Einfluss von Regenmustern auf Splash-Erosion von sandigem Lehm.

Die Wirkung unterschiedlich intensiver Regenereignisse auf Splash-Erosion ist noch nicht genau bekannt. Um diese zu untersuchen, wurde sandiger Lehm in einem Laborversuch durch einen Starkregensimulator mit zunehmender, abnehmender oder konstanter Regenintensität beregnet. Alle Intensitätsabfolgen wiesen im Mittel eine Regenintensität von 24,7 mm h⁻¹ auf und bestanden aus drei Intensitätsstufen mit einer Beregnungsdauer von je 20 min. Der ausschließlich durch Splash-Erosion abgetragene Boden wurde nach jeder Beregnungsphase gesammelt. Die Ergebnisse zeigen, dass Regenereignisse mit hoher Intensität am Anfang zu 32 % mehr Splash-Erosion führen als jene mit maximaler Intensität am Ende. Die kumulativ wirkende kinetische Energie der Regentropfen, verstärkt durch einen dünnen Wasserfilm auf den Proben, führt dazu, dass die Splash-Erosion am Ende einer Simulation stärker wirkt als zu Beginn. Aus den Untersuchungsergebnissen kann zudem durch Extrapolation der Regressionsgeraden eine minimale Regenintensität zwischen 10 mm h⁻¹ und 15 mm h⁻¹ zur Erzeugung von Splash-Erosion angenommen werden.

Summary: There are still uncertainties in defining the impact of different rainfall intensities on splash erosion. To explore them, a laboratory study with a rainfall simulator has been conducted with an increasing, decreasing and a constant rainfall intensity. The simulated rain has been applied on a sandy loam soil. All patterns had an average rainfall intensity of 24.7 mm h⁻¹ and consisted of three intensity levels which were applied for 20 min per level. The eroded soil was collected after each intensity level. The decreasing rainfall pattern led to 32% more splash erosion than the increasing one. Splash erosion was more intense, applied at the end of a simulation, due to the cumulative effect of the raindrop's kinetic energy and a thin water layer. By extrapolation of the linear regression, a minimum rainfall intensity to initiate splash erosion can be accepted between 10 mm h⁻¹ and 15 mm h⁻¹.

Keywords: Bodenerosion; Spritzerosion; Regenintensität; Regensimulator; Morgan splash cups; Soil erosion; splash erosion; rainfall intensity; rainfall simulator

Splash-Erosion ist ein Teilprozess der Bodenerosion durch Wasser und findet am Anfang der Wirkungskette eines erosiven Regenereignisses statt ([24]; [14]). Unter dem Begriff „Splash-Erosion" versteht man das Loslösen und Transportieren von Bodenteilchen sowie das Zerkleinern von Aggregaten durch den Aufprall der Regentropfen ([5]). Das Destabilisieren und Lösen der Aggregate erfolgt durch Aufquellen von Tonpartikeln in den Aggregaten, durch Luftsprengung und Dispersion sowie durch die von der kinetischen Energie der Regentropfen hervorgerufene mechanische Zerstörung ([2]; [5]). Ein wichtiges Charakteristikum der kinetischen Energie der Regentropfen ist, dass ihr Einfluss von der aufgebrachten Gesamtenergie abhängt, die sich im Laufe des Niederschlagsereignisses aufsummiert ([5]).

Oberflächenabfluss oder ein Wasserfilm auf der Bodenoberfläche sind Erscheinungen, die häufig im weiteren Verlauf eines Starkregenereignisses auftreten. Sie verstärken die Wirkung der Regentropfen auf den Boden und damit die Splash-Erosion bis zu einem gewissen Ausmaß ([2]; [25]). Ein Wasserfilm auf dem Boden hindert die Tropfen daran, die Energie seitlich abzuleiten. Die virtuelle Masse des Regentropfens und dadurch dessen Energie werden erhöht (Klik et al., 1999). Als kritische Höhe des Wasserfilms, bei welcher die sogenannte Planschwirkung am stärksten wirkt, hat [21] den Tropfendurchmesser vorgeschlagen. Wird der Wasserfilm noch höher, beginnt er, die kinetische Energie der Tropfen aufzunehmen. Das schützt den Boden vor Splash-Erosion ([20]; [31]).

