Event-Based Measurement and Mean Annual Flux Assessment of Suspended Sediment in Meso Scale Catchments
Creators: name: Wagner, Adrian
Publisher: name: Karlsruhe
Year: 2020
Subjects: suspended sediment
flux
above-water reflectance
phosphorous
watershed management

description: Eingriffe durch den Menschen haben den Sedimenthaushalt fluvialer Systeme grundlegend verändert, mit negativen ökologischen und wirtschaftlichen Folgen. Landwirtschaft und Abholzung haben das Ausmaß natürlicher Erosion mehr als verdoppelt, während große Staudämme mindestens 25% des global transportierten Sediments auffangen. Sediment ist ein Transportvektor für Schad- und Nährstoffe. Große Anteile der mittleren Jahresfracht werden in kurzen und häufig unzureichend beprobten Zeiträumen mit hohen Abflüssen transportiert. Genaue Schätzungen der mittleren Jahresfracht von suspendiertem Sediment (abfiltrierbare Stoffe) und partikulär transportierten Stoffen werden für mesoskalige Einzugsgebieten (50–250 km²) zur Bewirtschaftungsplanung und zur Plausibilisierung von flächendeckenden Stoffeintragsmodellen benötigt. Um Hochwasserfrachten von abfiltrierbaren Stoffen und Phosphor zu erfassen, wurden großvolumige Sammler (LVS, Probevolumen = 1 m³) in drei mesoskaligen Einzugsgebieten unterschiedlicher klimatischer, pedologischer und landnutzungsbezogener Bedingungen zur abflussproportionalen Beprobung installiert. Aus dem höchsten gemessenen Abfluss im Beprobungszeitraum und der mittleren Ereigniskonzentration wurde ein neuartiger Ansatz zur Erstellung von Konzentrationsschlüsselkurven entwickelt. So konnten Frachten berechnet und mit Berechnungen auf Basis von Einzelbeprobungen verglichen werden. Der LVS erwies sich an zwei Standorten als robust gegenüber veränderlichen Abflussbedingungen, konnte am dritten Standort wegen technischer Mängel aber keine Hochwassermessungen durchführen. An diesem Standort wurde der Sedimentkörper des unterliegenden Stausees als Bezugswert verwendet. Die Berechnungen auf Basis von Einzelbeprobungen sind systematisch zu niedrig. Der Fehler wird durch die spezifische Sedimentfracht, den Grad der Assoziation zu Partikeln und die Volatilität der Abflüsse bestimmt. Ein existierender Abflussvolatilitätsindex (FFI) wurde zu einem Frachtvolatilitätsindex (LFI) angepasst um die Kürze von hohen Abflüssen und deren Bedeutung für die Gesamtfracht in einer Kennzahl zu vereinen. Die Beprobung mit dem LVS und die Anwendung der Schlüsselkurven wird für frachtvolatile Einzugsgebiete und Parameter, zur Begrenzung von Analysekosten sowie in Fällen empfohlen, wenn in-situ gemessene Näherungsparameter nicht angemessen sind. Durch Frachtmessungen und –modellierung wurden Defizite beim Stoffeintragsmodell deutlich, die größtenteils auf den Eintragspfad Erosion und dessen statische Konnektivitätsansätze des Einzugsgebiets zurückgehen. Entgegen der derzeitig üblichen Praxis müssen Beprobungsstrategien der Frachtvolatilität angepasst werden, um Eintragsmodelle aussagekräftig Plausibilisieren zu können. Zusätzlich wurde eine neue wartungsarme Methode zur autonomen, kontaktlosen Reflektanzmessung entwickelt und mit Trübungsmessungen und Schätzungen durch Schlüsselkurven verglichen. Während mehrerer Messkampagnen auf einem Stausee konnten durch Reflektanzmessungen in einer Regression der partiellen kleinsten Quadrate hohe Anpassungsgüten für Gesamtphosphor und abfiltrierbare Stoffe erreicht werden. Dauermessungen am Fluss wurden durch veränderliche Lichtbedingungen im Tages- und Jahresverlauf eingeschränkt und konnten die Frachtermittlung in elf Validierungsmessungen nicht verbessern. Trübemessungen und Schlüsselkurven auf Basis von Einzelbeprobungen konnten Ereignisfrachten ebenfalls nicht angemessen nachzeichnen, LVS-Schlüsselkurven erzielten die höchste Güte. Reflektanzmessungen haben Vorzüge hinsichtlich des niedrigen Wartungsbedarfs und der gleichzeitigen Bestimmung mehrerer Parameter. Ihr Potential sollte mit künstlicher Beleuchtung sowie an größeren Gewässern mit niedrigerer Volatilität und optisch Tiefen Bedingungen weiter getestet werden. Optische Messmethoden können wichtige Informationen liefern, benötigen aber spezielle Fachkenntnis und Kalibrationsmessungen über die volle Breite des Messbereichs. Die explizite Beprobung von Hochwasserereignissen kann diese Daten liefern und zugleich Frachtabschätzungen verbessern, weshalb sie stets in Beprobungsprogramme integriert werden müssen. Während der LFI zur Priorisierung der Standorte genutzt werden kann, liefern LVS-Beprobungen und LVS-Frachten eine aussagekräftige und zugleich anwendbare Beobachtungsskala, die für die Wiedergabe der partikulären Frachtprozesse in mesoskaligen Einzugsgebieten benötigt wird. Die breite Implementierung dieser Beprobungstechnik sollte daher geprüft werden.