgewenden und in Tiefenlinien werden Entscheidungsbäume erarbeitet und die Prädiktoren implementiert. Die Validierung des Modells LINERO konnte in drei Gebieten der Erosionsdauerbeobach- tung in Niedersachsen durchgeführt werden. Sie zeigt einen insgesamt guten Zusammen- hang zwischen der prognostizierten und der tatsächlich aufgenommenen Erosionsaktivität. Das Modell MOGWAF (MOdell zur Bestimmung des GeWässerAnschlusses erosionsaktiver Flächen) dient der Ausweisung von Ackerflächen, von denen das Risiko des Stoffeintrages durch Bodenerosion in Gewässer ausgeht. Grundlage des Modells sind empirische Daten der Erosionsdauerbeobachtung in Niedersachsen. Für die Vorhersage des Gewässeran- schlusses von Ackerflächen benötigt das GIS-Modell nur wenige, allgemein verfügbare Eingangsdaten. Durch die Integration der Ergebnisse können gängige Erosionsgefährdungs- karten um den Aspekt der Gewässergefährdung erweitert werden. Diese Information ist im Hinblick auf die EU-Wasserrahmenrichtlinie und die Vorgaben der Cross Compliance- Richt- linien von hoher Bedeutung für den Gewässerschutz und die landwirtschaftliche Beratung. Mit Hilfe der Ergebnisse von beiden Modellen können Maßnahmen zum Schutz des Bodens und der Gewässer effizient geplant werden. Durch die gezielte Verortung von Hotspots der linearen Erosionsaktivität lassen sich Maßnahmen in diesen Bereichen konzentrieren. MOGWAF zeigt Flächen, auf denen Präventionsmaßnahmen sowohl dem Schutz des Bo- dens als auch der Gewässer dienen. Damit lassen sich gezielt wirkungsvolle Maßnahmen ergreifen, die Kosten sparen und die Akzeptanz der Akteure erhöhen. Stichworte: Bodenerosion, Rillenerosion, Gewässereintrag, Modellierung, Geographische Informationssysteme, Erosionsschutzmaßnahmen III Abstract The redistribution of soil within the field and sediment yield has a major effect on soil erosion. A great number of models can predict soil loss, but they often have a complex and incom- prehensible structure and require a large number of input data. For example, rill erosion cannot be predicted properly by any of these models. To simplify the prediction of rill erosion and sediment yield, two models have been designed and validated. The model LINERO (linear erosion) predicts the location of erosion forms and the soil loss due to rill erosion. The model consists of five decision trees, which predict the different forms of rill erosion with GIS-based sub models. The empiric basis of LINERO is the long-term monitoring of erosion in Lower Saxony. With empirical-statistical and knowledge based me- thods, predictors are derived from a Digital Elevation Model (DEM) and a plot structure to estimate linear erosion. LINERO was validated in three independent long-term monitoring sites. The correlation between the predicated and measured soil erosion is good. The introduced model MOGWAF locates field plots that have a risk of sediment yield through soil erosion. The empirical basis is derived from ten years of soil erosion monitoring in Lower Saxony. To predict the sediment yield risks, the GIS-based model requires just a few input datasets which are widely available. The integration of the results of MOGWAF in erosion risk maps could notably improve soil and water conservation planning. The results of MOGWAF could help fulfill the requirements of the EU-Water Framework Directive and the EU Cross Compliance Directive. The results of both models can be used to plan soil erosion measures more efficiently. They can localize priority areas requiring measures to control rill erosion. MOGWAF locates areas where control measures can protect both soil and water. Both models can help cut costs and can improve soil conservation strategies. Key Words: Soil erosion, rillerosion, sediment yield, Modelling, Geographic Information Systems, Conservation planning IV Inhaltsverzeichnis Vorwort .................................................................................................................................... I Kurzzusammenfassung ............................................................................................................ II Abstract ................................................................................................................................... III Inhaltsverzeichnis ................................................................................................................... IV Verzeichnis der Abbildungen ................................................................................................. VII Verzeichnis der Tabellen ......................................................................................................... X 1 Einleitung ......................................................................................................................... 1 1.1 Problemstellung .......................................................................................................... 1 1.2 Zielsetzung ................................................................................................................. 3 1.3 Konzept der Arbeit ...................................................................................................... 5 1.4 Untersuchungsgebiete ............................................................................................... 7 1.4.1 Die Untersuchungsgebiete der Erosionsdauerbeobachtung und die Gebiete für die Entwicklung und Validierung von LINERO ............................................... 7 1.4.1.1 Lamspringe ................................................................................................ 8 1.4.1.2 Barum ........................................................................................................