Es wirkt eine Vielzahl natürlicher Einflussfaktoren auf Splash-Erosion, deren Wirkung von Intensität und Dauer des Regens und von deren zeitlicher Verteilung abhängt. Niederschläge mit starker Regenintensität in den ersten Minuten erzeugen nicht zwingend die gleiche Menge Erosion wie solche mit gleicher Gesamtintensität, aber dem stärksten Regen am Ende ([8]).

Dieser Zusammenhang zwischen Variationen der Intensität während eines Regenereignisses und der zeitlichen Verteilung von Splash-Erosion ist noch nicht bekannt ([8]). Variationen in natürlichen Regenereignissen beeinflussen die Splash-Erosion, diese Spektren sollten in Regensimulationen reproduziert werden ([8]).

Ziele dieser Studie waren zu untersuchen, wie sich unterschiedliche Intensitätsverteilungen auf die Splash-Erosion auswirken und welchen Einfluss die Bodenfeuchtigkeit zu Beginn des Regenereignisses auf die Splash-Erosion besitzt. Eine weitere Frage, die sich diese Studie stellt, ist, ob es eine minimale Regenintensität gibt, ab der Splash-Erosion auftritt. Eine direkt vergleichbare Studie stammt von [23]. Sie haben in einer Abflussrinne den Einfluss fünf unterschiedlicher Intensitätsabfolgen auf unterschiedliche Formen der Erosion untersucht. Bei allen verwendeten Böden haben [23] die größte Menge Splash-Erosion beim Regenmuster mit zunehmender Intensität festgestellt. Bei einem sandigen Lehm hat die Beregnung mit zunehmender Intensität in ihren Untersuchungen zu 18 % mehr Splash-Erosion geführt als die Beregnung mit abnehmender Intensität. Die Ergebnisse korrelieren mit anderen, allerdings nicht direkt mit dieser Studie vergleichbaren Veröffentlichungen ([16]; [19]; [26]).

In Bezug auf die Frage nach einer minimalen Regenintensität zur Erzeugung von Splash-Erosion ist eine Studie von [32] relevant. Sie kamen mit einem vergleichbaren Boden zu dem Ergebnis, dass es einen solchen Grenzwert gibt. Laut ihren Ergebnissen liegt dieser bei 18,94 mm h−1.

In der vorliegenden Studie wird Splash-Erosion mit einem Starkregensimulator untersucht. Regensimulatoren können zwar nicht exakt die natürlichen Verhältnisse widerspiegeln ([6]), trotzdem ist dieses Instrument für die Versuche in dieser Arbeit unverzichtbar, da ohne Langzeitversuche gezielt die Abfolgen unterschiedlicher Regenintensitäten simuliert und miteinander verglichen werden können.

In Versuchen mit Regensimulatoren werden häufig Niederschläge mit sehr hohen Intensitäten (>39,6 mm h−1) ([30]; [2]) simuliert. Die Reproduktion von Tropfen mit ausreichend hoher kinetischer Energie bei realistischer Tropfengrößenverteilung ist vor allem bei niedrigen Intensitäten schwierig ([23]). Wegen ihres häufigen Vorkommens sollten sie jedoch mehr Aufmerksamkeit bekommen ([6]). Die kinetische Energie eines Niederschlagsereignisses wird von Tropfengröße und Fallgeschwindigkeit der Tropfen sowie ihrer Verteilung beeinflusst. Regensimulatoren erzeugen die Tropfen häufig mit Düsen. Die Fallgeschwindigkeit wird dabei von der Fallhöhe der Tropfen und vom Austrittsdruck an den Düsen bestimmt. Wird der Druck an der Düse verringert, nimmt der Tropfendurchmesser zu und die Geschwindigkeit ab, bei einer Erhöhung des Austrittsdruckes ist das Gegenteil der Fall ([8]).

