Inhaltsverzeichnis  3

Inhaltsverzeichnis

1  Einleitung  15

1.1  Problemstellung.  15

1.2  Ziel der Arbeit  17

1.3  Aktueller Forschungsstand.  18

1.3.1  Gully-Bildung und -Entwicklung.  20

1.3.2  Einflussfaktoren der Gully-Entwicklung  23

1.3.3  Gully-Typen und -Entwicklungsgeschwindigkeiten  28

1.3.4  Gully-Erosionskontrolle und -Vermeidung  29

1.3.5  Folgen und Bedeutung der Gully-Erosion für das  

  Gesamterosionsgeschehen  30

1.3.6  Untersuchungsmethoden  31

2  Geographische Grundzüge des Untersuchungsraumes  34

2.1  Geologischer Bau.  37

2.2  Präquartäre Klima- und Reliefentwicklung.  41

2.3  Quartäre Klima- und Reliefentwicklung  44

2.3.1  Pleistozän.  44

2.3.2  Holozän.  46

2.4  Rezente Klimabedingungen.  48

2.4.1  Großräumiges Klima  48

2.4.2  Klimavariabilität im Sahel  50

2.4.3  Das Klima im Arbeitsgebiet  52

2.5  Hydrographie.  55

2.6  Böden  56

2.6.1  Bodenbildung in den Tropen.  57

2.6.2  Quartäre Böden und Sedimente.  58

2.6.3  Die Böden im Arbeitsgebiet.  58

2.7  Vegetation  62

2.7.1  Die Vegetation im Arbeitsgebiet  63

2.7.2  Vegetationsveränderungen.  66

2.8  Aktuelle Geomorphodynamik.  67

2  9 Untersuchungsstandorte  69

  Inhaltsverzeichnis  4

3  Methoden  72

3.1  Großmaßstäbiges Luftbild-Monitoring mit dem Fesseldrachen  72

3.1.1  Maßstabsfrage und Anwendungsbereiche  72

3.1.2  Historische Entwicklung der unbemannten Luftbildphotographie  73

3.1.3  Prinzip der Fesseldrachenbefliegung  73

3.1.4  Primärdatenerhebung - Passpunktvermessung.  76

3.2  Photogrammetrische Grundlagen zur Bildorientierung und  

  Auswertung  76

3.2.1  Das Modell der Zentralperspektive  77

3.2.2  Analog/Digital-Wandlung.  79

3.2.2.1  Geometrisches und radiometrisches  

  Auflösungsvermögen  79

3.2.2.2  Scannertypen und geometrische Genauigkeit  79

3.2.3  Prinzipien des stereoskopischen Sehens  79

3.2.4  Stereoskopische Visualisierungstechniken.  83

3.2.5  Koordinatensysteme.  85

3.2.6  Orientierungsparameter  86

3.2.6.1  Innere Orientierung.  86

3.2.6.2  Äußere Orientierung.  87

3.2.6.3  Relative Orientierung durch Verknüpfungspunkte.  88

3.2.6.4  Absolute Orientierung durch Passpunkte.  89

3.2.7  Aerotriangulation  90

3.3  Darstellung und Speicherung von Höheninformationen.  93

3.3.1  Höhenmatrizen  93

3.3.2  Triangular Irregular Networks (TINs)  94

3.4  Manuelle Stereomessung und -kartierung.  95

3.5  Automatischen DG-MErstellung  96

3.6  Besonderheiten der verwendeten großmaßstäbigen Luftbilder  

  und ihre photogrammetrischen Auswirkungen  97

4  Zweidimensionale Veränderungskartierung des Gully-  

  Wachstums  99

4.1.1  Gully Gorom  99

4.1.2  Gully Inselberg-Gorom.  105

5  Scanner-Tests  111

  Inhaltsverzeichnis  5

6  Vom Dia zum orientierten Bilderblock in LPS.  114

6.1  Auswahl und Digitalisierung der Bilddaten  114

6.2  Anlegen einer Blockdatei in LPS  115

6.3  Parameter der inneren Orientierung  116

6.3.1  Kamera und Kamerakalibrierung.  116

6.3.2  Zuordnung der Rahmenmarken im Bild  118

6.4  Parameter der äußeren Orientierung  120

6.4.1  Einfügen von Passpunkten  120

6.4.2  Generierung von Passpunkten für die Monitoring-Zeitpunkte  

  Juli und Dezember 2000  122

6.4.3  Einfügen von Verknüpfungspunkten  123

6.5  Bündelblockausgleich.  125

6.5.1  Allgemeine Einstellungen  125

6.5.2  Punktgenauigkeiten.  126

6.5.3  Innere Orientierungsgenauigkeiten.  127

