Lexikon der Geowissenschaften: Universal Soil Loss Equation
Universal Soil Loss Equation, USLE, ist als allgemeine Bodenabtragsgleichung (ABAG) im deutschsprachigen Raum bekannt. Entwickelt wurde die USLE auf der Basis statistischer Untersuchungen von Wischmeier und Smith. Grundlegende Erkenntnisse sind von Zingg (1940), Laws und Parsons (1942) und Musgrave (1947) sowie durch Bodenabtragsmessungen von mehr als 10.000 Parzellenjahren im Mittleren Westen der USA eingeflossen. Diese wurden auf Verhältnisse von Standardparzellen (22,13 m Länge, 9% Gefälle, saatbettbereite Schwarzbrache) bezogen. Der Bodenabtrag korreliert dabei mit einer Vielzahl von Einflußfaktoren. Sie bilden zusammengefaßt in sechs Hauptfaktoren die Gleichung:
A=R·K·L·S·C·P
mit A=mittlerer Bodenabtrag [t/ha·a], R=Niederschlags- und Oberflächenabflußfaktor (auf den Boden wirkende Ablösungs- und Transportkräfte), K=Bodenerodierbarkeitsfaktor (Maß für die Erodibilität der Böden unter Standardbedingungen (bei saatbettbereiter Schwarzbrache), L=Hanglängenfaktor (Verhältnis des Bodenabtrags eines beliebig langen Hanges gegenüber der Standardhanglänge), S=Hangneigungsfaktor (Verhältnis des Bodenabtrages eines beliebig geneigten Hanges gegenüber dem Bodenabtrag des Standardhanges), C=Bedeckungs- und Bearbeitungsfaktor (Verhältnis des Bodenabtrages bestimmter Fruchtarten oder Fruchtfolgen gegenüber dem Bodenabtrag unter Standardbedingungen, wobei angebaute Kulturpflanzen, ihr Bodenbedeckungsgrad, technologische Bearbeitungsverfahren etc. berücksichtigt werden), P=Erosionsschutzfaktor (Verhältnis des Bodenabtrages bei Anwendung spezieller Schutzmaßnahmen, z.B. Kontur- oder Streifennutzung, Terrassierung usw., gegenüber dem Standardhang mit Bearbeitung in Gefällerichtung ohne Schutzmaßnahmen). Die ABAG berechnet den langjährigen mittleren Bodenabtrag für den erosionswirksamen Hangabschnitt (vom Einsetzen des Oberflächenabflusses bis zum Beginn der Materialakkumulation oder des Eintritts der Suspension in Gräben oder Vorfluter). Weitere Limitationen sind durch die begrenzte Schätzsicherheit gegeben. Die besten Ergebnisse erreicht man im Bereich von Hanglängen bis zu 130 m und Neigungen von 5-12% auf schluffigen und lehmigen Böden ( Abb.). Zur Berechnung von Abtragsfrachten einzelner Hänge für spezielle Jahre oder gar für einzelne Niederschläge darf die Gleichung nicht angewendet werden. Jeder der sechs Faktoren stellt eine Funktion mehrerer abhängiger Variablen und zum Teil ihrer Wechselwirkungen dar, die bei der Berechnung lokaler Werte zu berücksichtigen sind.
Die USLE wurde zur Unterstützung der landwirtschaftlichen Beratung in den USA entwickelt. Ziel des Modells ist die Vorhersage des Bodenabtrags von Hängen und der Vergleich unterschiedlicher Fruchtfolgeglieder, Managementpraktiken und weiterer Maßnahmen zum Schutz des Bodens vor Wassererosion. Zum Konzept gehört der Vergleich des Berechnungsergebnisses mit einer Toleranzgrenze des Bodenabtrags, dem sogenannten T-Wert. Dafür empfehlen die Entwickler der RUSLE (Revised USLE), einer Weiterentwicklung der USLE, einen sowohl wasserqualitäts-, ökonomisch und politisch bezogenen T-Wert, der jeweils eine Erosionsrate toleriert, welche die nachhaltige Pflanzenproduktion sichert. Die Revised USLE ist auch als PC-Programm erhältlich. Grunddaten liegen in den Datenbanken des USDA vor, wodurch die Beratung zum Bodenschutz vor Erosion in den USA stark vereinfacht wird. Verbessert und stärker regionalisiert wurde der R-Faktor; der K-Faktor gibt die jahreszeitliche Änderung der Erodierbarkeit wieder und integriert den erosionsmindernden Steinanteil. Der Topographiefaktor wurde weiterentwickelt, um das Verhältnis von Rillen- und Zwischenrillenerosion besser widerzuspiegeln. Der C-Faktor wurde vom saisonal abhängigen relativen Bodenabtragswert zu einer kontinuierlich arbeitenden Gleichung mit den Subfaktoren Vorfrucht, Bodenbedeckung, Pflanzenbedeckung, Oberflächenrauhigkeit und in bestimmten Regionen der Bodenfeuchte entwickelt. Die Subfaktoren schließen die Effekte der Wurzelmasse in den oberen 10 cm in Abhängigkeit von Jahreszeit, Bearbeitung und Pflanzenrückständen ein. Die RUSLE sollte mit ihrer verbesserten prozeßnäheren Betrachtungsweise den Anforderungen der Erosionsberatung in den USA bis zur Jahrtausendwende gewachsen sein und den Zeitraum bis zum Einsatz neuer Technologien, wie sie mit dem Water Erosion Prediction Project (WEPP) gegeben sind, überbrücken helfen.