Es werden drei Intensitätsabfolgen eines im Mittel starken Regens (15–39,6 mm h−1) ([30]; [2]) auf einen sandigen Lehm angewandt. Jede Abfolge besteht aus drei Intensitätsstufen von je 20 min Dauer. Der Bodenabtrag wird nach jeder 20-minütigen Beregnungsphase gesammelt und stammt nur aus Splash-Erosion. Dadurch können erstmals detaillierte Daten über die Splash-Erosionsraten eines typischen landwirtschaftlich genutzten Bodens während eines Regenereignisses mit variabler Intensität erhoben werden und darüber hinaus auch der Verlauf des Bodenabtrags abgebildet werden.

Die Probenahme des verwendeten Bodens erfolgte 30 Monate vor Versuchsbeginn am Standort 16°32′46.07″E, 49°25′46.46″N im mittelböhmischen Býkovice aus den oberen 10 cm des Ah-Horizontes eines Cambisol. Der Standort ist landwirtschaftlich genutzt und wurde nach der Vorbereitung des Saatbettes beprobt. Die Ergebnisse der Laboranalysen aus [3] in Tabelle 1 zeigen, dass der verwendete Boden aufgrund der Korngrö-ßenverteilung nach Bodenkundlicher Kartieranleitung als Sl4, als stark lehmiger Sand, einzustufen ist ([1]). Die Aggregatstabilität wurde im Vorfeld der Versuche mithilfe eines Tauchsiebverfahrens nach [13] untersucht. Der Boden weist eine hohe Aggregatstabilität auf, verglichen mit anderen Böden mit ähnlicher Korngrößenverteilung und ähnlichem Gehalt an organischem Kohlenstoff ([31]).

Tabelle 1 Einige physikalische und chemische Bodeneigenschaften nach [3] Table 1. Some physical and chemical soil properties ([3])

Vor den Versuchen wurde der lufttrockene Boden ohne Zerstörung der Aggregate auf < 11,2 mm gesiebt. Mit dem so vorbereiteten Boden wurden die Probenzylinder mit einer Genauigkeit von ± 5 g randvoll mit Boden gefüllt. Die Lagerungsdichte der Proben wurde anhand der Bodenmasse und des Volumens der Probenzylinder (V = 471,2 cm3) berechnet. Um eine möglichst gleichmäßige Verteilung der Aggregate auf der Bodenoberfläche zu erzielen, wurde der Boden in mehreren Lagen eingebaut und durch vorsichtige Stechbewegungen mit einem Edelstahlspieß (Durchmesser: 1 mm) verdichtet, um eine annähernd gleiche Trockendichte wie im Feld zu erlangen. Die Probenzylinder haben einen Innendurchmesser von 10 cm, die exponierte Probenfläche beträgt 78,5 cm2. An der Unterseite der Probenzylinder befinden sich 55 Löcher mit einem Durchmesser von 5 mm, über die zwei Kunststoffnetze (500 und 1000 μm) in den Probenzylinder gelegt werden. Die abgedeckten Löcher garantieren den Abfluss des infiltrierten Wassers bei minimalem Bodenverlust.