6.5.4  Äußere Orientierungsgenauigkeiten  127

6.5.5  Erweiterte Einstellungen  127

6.6  Interpretation der Triangulationsergebnisse  129

6.6.1  Triangulation Summary  129

6.6.2  Der Triangulationsreport  130

6.6.3  Gully Gorom  133

6.6.3.1  Monitoring-Zeitpunkt Dezember 2001  133

6.6.3.2  Monitoring-Zeitpunkt Dezember 2000  136

6.6.3.3  Monitoring-Zeitpunkt Juli 2000  137

6.6.4  Gully Inselberg-Gorom.  138

6.6.4.1  Monitoring-Zeitpunkt Dezember 2001  138

6.6.4.2  Monitoring-Zeitpunkt Dezember 2000  139

7  DG-MErstellung  141

7.1  Manuelle DG-MErstellung mit Stereo Analyst am Beispiel Gully  

  Inselberg-Gorom  141

7.1.1  Erstellen eines neuen Feature-Projektes  141

7.1.2  3D-Kartierung im quad buffered-Stereomodus mit Shutterbrille  144

7.1.3  Analyse der Kartierungsergebnisse: Programmschwächen und  

  Kartierungsgenauigkeiten  145

  Inhaltsverzeichnis  6

7.2  Automatische DG-MErstellung mit LPS  148

7.2.1  Allgemeine Einstellungen  148

7.2.2  Erweiterte Einstellungen  149

7.2.3  Mosaikierung, Genauigkeiten und Fehler der 3D-Modelle des  

  Monitoring-Zeitpunktes Dezember 2001  157

7.2.3.1  Gully Gorom.  157

7.2.3.2  Gully Inselberg-Gorom  162

7.2.4  Dreidimensionale Darstellung der Luftbildmosaike des  

  Monitoring-Zeitpunktes Dezember 2001  165

7.2.5  3D-Modellerstellung für die Monitoring-Zeitpunkte Dezember  

  und Juli 2000.  167

7.3  Vergleich der automatisch generierten Geländemodelle mit der  

  manuellen 3D-Kartierung.  167

8  Zusammenfassung  170

  Abbildungsverzeichnis  

  Abbildungsverzeichnis  

  Abb. 1 Gully-Monitoring entlang des Transekts Südwesteuropa - Westafrika  

  Abb. 2 Initiale Gully-Einschneidung  

  Abb. 3 Aktiver Gully-headcut bei einem Abflussereignis.  

  Abb. 4 Gully-headcut in der Trockenzeit  

  Abb. 5 Bodenerosion/Vegetationsbedeckungs-Beziehung  

  Abb. 6 Schema eines badland-Gullies  

  Abb. 7 Schema eines bank-Gullies  

  Abb. 8 Kombinationstyp: Bank-Gullies im Unterhangbereich vereinigen sich mit  

  badland-Gullies im oberen Einzugsgebiet  

  Abb. 9 Burkina Faso: Administrative Gliederung, Klimazonen und durchschnitt-  

  liche Jahresisohyeten der Jahre 1960-1990  

  Abb. 10 Landsat T-MSzene des Arbeitsgebietes vom 5.8.2000  

  Abb. 11 Übersichtskarte der geologischen Einheiten West-Afrikas.  

  Abb. 12 Geologische Übersichtskarte von NE-Burkina Faso.  

  Abb. 13 Schema einer Laterit-Mesa.  

  Abb. 14 Verlagerung der 50-100 mm-Isohyete (klimatischer Südrand der Wüste) in  

  den letzten 130.000 Jahren im Verhältnis zur geographischen Breite  

  Abb. 15 Landschaftsgenetische und kulturhistorische Zeiträume in NE-Burkina Faso  

  und ihre Beziehung zu klimatischen Trends und vermuteten Klima-  

  schwankungen der letzten 20.000 Jahre  

  Abb. 16 Meridionalschnitt durch die Witterungszonen über Westafrika.  

  Abb. 17 Interannuelle Variabilität im Sahel von 1901 bis 1997.  

  Abb. 18 Klimadiagramm der Station Dori.  

  Abb. 19 Mittlere monatliche Luftfeuchtigkeit der Station Jalafanka (1976-1983)  

  Abb. 20 Monatsmittelwerte der Niederschläge unterschiedlicher Zeitreihen der  

  Station Dori  

  Abb. 21 Monatsmittelwerte der Niederschläge unterschiedlicher Zeitreihen der  

  Station Gorom Gorom.  

  Abb. 22 Jahressummen der Niederschläge im mm und 5-jähriges gleitendes Mittel  

  der Station Dori von 1922 -2001.  

