Matthias Kuhnert

• Die Zielsetzung der vorliegenden Arbeit ist die Beschreibung hydrophober Bodeneigenschaften und deren Auswirkungen auf Oberflächenabfluss und Erosion auf verschiedenen Skalen. Die dazu durchgeführten Untersuchungen fanden auf einer Rekultivierungsfläche im Braunkohlegebiet Welzow Süd (Südostdeutschland) statt. Die Prozesse wurden auf drei Skalen untersucht, die von der Plotskala (1m²) über die Hangskala (300m²) bis zur Betrachtung eines kleinen Einzugsgebietes (4ha) reichen. Der Grad der hydrophoben Bodeneigenschaften wurde sowohl direkt, über die Bestimmung des Kontaktwinkel, als auch indirekt, über die Bestimmung der Persistenz, ermittelt. Dabei zeigte sich, dass der Boden im Winterhalbjahr hydrophil reagierte, während er im Sommerhalbjahr hydrophobe Bodeneigenschaften aufwies. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass ansteigende Bodenwassergehalte, die in der Literatur häufig als Ursache für einen Wechsel der Bodeneigenschaften angegeben werden, auf dieser Fläche nicht zu einem Umbruch der Bodenbedingungen führen. Stattdessen kam esDie Zielsetzung der vorliegenden Arbeit ist die Beschreibung hydrophober Bodeneigenschaften und deren Auswirkungen auf Oberflächenabfluss und Erosion auf verschiedenen Skalen. Die dazu durchgeführten Untersuchungen fanden auf einer Rekultivierungsfläche im Braunkohlegebiet Welzow Süd (Südostdeutschland) statt. Die Prozesse wurden auf drei Skalen untersucht, die von der Plotskala (1m²) über die Hangskala (300m²) bis zur Betrachtung eines kleinen Einzugsgebietes (4ha) reichen. Der Grad der hydrophoben Bodeneigenschaften wurde sowohl direkt, über die Bestimmung des Kontaktwinkel, als auch indirekt, über die Bestimmung der Persistenz, ermittelt. Dabei zeigte sich, dass der Boden im Winterhalbjahr hydrophil reagierte, während er im Sommerhalbjahr hydrophobe Bodeneigenschaften aufwies. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass ansteigende Bodenwassergehalte, die in der Literatur häufig als Ursache für einen Wechsel der Bodeneigenschaften angegeben werden, auf dieser Fläche nicht zu einem Umbruch der Bodenbedingungen führen. Stattdessen kam es als Folge des Auftauens von gefrorenem Boden zu hydrophilen Bodeneigenschaften, die zu einem Anstieg des Bodenwassergehalts führten. Räumliche Unterschiede zeigten sich in den geomorphologischen Einheiten. Rinnen und Rillen wiesen seltener hydrophobe Eigenschaften als die Zwischenrillenbereiche und Kuppen auf. Diese räumlichen und zeitlichen Variabilitäten wirkten sich auch auf den Oberflächenabfluss aus, der als Abflussbeiwert (ABW: Quotient aus Abfluss und Niederschlag) untersucht wurde. Der ABW liegt auf Böden mit hydrophoben Bodeneigenschaften (ABW=0,8) deutlich höher als bei jenen mit hydrophilen Eigenschaften(ABW=0,2), wie sie im Winter oder auf anderem Substrat vorzufinden sind (diese Werte beziehen sich auf die Plotskala). Betrachtet man die Auswirkungen auf unterschiedlichen Skalen, nimmt der Abflussbeiwert mit zunehmender Flächengröße ab (ABW = 0,8 auf der Plotskala, ABW = 0,5 auf der Hangskala und ABW = 0,2 im gesamten Gebiet), was in den hydrophil reagierenden Rillen und Rinnen auf der Hangskala und dem hydrophilen Substrat im Einzugsgebiet begründet ist. Zur Messung der Erosion wurden verschiedene, zum Teil neu entwickelte Methoden eingesetzt, um eine hohe zeitliche und räumliche Auflösung zu erreichen. Bei einer neu entwickelten Methode wird der Sedimentaustrag ereignisbezogen über eine Waage bestimmt. In Kombination mit einer Kippwaage ermöglicht sie die gleichzeitige Messung des Oberflächenabflusses. Die Messapparatur wurde für Gebiete entwickelt, die eine überwiegend grobsandige Textur aufweisen und nur geringe Mengen Ton und Schluff enthalten. Zusätzlich wurden zwei Lasersysteme zur Messung der räumlichen Verteilung der Erosion eingesetzt. Für die erste Methode wurde ein punktuell messender Laser in einer fest installierten Apparatur über die Fläche bewegt und punktuell Höhenunterschiede in einem festen Raster bestimmt. Durch Interpolation konnten Bereiche mit Sedimentabtrag von Akkumulationsbereiche unterschieden werden. Mit dieser Methode können auch größere Flächen vermessen werden (hier 16 m²), allerdings weisen die Messungen in den Übergangsbereichen von Rinne zu Zwischenrille große Fehler auf. Bei der zweiten Methode wird mit einer Messung ein Quadratmeter mit einer hohen räumlichen Auflösung komplett erfasst. Um ein dreidimensionales Bild zu erstellen, müssen insgesamt vier Aufnahmen von jeweils unterschiedlichen Seiten aufgenommen werden. So lassen sich Abtrag und Akkumulation sehr genau bestimmen, allerdings ist die Messung relativ aufwendig und erfasst nur eine kleine Fläche. Zusätzlich wurde der Sedimentaustrag noch auf der Plotskala erfasst. Die Messungen zeigen, korrespondierend zu den Bodeneigenschaften, große Sedimentausträge während des Sommerhalbjahrs und kaum Austräge im Winter. Weiterhin belegen die Ergebnisse eine größere Bedeutung der Rillenerosion gegenüber der Zwischenrillenerosion für Niederschlagsereignisse hoher Intensität (>25 mm/h in einem zehnminütigem Intervall). Im Gegensatz dazu dominierte die Zwischenrillenerosion bei Ereignissen geringerer Intensität (<20 mm/h in einem zehnminütigem Intervall), wobei mindestens 9 mm Niederschlag in einer Intensität von mindesten 3,6 mm/h nötig sind, damit es zur Erosion kommt. Basierend auf den gemessenen Abflüssen und Sedimentausträgen wurden Regressiongleichungen abgeleitet, die eine Berechnung dieser beiden Prozesse für die untersuchte Fläche ermöglichen. Während die Menge an Oberflächenabfluss einen starken Zusammenhang zu der Menge an gefallenem Niederschlag zeigt (r² = 0,9), ist die Berechnung des ausgetragenen Sedimentes eher ungenau (r² = 0,7). Zusammenfassend beschreibt die Arbeit Einflüsse hydrophober Bodeneigenschaften auf verschiedenen Skalen und arbeitet die Auswirkungen, die vor allem auf der kleinen Skala von großer Bedeutung sind, heraus.…