Die Durchführung der Experimente erfolgte mit einem „Norton Ladder Type"-Regensimulator des U. S. National Soil Erosion Research Laboratory ([17]). Dieser wurde eine halbe Stunde vor Versuchsbeginn im Leerlauf eingeschaltet, um die Luft aus dem Wasserkreislauf zu entfernen und so einen möglichst konstanten Betrieb zu gewährleisten. Die wichtigsten Elemente des Versuchsaufbaus sind in Abbildung 1 zu sehen. Ein Steuergerät regelt die Dauer des Versuchsvorgangs und die Oszillationsfrequenz der Veejet 80100 Flachstrahldüsen (1; Die Nummern verweisen auf die in Abbildung 1 dargestellten Bauteile). An zwei Motoren (2) ist je eine Achse mit zwei Düsen befestigt. Der Achsenabstand beträgt 0,75 m. Die Geschwindigkeit der Motoren ist so gewählt, dass ein Schwenkvorgang über die Untersuchungsfläche < 0,5 s dauert ([17]). Die beiden Achsen schwenken immer um die Hälfte der Oszillationsfrequenz zeitversetzt. Eine Kreiselpumpe fördert kontinuierlich Wasser aus dem mit entionisiertem Wasser gefüllten Wasserbehälter (3) in die Düsen. Mithilfe eines Druckreduzierventils wird ein Überdruck von 0,45 bar an der Düse eingestellt ([17]), wodurch Tropfen mit einem mittleren Durchmesser von 1,1 mm produziert werden ([27]). Das entspricht in etwa der Tropfengröße natürlicher Regenereignisse derselben mittleren Intensität ([30]). Im Leerlauf sind alle Düsen zur Seite gedreht, das Wasser läuft in die Edelstahlbox unterhalb der Flachstrahldüse und von dort wieder zurück in den Wasserbehälter. Nur während des Schwingens passiert der Wasserstrahl die 20 × 30 cm große Öffnung einer Edelstahlbox. Der dadurch erzeugte simulierte Regen fällt in die neun ohne Neigung platzierten Morgan splash cups (4) und auf die neun darin platzierten, ebenfalls nicht geneigten, Probenzylinder (5). Die Morgan Splash cups haben einen Innendurchmesser von 45,5 cm. Die durchschnittliche Regenintensität, die auf die Morgan splash cups und somit auf die Probenzylinder trifft, variiert aufgrund der Position unter den Düsen. Der vertikale Abstand zwischen den Düsen und den Probenzylindern beträgt 2,4 m. Das gelöste Sediment soll vollständig aus der Splash-Erosion hervorgehen, es soll kein Oberflächenabfluss stattfinden. Dies wird durch die optische Auswertung einer Fotodokumentation überprüft, für die jede Probe nach jeder 20-minütigen Beregnungsphase fotografiert wird. Über ein Rohr gelangen das in den Morgan Splash cups gesammelte Wasser und der abgetragene Boden in den Kollektor (6). Der Kollektor ist wasserdicht verschlossen, sodass Wasser und Sediment nur aus dem jeweiligen Morgan splash cup in den Eimer fließen können. Eine detaillierte Beschreibung der Morgan Splash cups und der Probenzylinder ist in [32] zu finden.

Graph: Abbildung 1 Der Regensimulator von obenFigure 1. The rainfall simulator from above

Ziel war es, starken Regen (15–39,6 mm h−1) ([30]; [2]) mit einer Dauer von 60 Minuten zu simulieren, dessen Regenintensität im Laufe der Beregnung variiert. Zu diesem Zweck wurde die Versuchsdauer von 60 Minuten in drei Abschnitte mit jeweils 20 Minuten gleichbleibender Beregnungsintensität unterteilt. Es wurden drei Szenarien simuliert: Ein Regenereignis mit konstanter, eines mit zunehmender und eines mit abnehmender Intensität. In Abbildung 2 sind die drei Settings dargestellt. Die niedrigste Intensitätsstufe hatte je nach Position des Morgan Splash cups unter dem Regensimulator eine Intensität zwischen 9,1 und 19,4 mm h−1, im Durchschnitt lag sie bei 12,2 mm h−1. Die Regenintensität der mittleren Intensitätsstufe betrug zwischen 19,0 und 37,6 mm h−1 und lag durchschnittlich bei 24,7 mm h−1. Auf der höchsten Intensitätsstufe wurde mit Intensitäten zwischen 28,7 und 57,2 mm h−1 beregnet, der Durchschnitt lag hier bei 37,6 mm h−1. Für jedes Szenario wurde für die 20-minütigen Regenintervalle die Splash-Erosion bestimmt. Hierfür wurden nach jeder 20-minütigen Beregnungsphase die Kollektoren getauscht, in denen der durch Splash erodierte Boden und das Regenwasser aus den Morgan splash cups gesammelt wurden. Um zu prüfen, ob die Unterbrechungen, die durch das Wechseln der Kollektoren entstehen, einen Einfluss auf das Ergebnis hatten, wurde die Simulation des konstanten Regenmusters (siehe Balkengrafik „konstante Intensität" in Abbildung 2) weitere dreimal wiederholt, ohne dass der Versuch unterbrochen wurde. Hierbei wurde nur die Gesamtmasse erodierten Bodens ermittelt, um diese mit dem Szenario mit konstanter Intensität zu vergleichen, bei dem mit Unterbrechung beregnet wurde. Alle Versuche in dieser Studie wurden in dreifacher Wiederholung durchgeführt.