Die Anwendung der USLE in anderen geographischen Regionen oder zu Zwecken, für die sie nicht entwickelt wurde, kann zu mißbräuchlicher Verwendung und zu Fehlinterpretationen führen. Anwendungen in Einzugsgebieten sind nur zulässig, wenn die Verhältnisse der Teilgebiete jeweils in spezifischen USLE-Faktoren repräsentiert werden. Die Abtragssumme muß in diesem Anwendungsfall stets mit gebietsspezifischen Depositionsgleichungen gekoppelt sein. Da sich empirische Gleichungen nicht übertragen lassen, sind Adaptionen der USLE nur mit Vorsicht und unter Verwendung ausreichend langer Datenreihen der betreffenden Anwendungsgebiete vorzunehmen. Vorteile der empirischen Gleichung sind die vergleichsweise einfachen Algorithmen, die geringe Anzahl an Inputparametern, deren einfache Parametrisierung und die Ausweisung der zu- oder abnehmenden Erosionsgefährdung bei Einsatz anderer Bewirtschaftungsmaßnahmen. Deshalb wird die USLE häufig mit Raster-GIS (Geoinformationssystem) gekoppelt. Nachteile sind neben der fragwürdigen Übertragung in andere Regionen auch Begrenzungen der Aussagen in bezug auf die ablaufenden Prozesse (z.B. Deposition, Grabenerosion) und geringere Differenzierungen in Raum und Zeit. Dazu wurde das Modell nicht entwickelt. Ziel der Entwickler war eine schnelle Umsetzung der wissenschaftlichen Erkenntnisse und Anwendung in der Praxis mit wenigen überschaubaren Interaktionen gegen Ende der 1950er, Anfang der 1960er Jahre. Zunehmende Betrachtungen von komplexen Ökosystemen führten Mitte der 1970er Jahre zu weitergehenden Fragestellungen. Zur Abschätzung der ereignisbezogenen Sedimentausträge wurde die USLE, den physikalischen Prozeß besser abbildend, modifiziert. Anstelle des Niederschlags- und Oberflächenabflußfaktors R=E·I30 [N/h] (E=kinetische Energie eines Zeitintervalls, I30=maximale Regenintensität in 30 Minuten) wurden von Autoren einzelereignisbezogen mehr hydrologisch basierte Faktoren (Abflußvolumen und Scheitelabflußrate=a(QT qp) integriert (MUSLE) sowie der regenerosivitätsabhängige Abfluß und der Scheitelabfluß als verbesserte Erosivitätsindizes eingeführt:
Rm=0,5E·I30+0,30Qtqp0,33.
Die grundlegenden Algorithmen der USLE sind auch Bestandteile von Nährstoff- und Pestizidtransportmodellen unterschiedlichen Einzugsgebietsflächenbezugs. Zu nennen sind CREAMS, GLEAMS, EPIC, ANSWERS, die alle zwischen 1980 und 1987 entwickelt wurden und z.T. gegenwärtig fortgeschrieben werden. [DDe]
Literatur: [1] Foster, G.R., Lane, L.J. (1987): User requirements USDA-Water Erosion Prediction Project (WEPP). – Lafayette. [2] Renard, K.G., Foster, G.R., Weesies, G.A. (1997): Predicting soil erosion by water – A guide to conservation planning with the Revised Universal Soil Loss Equation (RUSLE). – USDA-ARS, Agr. Handb. 703. [3] Wischmeier, W.H.; Smith, D.D. (1978): Predicting rainfall erosion losses – a guide to conservation planning. – U.S. Department of Agiculture, Aricultural Handbook 537.
Universal Soil Loss Equation: Erosionsmeßparzellen bei Dedelow (Brandenburg). Universal Soil Loss Equation: Erosionsmeßparzellen bei Dedelow (Brandenburg).
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