Erfassung und Modellierung der Schneeschmelzerosion am Beispiel der Kleineinzugsgebiete Schäfertal (Deutschland) und Lubazhinkha (Russland)

• Main Author: Ollesch, Gregor
• Other Authors: Schmidt, Jürgen, Fohrer, Nicola, Meißner, Ralph, Gerold, Gerhard, TU Bergakademie Freiberg, UFZ - Helmholtz Zentrum für Umweltforschung
• Format: Doctoral or Postdoctoral Thesis
• Language: German
• Published: 2010
• Subjects: info:eu-repo/classification/ddc/550; ddc:550; Bodenerosion; Schneeschmelze; Kleineinzugsgebiet; Erosionsmodell IWAN; Klimaszenarien; soil erosion; snowmelt; small catchments; ersion model IWAN; climate scenarios; Boden; Mengen; Norway; Russland; taiga
• Online Access: https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:bsz:105-qucosa-37912; https://tubaf.qucosa.de/id/qucosa%3A22724; https://tubaf.qucosa.de/api/qucosa%3A22724/attachment/ATT-0/

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)