Graph: Abbildung 2 Die drei angewandten RegenmusterFigure 2. The three applied rainfall patterns

Der Inhalt der Eimer wurde filtriert und der Filterrückstand bei 105 °C im Trockenofen bis zur Gewichtskonstanz getrocknet und gewogen. So ergibt sich das Splash-Gewicht in Gramm. Die Splash-Erosion wurde als Masse des erodierten Bodens auf die Beregnungszeit und die Oberfläche der Splash cups bezogen.

Um Ausreißer zu ermitteln, wurde ein statistischer Test nach [10] mit einem Konfidenzniveau von 95 % durchgeführt. Es sollten alle Einzelergebnisse für Splash-Erosion und Regenintensität geprüft werden. Außerdem sollte die Lagerungsdichte aller präparierten Bodenproben miteinander verglichen werden. Der Ausreißertest nach [10] prüft, ob die normalverteilte Stichprobe frei von Ausreißern ist.

Tabelle 2 zeigt die Menge abgetragenen Bodens als Mittelwert aller Positionen und Beregnungsabschnitte. Aus ihr geht hervor, dass kein signifikanter Unterschied zwischen der Beregnung mit konstanter Regenintensität und der Beregnung mit zunehmender Regenintensität besteht. Die Werte liegen zwischen 0,32 und 0,3 kg m−2 h−1. Der Unterschied ist damit kleiner als die mittlere Standardabweichung beider Werte.

Tabelle 2 Mittlere Erosionsrate aller Positionen und Phasen Table 2. Average erosion rate of all positions and phases

Ein größerer Unterschied besteht zwischen den Regenmustern mit abnehmender und konstanter Intensität. Das Setting mit abnehmender Beregnungsintensität führt zu 0,09 kg m−2 h−1 Splash-Erosion, das entspricht ca. 30 % mehr Bodenabtrag. Die statistische Auswertung der Standardabweichungen zeigt jedoch keinen Unterschied zwischen beiden Varianten.

Ein eindeutig signifikanter Unterschied bei der mittleren Splash-Erosion ist nur zwischen den Regenmustern mit abnehmender und mit zunehmender Regenintensität zu erkennen. Die Beregnung mit abnehmender Intensität führt zu einer 32 % höheren Splash-Erosion als das Regenmuster mit zunehmender Intensität. Der absolute Unterschied beträgt im Mittel 0,10 kg m−2 h−1, die Standardabweichungen betragen 0,02 kg m−2 h−1 bzw. 0,03 kg m−2 h−1. Laut einer Studie von [23] führt ein Regenereignis mit zunehmender Regenintensität zu mehr Splash-Erosion als eines mit abnehmender. Die Durchführung der Versuche von [23] erfolgte in Messrinnen, in denen ein Oberflächenabfluss gemessen wurde. Die Messrinnen beregneten sie im Mittel mit 95 mm h−1, also mit einer 2,8-mal höheren Regenintensität als in dieser Studie. Der Oberflächenabfluss, dessen Höhe nicht angegeben wurde, nahm mit zunehmender Versuchsdauer zu ([23]). Die allgemein hohen Oberflächenabflüsse mit zunehmender Versuchsdauer und die hohen Beregnungsintensitäten lassen die Vermutung zu, dass die Splash-Erosion wegen eines Wasserfilms mit der Höhe des > 3-fachen Tropfendurchmessers auf der Probenoberfläche gegen Ende der Versuche von [23] abnahm. In einer Veröffentlichung von [16], die zu einem ähnlichen Ergebnis kommt wie die von [23], wird formuliert, dass die Splash-Erosion womöglich wegen eines Wasserfilms auf der Probenoberfläche ([16]) im Laufe des Versuches abnimmt.