• The objective of the thesis is the investigation of water repellent soil conditions and their consequences on surface runoff and erosion by water on different scales. The test site is a lignite mining area situated in Welzow Süd (south east Germany). The processes are to investigate on three different scales, starting with a plot scale (1 m²), then a hill slope scale (300 m²) and, finally, with a small catchment area (4 ha). The level of water repellency was quantified by both direct (contact angle) and indirect measurement (persistence of the soil). The results show seasonal differences with hydrophilic soil conditions during winter and water repellent reactions during summer. For this change in soil conditions, the soil water content is pronounced in literature to be the most important factor. On the test site, the soil water content changed instead as a consequence of the thawing of the soil which affects the hydrophilic conditions of the soil itself. The spatial differences of the soil water content are related to rill and channelThe objective of the thesis is the investigation of water repellent soil conditions and their consequences on surface runoff and erosion by water on different scales. The test site is a lignite mining area situated in Welzow Süd (south east Germany). The processes are to investigate on three different scales, starting with a plot scale (1 m²), then a hill slope scale (300 m²) and, finally, with a small catchment area (4 ha). The level of water repellency was quantified by both direct (contact angle) and indirect measurement (persistence of the soil). The results show seasonal differences with hydrophilic soil conditions during winter and water repellent reactions during summer. For this change in soil conditions, the soil water content is pronounced in literature to be the most important factor. On the test site, the soil water content changed instead as a consequence of the thawing of the soil which affects the hydrophilic conditions of the soil itself. The spatial differences of the soil water content are related to rill and channel areas (hydrophillic) and to knoll areas (water repellent). Both the spatial as well as the temporal variation of the soil conditions affect surface runoff which is investigated as a runoff coefficient (RC: ratio of amount of surface runoff to amount of precipitation). The RC shows higher values on soil with water repellent conditions (RC=0.8) in comparison with the values on hydrophilic soils (RC=0.2). The hydrophilic conditions predominate in areas with different substrates and during the winter. Observations on different scales show a decreasing RC as the size of the area increases (RC = 0.8 on the plot scale, RC = 0.5 on the hill slope scale and RC = 0.2 for the entire catchment area). The reasons for this are the hydrophilic rill in the hill slope area and the hydrophilic substrate in the entire catchment area. The measurement of erosion, based on different methods, some of them just newly developed, quantifies in a good resolution sediment transport spatially as well as temporally. The central part of one of the newly developed approaches is a balance which quantifies an event based sediment output. This approach is coupled with a tipping bucket to measure surface runoff. The system has been developed for coarse textured areas with little amounts of sand and silt. Additionally, two laser systems are used to detect changes in the soil surface over the spatial distribution. The first method contains a laser which measures only a single point and has to be moved in a fixed apparatus above the soil surface in a well defined raster. The areas of sediment abrasion and the detachment areas are restricted by interpolation of the measurement results. This method enables measurements on large areas (16 m² in this project), but tends to result in a high level of errors in the transition zone between rill and interrill. The second laser system covered an area of 1 m² in high resolution. To construct a three-dimensional picture, four different pictures have to be taken from four different directions. This defines the abrasion and detachment areas in a very detailed manner, but the method is very time-consuming and covers only a small area. In addition, measurements on the plots collected the amount of sediment output on a small scale. These results show, corresponding to the water repellent soil conditions, high rates of sediment output during summer, but low rates during winter season. The results show also the dominance of rill erosion in comparison with interrill erosion during high intensity rainfall events (>25 mm/h during one interval of ten minutes). On the contrary, interrill erosion becomes more important during low intensity rainfall events (<20 mm/h during at one interval of ten minutes). At least a 9 mm amount of precipitation with a minimum intensity of 3.6 mm/h is necessary to provoke erosion on this test site. Based on the measurement results regression empirical equations were developed to quantify surface runoff and sediment output. While, surface runoff correlates well with the amount of precipitation (r² = 0,9), sediment output shows little correlation to the amount and intensity of the precipitation (r² = 0,7). In summary, the thesis described effects of water repellent soil conditions on surface runoff and erosion on different scales. The effects on the smaller scales especially are of high interest to hydrological processes.…