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EROSION-3D simuliert die Abflussbildung und Erosion während einzelner Niederschlagsereignisse in Zeitschritten von 1 bis 10 min Dauer. Zur Berechnung des langfristigen Bodenabtrags können Serien aus einer beliebigen Anzahl einzelner Niederschlagsereignisse (Sequenzen) simuliert werden. Die maximale Auflösung des durch Rasterzellen dargestellten Untersuchungsgebietes beträgt 1 m, liegt aber – in Abhängigkeit von der Genauigkeit der Reliefdarstellung - üblicherweise zwischen 5 und 20 m.

Die maximale Gebietsgröße ist durch den verfügbaren Arbeitsspeicher des PC-Betriebssystems begrenzt und liegt bei etwa 15 Mio. Rasterzellen. Alle Eingabeparameter von EROSION-3D können aus behördlichen Datengrundlagen (ATKIS DLM/DGM, InVeKoS, DWD-KOSTRA 2000) oder den zu jeder Lizenz gelieferten Handbüchern abgeleitet werden.

EROSION-3D besteht aus zwei Hauptkomponenten. Die Reliefanalyse-Komponente (Pre-Processing) dient der Aufbereitung des digitalen Geländemodells, welche insbesondere Voraussetzung zur Berechnung der Abflussverteilung und -konzentration ist. Diese Komponente umfasst folgende Aufbereitungsschritte:
  • Suche und Auffüllung von DGM-Hohlformen
  • Berechnung der flächenhaften Abflussverteilung bzw. konzentrierten Abflussbahnen zu den jeweils tieferliegenden Nachbarzellen und der konzentrierten Abflussbahnen
  • Berechnung der zu jeder Rasterzelle gehörenden Einzugsgebietsfläche und Fließweglänge
  • Schwellenwert-abhängige Bestimmung des Anfangs konzentrierter Abflussbahnen und des Vorfluternetzes
  • Lagebestimmung der Wasserscheiden und Einzugsgebietsauslässe
Die Prozesskomponente (Processing) von EROSION-3D führt die konkreten Abfluss- und Erosionsberechnungen durch:

Infiltration
  • Niederschlagsinfiltration
  • Vertikaler Matrixfluss auf der Grundlage von GREEN-AMPT
  • Modifikation der hydraulischen Leitfähigkeit durch Skalierung in Abhängigkeit von der Größenordnung des Makroporenflusses (effektive Leitfähigkeit)
  • Einfluss der Bodengefrornis sowie von stauenden Schichten (Zusatzmodule)
Abflussbildung
  • Infiltrationsüberschuss nach HORTON
  • Zell-bezogene Massenbilanz in Abhängigkeit von der Niederschlags-, Infiltrations- und Zuflussrate
  • Optionale Berücksichtigung von Muldenrückhalt, -infiltration und Re-Infiltration entlang der Fließstrecke
Abflussrouting
  • Quasi-stationärer Speicheransatz nach MANNING-STRICKLER
  • Berandung wahlweise als Dünnschichtabfluss nach DUNNE oder Gerinneabfluss (z.B. bei Berücksichtigung der Bearbeitungsrichtung)
Erosion
  • Ablösung der Bodenpartikel von der Bodenoberfläche in Folge der Impulsströme des Regens (Splash) und
  • der Scherkraft des Oberflächenabflusses (Kritischer Impulsstrom zur Ablösung der Bodenteilchen/Erosionswiderstand) nach SCHMIDT
Partikeltransport und -ablagerung
  • Maximale Transportkapazität (Sedimentkonzentration) unter Berücksichtigung der Fließgeschwindigkeit und der Partikelsinkgeschwindigkeit (STOKESsches Gesetz)
  • Deposition differenziert nach 9 Bodenartenklassen, abhängig von der Transportkapazität des Oberflächenabflusses
Stofftransport
  • Partikelgebundener Schadstofftransport in Abhängigkeit von der Ausgangskonzentration und der spezifischen Konzentration innerhalb der Korngrößenklassen
  • Ausschließlich chemisch konservativer Transport