Bei einem Regenmuster mit abnehmender Intensität könnte dieser Effekt in den Versuchen dazu führen, dass zu Beginn hohe Splash-Mengen auftreten und wegen der Verschlämmung dann bald der Wasserfilm des Oberflächenabflusses eine Höhe erreicht, die die Splash-Erosion verringert. Bei einem Regenmuster mit zunehmender Intensität würden die Verschlämmung und das Verhindern von Splash-Erosion durch einen Wasserfilm später auftreten und insgesamt mehr Splash-Erosion zulassen. Da durch den gewählten Versuchsaufbau in dieser Arbeit kein Oberflächenabfluss stattfand, kann die Splash-Erosion relativ isoliert von anderen Erosionsformen und den damit verbundenen Auswirkungen auf Splash-Erosion betrachtet werden. Dieser Umstand vermindert jedoch die Vergleichbarkeit mit Versuchen, in denen Oberflächenabfluss (in einer Messrinne) stattfindet. So lassen sich unter den jeweiligen Versuchsbedingungen sowohl die Ergebnisse in der Literatur als auch die in dieser Arbeit als plausibel bewerten.

In Abbildung 3 sind die Mittelwerte der neun Positionen in die einzelnen 20-minütigen Beregnungsphasen aufgeteilt. Alle Regenintensitäten führten zu mehr Splash-Erosion, je später im Verlauf eines Experimentes sie angewandt wurden, d. h. je höher der Wassergehalt des Bodens war. Wurde die niedrigste Regenintensität am Ende des Versuches auf den bereits beregneten Boden angewandt, führte sie zu 2,4-mal mehr Splash-Erosion, als sie am Anfang des Versuches ergab. Die mittlere Regenintensität führte in Phase drei zu 1,3-mal mehr Splash als in Phase eins und in Phase zwei zu 70 % mehr Splash als in Phase eins. Die höchste Regenintensität führte in Phase drei zu 44 % mehr Splash-Erosion als in der ersten Phase. Der Einfluss der Phase, in der beregnet wurde, war bei der niedrigen Intensität größer als bei der hohen. Das lässt sich dadurch erklären, dass der Beregnung mit der niedrigsten Intensität am Schluss zwei Phasen intensiveren simulierten Regens vorausgingen, während beim Muster mit der höchsten Intensität in Phase 3 zwei Beregnungsphasen geringerer Intensität vor der letzten Phase angewandt wurden. Die kumulierte Regenmenge und damit die kumulierte kinetische Energie, die vor Phase 3 auf den Boden aufgebracht wurde, war also im Muster mit abnehmender Intensität deutlich höher als im Regenmuster mit zunehmender Intensität.

Graph: Abbildung 3 Durchschnittliche Splash-Erosion in den drei Beregnungsphasen als Mittelwert aller PositionenFigure 3. Mean splash erosion rate during the three phases of the experiment as average value of all positions

Die Beobachtungen lassen sich durch mehrere während des Vorgangs der Splash-Erosion wirkende Teilprozesse erklären. Zu Beginn der Beregnung führen Slaking und Aufquellen zu einer Destabilisierung der Aggregate ([5]). Auf die destabilisierten Aggregate wirkt die kinetische Energie der Regentropfen als destruktive Kraft. Bei gleichbleibenden Tropfeneigenschaften wird die kinetische Energie von Regenintensität und -dauer bestimmt ([2]). Sie wirkt kumulativ ([5]). Je intensiver und länger es regnet, desto mehr werden die Partikel voneinander gelöst, die dann verspritzt werden können. Zusätzlich verstärkt wird die kinetische Energie durch den Wasserfilm auf der Bodenoberfläche ([21]; [2]). Ein Wasserfilm oder Oberflächenabfluss mit einer Fließtiefe des > 3-fachen Tropfendurchmessers würden den Boden vor Splash-Erosion schützen, traten aber in keinem der Versuche auf, was durch die Fotodokumentation optisch überprüft werden konnte. Ein dünnerer Wasserfilm war jedoch auf den Fotos der intensiv beregneten Proben zu erkennen (Abbildungen 4 und 5). Deshalb ist anzunehmen: Die kumulativ wirkende kinetische Energie der Regentropfen, verstärkt durch einen Wasserfilm auf den Proben, führt dazu, dass die Splash-Erosion am Ende eines Regenereignisses stärker wirkt als zu Beginn. In den Abbildungen 6 bis 8 sind die Regenintensität und die Menge des erodierten Bodens gegeneinander aufgetragen. Die Punkte stellen die einzelnen Ergebnisse der neun Probenzylinder unter dem Regensimulator mit den jeweiligen Standardabweichungen als Fehlerindikation dar. Die drei Phasen werden gemeinsam betrachtet. Es wurde eine lineare Regression gewählt. In Veröffentlichungen von [7] sowie von [22] wird Splash-Erosion als Potenzfunktion der Regenintensität beschrieben. Schon bei minimalen Regenintensitäten tritt nach ihrer Einschätzung, wenn auch wenig, Splash-Erosion auf. Die niedrigsten in dieser Arbeit gemessenen Regenintensitäten betragen 9,1 und. 9,4 mm h−1 und führten zu 0,05 und 0,11 kg m−2 h−1 Splash-Erosion.

