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Olaf Düwel:

Die Bedeutung der Bodenrauhigkeit für die Bodenerosion durch Wind

Ein Beitrag zur Quantifizierung der Bodenverluste

[The influence of soil roughness on wind driven soil erosion]

2000. 135 Seiten, 82 Abbildungen, 64 Tabellen, 520 g
Language: Deutsch

(Sonderhefte Reihe F - Geol. Jahrb., Heft 1)

ISBN 978-3-510-95867-2, brosch., price: 28.00 €

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Keywords

ErosionWindSedimentProfilParameterAerodynamikPartikel

Contents

Kurzfassung top ↑

In Experimenten mit einem transportierbaren Windkanal wurde der Sedimenttransport in Abhängigkeit von der Bodenrauhigkeit gemessen. Die Rauhigkeit der Bodenoberfläche wurde sowohl mit Hilfe morphometrischer Parameter als auch strömungsmechanisch aufgrund aerodynamischer Parameter gekennzeichnet.

Die morphographische Kennzeichnung erfolgte durch die statistischen Kenngrößenminimale, maximale und mittlere Höhe der Rauhigkeitselemente, das Profillängenverhältnis sowie durch einen in der Literatur genannten Rauhigkeitsindex. Als aerodynamische Parameter dienten neben dem 'Drag'-Koeffizienten und der Reynoldszahl im wesentlichen die aerodynamische Rauhigkeitshöhe und die Schubspannungsgeschwindigkeit. Der Sedimenttransport wurde durch die Sedimenttransportrate in Abh?ngigkeit von der Windgeschwindigkeit charakterisiert.

Die Bodenrauhigkeit beeinflußt den Sedimenttransport durch Wind, indem Rauhigkeitselemente das Windprofil in der bodennahen Grenzschicht und damit die für den Sedimenttransport relevanten str?mungsmechanischen Parameter aerodynamische Rauhigkeitshöhe und Schubspannungsgeschwindigkeit beeinflussen. Ein weiterer Aspekt ist die Veränderung der Schwellenwindgeschwindigkeit bzw. der Schwellenschubspannungsgeschwindigkeit, die den Bewegungsbeginn der Bodenpartikel charakterisiert. Außerdem besitzen Rauhigkeitselemente einen Schutz- und Falleneffekt, da im Windschatten befindliche lose Teilchen vor der Schubkraft des Windes geschützt sind bzw. Bodenteilchen die sich bereits in Bewegung befinden in den Windschatten von Rauhigkeitselementen gelangen. Es konnten drei Klassen herausgearbeitet werden, in denen mit zunehmender Rauhigkeit der Zuwachs der Sedimenttransportrate in Abhängigkeit von der Schubspannungsgeschwindigkeit, oberhalb eines zunehmenden Schwellenwertes abnimmt.

Damit ist die Möglichkeit gegeben, die Schutzwirkung der Oberflächenrauhigkeit halbquantitativ abzuschätzen und bei der Bewertung der aktuellen Erosionsgefährdung eines Standortes mit zu berücksichtigen.

Abstract top ↑

Experiments were conducted with a portable wind tunnel to investigate soil erosion by wind as a function of the roughness of the soil surface. The roughness of the soil surface was characterized using morphometric and aerodynamic parameters. The morphometric parameters were the minimum, maximum, and mean height of the roughness elements, the profile length ratio (lr=Lo/l), and the roughness index. The aero-dynamic parameters were the drag coefficients, the Reynolds number, the aerodynamic roughness height, and the friction velocity. The sediment erosion was characterized by the soil particle transport rate as a function of wind speed. Soil particle transport is influenced by the effect of soil roughness elements on the wind profile in the immediate vicinity of the soil. This effect is expressed by the aerodynamic parameters roughness height, and friction velocity. Another aspect is the effect on threshold wind speed and friction velocity, which govern when soil particles begin to move.

Moreover, the roughness elements provide traps and wind protection for the particles. Three classes were determined in which the increase in the rate of soil particle transport decreases with increasing roughness as a function of the friction velocity above a threshold value. This threshold value increases with increasing friction velocity. Thus, it is now possible to semiquantitatively estimate the protection provided by the roughness elements so that it can be taken into consideration in an assessment of the erosion risk at a site.

Inhaltsverzeichnis top ↑

1 Einleitung und Problemstellung 1
2 Stand der Forschung 2
2.1 Physikalische Prozesse der Bodenerosion durch Wind
2.2 Die bodennahe Grenzschicht 7
2.3 Die Rauhigkeit der Bodenoberfläche 10
2.3.1 Allgemeine Begriffsdefinition 10
2.3.2 Bodenrauhigkeit im geomorphologischen Sinne 10
2.3.3 Bodenrauhigkeit im bodenkundlich - ackerbaulichen Sinne 11
2.3.4 Bodenrauhigkeit im strömungsphysikalischen Sinne
2.3.5 Bodenrauhigkeit im meteorologischen Sinne 14
2.4 Der Einfluß der Bodenrauhigkeit auf die Bodenerosion durch Wind 17
2.4.1 Einfluß der Bodenrauhigkeit auf den bodennahen Wind 17
2.4.2 Einfluß der Bodenrauhigkeit auf den Sedimenttransport 22
3 Zielsetzung und Versuchsansatz 27
3.1 Ziele der Arbeit 27
3.2 Versuchsansatz 28
4 Material und Methoden 32
4.1 Der transportable Windkanal 32
4.1.1 Anforderungen an den transportablen Windkanal 32
4.1.2 Bauplan und Skizze 32
4.1.3 Charakterisierung der aerodynamischen Eigenschaften
4.2 Untersuchte Bodenrauhigkeitsvarianten 39
4.3 Versuchsstandorte und -böden 41
4.3.1 Auswahl und Charakterisierung 41
4.3.2 Untersuchungsmethoden 43
4.3.3 Bodenerodierbarkeit der Versuchsstandorte
4.3.4 Aggregierung der Versuchsstandorte 46
4.4 Kennzeichnung der Bodenrauhigkeit 47
4.4.1 Morphographische Kennzeichnung der Bodenrauhigkeit 47
4.4.2 Strömungsmechanische Kennzeichnung der Bodenrauhigkeit 51
4.5 Quantifizierung des Sedimenttransportes im Windkanal 53
4.5.1 Bestimmung des Gesamtbodentransportes 53
4.5.2 Bestimmung des Sedimenttransportes in Abhängigkeit von der
Windgeschwindigkeit 57
4.5.3 Berechnung des vertikal integrierten Gesamttransportes
in Abhängigkeit von der Windgeschwindigkeit 59
4.5.4 Bestimmung des horizontalen Sedimenttransportes in Abhängigkeit
von Windgeschwindigkeit und Bodenrauhigkeit 61
5 Ergebnisse 63
5.1 Kennzeichnung der Bodenrauhigkeit 63
5.1.1 Morphographische Kennzeichnung der Bodenoberfläche 63
5.1.2 Strömungsmechanische Kennzeichnung der Bodenoberfläche 68
5.1.3 Der Einfluß der Rauhigkeit auf die strömungsmechanischen
Eigenschaften 71
5.2 Einfluß der Bodenrauhigkeit auf den Sedimenttransport 74
5.2.1 Der vertikal integrierte Sedimenttransport 74
5.2.2 Der Sedimenttransport in Abhängigkeit von der Windgeschwindigkeit 80
5.3 Zusammenfassung der Ergebnisse 86