Graph: Abbildung 4 Probenzylinder auf der Position mit der höchsten durchschnittlichen Regenintensität nach Beregnung mit zunehmender IntensitätFigure 4. Sample cup in the position with the highest rainfall intensity after applying the rainfall pattern with an increasing intensity

Graph: Abbildung 5 Probenzylinder auf der Position mit der höchsten durchschnittlichen Regenintensität nach Beregnung mit abnehmender IntensitätFigure 5. Sample cup in the position with the highest rainfall intensity after applying the rainfall pattern with a decreasing intensity

Graph: Abbildung 6 Zunehmende Regenintensität. Mittelwerte für Splash-Erosion und Regenintensität der neun ProbenzylinderFigure 6. Increasing rainfall intensity. Average values for splash erosion and rainfall intensity of all nine splash cups

Graph: Abbildung 7 Abnehmende Regenintensität. Mittelwerte für Splash-Erosion und Regenintensität der neun ProbenzylinderFigure 7. Decreasing rainfall intensity. Average values for splash erosion and rainfall intensity of all nine splash cups

Graph: Abbildung 8 Konstante Regenintensität. Mittelwerte für Splash-Erosion und Regenintensität der neun ProbenzylinderFigure 8. Constant rainfall intensity. Average values for splash erosion and rainfall intensity of all nine splash cups

Eine Potenzfunktion könnte die Ergebnisse also durchaus beschreiben, da auch die geringsten simulierten Regenintensitäten zu Splash-Erosion führten. Die Heterogenität echter Regenereignisse und die Vielzahl an Einflussfaktoren verlangen aber eine genauere Betrachtung der Simulationstechnik, damit die Werte auf reale Bedingungen übertragen werden können ([8]).

Niedrige Regenintensitäten werden sowohl in dieser Arbeit als auch bei den Versuchen von [22] und [7] durch eine niedrigere Schwingfrequenz der Düsen erzeugt. Die durch eine einzelne Schwenkbewegung aufgebrachte Energie und die Tropfengrößenverteilung bleiben dabei gleich. Es ist möglich, dass das die Menge des erodierten Bodens in den Experimenten bei niedrigen Regenintensitäten künstlich erhöht, da echte Regenereignisse geringerer Intensität meist kleinere Tropfen und damit weniger Energie haben ([18]). Diese Hypothese wird auch von [6] in einer vergleichenden Studie über den Unterschied zwischen Regensimulationen und natürlichem Regen unterstützt. Ob tatsächlich eine Potenzfunktion oder eine lineare Gleichung das Verhältnis aus Regenintensität und Splash-Erosion unter realen Bedingungen besser beschreibt, hängt auch von den Eigenschaften des Bodens ab. Die Überschätzung der Splash-Erosion bei niedrigen Regenintensitäten legt aber den Schluss nahe, dass selbst wenn bei geringsten simulierten Intensitäten schon Erosion auftritt, diese unter realen Bedingungen zu vernachlässigen ist.

Durch Extrapolation der linearen Näherungsgleichungen kann ein Grenzwert für Regenintensität berechnet werden, ab welchem Splash-Erosion auftritt. In den (auf alle Phasen) gemittelten Näherungsgleichungen der unterschiedlichen Versuche tritt ab einer Regenintensität zwischen 13,8 und 15,1 mm h−1 Splash-Erosion auf.

Bestärkt wird dies durch den R-Faktor der Allgemeinen Bodenabtragsgleichung (USLE; [28]), der nur Regenereignisse von mehr als einem halben Zoll pro Stunde (12,7 mm h−1) berücksichtigt ([28]). Regenereignisse kleinerer Intensität bewirkten zu wenig Erosion, um eine praktische Signifikanz für die Bodenerosion zu haben ([28]). In einer Veröffentlichung von [32] wird unter vergleichbaren Bedingungen ebenfalls ein Grenzwert formuliert, ab dem sie Splash-Erosion messen konnten. Dieser weicht mit 18,9 mm h−1 nur gering von den Ergebnissen dieser Arbeit ab.

Die durchschnittliche Dauer der Unterbrechung, die zum Wechseln der Kollektoren und zum Einstellen der neuen Beregnungseigenschaften nötig war, beträgt 16 min. Aus Tabelle 2 geht hervor, dass sich die Settings mit konstanter Regenintensität, die mit und ohne Unterbrechung durchgeführt wurden, um 0,03 kg m−2 h−1 unterscheiden. Eine gleichbleibende Beregnung, bei der ohne Unterbrechung beregnet wird, führt zu durchschnittlich 9,4 % mehr Splash-Erosion als eine konstante Beregnung mit Unterbrechung. Die durchschnittliche Standardabweichung des Settings mit Unterbrechung beträgt 0,06 kg m−2 h−1, die des Settings ohne Unterbrechung beträgt 0,02 kg m−2 h−1. Da die mittlere Standardabweichung größer ist als der durchschnittliche Unterschied zwischen den Settings, besteht kein signifikanter Unterschied in der Menge des durch Splash-Erosion abgetragenen Bodens zwischen den Beiden Versuchen.

Der statistische Test der Lagerungsdichte gibt null von 108 Werten als Ausreißer an. Im Mittel beträgt sie 1,18 g cm−1. Der Test der insgesamt 270 unterschiedlichen Regenintensitäten markiert elf Werte als Ausreißer. Zehn davon liegen in Stichproben, die nur sechs Werte umfassen. Diese Stichprobengröße genügt, um einen Hinweis auf systematische Fehler zu geben, reicht aber nicht aus, um das Verwerfen von Werten zu begründen. Gleiches gilt für den Test der erodierten Bodenmenge, für den nur eine Stichprobengröße von je drei Werten zur Verfügung stand, da jedes Setting und jede Position einzeln betrachtet werden musste. Obwohl 57 der 270 getesteten Werte als Ausreißer angezeigt werden, ist kein Muster erkennbar. Da die einzelnen als Ausreißer angezeigten Werte auch nicht durch Aufzeichnungen erklärbar sind, führte der statistische Test nicht zu einer Wiederholung von Versuchen.

Es kann aufgrund der Ergebnisse dieser Studie davon ausgegangen werden, dass Splash-Erosion erst ab einer bestimmten Regenintensität auftritt, welche für den verwendeten sandigen Lehm zwischen 13,8 und 15,1 mm h−1 liegt. Diese Werte entstehen durch Extrapolation der linearen Näherungsgleichungen der Regensimulationen.

Außerdem kann aus den Resultaten abgeleitet werden, dass erosive Regenereignisse mit abnehmender Intensität zu mehr Splash-Erosion führen als solche, deren Intensität im Laufe des Regenereignisses zunimmt. Grund ist neben den Eigenschaften des untersuchten Bodens die kumulativ wirkende kinetische Energie der Regentropfen, verstärkt durch einen dünnen Wasserfilm auf der Bodenoberfläche. Im direkten Zusammenhang damit steht, dass alle angewandten Regenintensitäten zu mehr Splash-Erosion führten, je später im Verlauf eines Experimentes sie angewandt wurden, da der Boden schon gelöster und destabilisierter war.

Die Ergebnisse dieser Laborstudie demonstrieren, wie komplex das Zusammenspiel unterschiedlicher Einflüsse die Splash-Erosion beeinflusst und erweitern den Detailreichtum, mit dem dieser Prozess beschrieben werden kann.