  Abb. 23 Hydrographische Karte des Niger-Einzugsgebiets in NE-Burkina Faso  

  Abb. 24 Pedologische Übersichtskarte von NE-Burkina Faso  

  Abb. 25 Vegetationszonen in den nördlichen Sahelprovinzen Burkina Fasos  

  Abb. 26 Vegetationsabfolge der Gehölzgesellschaften und der Krautschicht in  

  verschiedenen Bereichen des Glacis  

  Abbildungsverzeichnis  

  Abb. 27 Schematischer Querschnitt durch einen jungquartären Dünenzug im  

  zentralen Teil des Untersuchungsgebietes mit dem typischen Mosaik  

  verschiedener Gehölzgesellschaften  

  Abb. 28 Typisches Vegetationsmosaik der Gehölzgesellschaften an einem Inselberg  

in  relativer Siedlungsnähe  

  Abb. 29 Schematisches Blockbild der unterschiedlichen Landschaftseinheiten in  

  NO-Burkina Faso  

  Abb. 30 Lage der Arbeitsgebiete im Nordosten von Burkina Faso  

  Abb. 31 Rokkaku-Drachen des Instituts für Physische Geographie  

  Abb. 32 Prinzip der Fesseldrachenbefliegung  

  Abb. 33 Kameraaufhängung mit montierter Pentax-Spiegelreflexkamera  

  Abb. 34 Modell der Zentralperspektive  

  Abb. 35 Versatz von Bildpunkten bei unterschiedlichen Geländehöhen.  

  Abb. 36 Prinzip des natürlichen stereoskopischen Sehens  

  Abb. 37 Korrespondierende Bildposition von zwei Geländepunkten.  

  Abb. 38 Schematische Profilansicht eines Stereopaares und der korrespondierenden  

  Bildpositionen der Bildpunkte sowie der Parallaxenunterschiede  

  Abb. 39 X-Parallaxe in einem Anaglyphenbild in Abhängigkeit von der  

  Geländehöhe.  

  Abb. 40 Künstliches stereoskopisches Sehen (schematisch)  

  Abb. 41 Epipolar- bzw. Kernstrahlgeometrie zwischen zwei Stereoluftbildern.  

  Abb. 42 Y-Parallaxe in einem Anaglyphenbild  

  Abb. 43 Screenshot eines im Anaglyphenverfahren dargestellten Bildpaares in  

  Stereo Analyst.  

  Abb. 44 Unterschiedliche Koordinatensysteme und Parameter der äußeren  

  Orientierung  

  Abb. 45 Bild- und Pixelkoordinatensystem  

  Abb. 46 Parameter der inneren Orientierung  

  Abb. 47 Relative Orientierung bei einem Bildpaar.  

  Abb. 48 Absolute Orientierung  

  Abb. 49 Aerotriangulation (räumlicher Vorwärtsschritt)  

  Abb. 50 Überlappungsbereiche eines reguläreren Blocks von Luftbildern  

  Abb. 51 Prinzip des Bündelblockausgleiches  

  Abb. 52 Bildpyramidenstruktur  

  Abb. 53 TIN-Modell  

  Abb. 54 Suche nach korrelierenden Bildpunkten mit Hilfe der Epipolargeometrie  

  und der Suchfenster  

  Abbildungsverzeichnis  

  Abb. 55 Veränderung der Aufnahmebasis (b) je nach Verkippung der Bilder.  

  Abb. 56 Gully Gorom, Luftbildmosaik und Kartierung des Monitoring-Zeitpunktes  

  Juli 2000  

  Abb. 57 Gully Gorom, Luftbildmosaik und Kartierung des Monitoring-Zeitpunktes  

  Dezember 2000  

  Abb. 58 Gully Gorom, Luftbildmosaik und Kartierung des Monitoring-Zeitpunktes  

  Dezember 2001  

  Abb. 59 Gully Gorom, Erweiterungsbereiche der Beobachtungsjahre 2000 und 2001.  

  Abb. 60 Bodenprofil in der Sandrampe am Hang des Quarzitinselberges Collines de  

  Gagara  

  Abb. 61 Luftbildmosaik des Gully Inselberg-Gorom vom Monitoring-Zeitpunkt Juli  

2000.   

  Abb. 62 Luftbildmosaik und flächenhafte Kartierung der Veränderungen für jeden  

  Monitoring-Zeitpunkt (Juli 2000, Dezember 2000 und Dezember 2001) des  

  Gullies Inselberg-Gorom.  

  Abb. 63 Gully Inselberg-Gorom, Erweiterungsbereiche der Beobachtungsjahre  

  2000, 2001 und Gesamterweiterungsbereich von Juli 2000 bis Dezember  

2001.   

  Abb. 64 Einfacher Klapprahmen ohne Glas mit ausgefrästen Bildecken  

  Abb. 65 GEPE 40 x 40 mm Diarahmen mit Anti-Newton-Glas.  

  Abb. 66 „Set Frame-Specific Information“-Dialog.  

  Abb. 67 Programmoberfläche von LPS („Project Manager“)  

  Abb. 68 Die graphische Darstellung der Verzeichnungsfehler als Funktion der  

  Radialabstände der Pentax Z50P-Spiegelreflexkamera mit 50 mm-Normal-  

  und 28 mm-Weitwinkelobjektiv.  

  Abb. 69 Schema eines Dias mit Zuordnung der Rahmenmarken-Koordinaten.  

  Abb. 70 „Frame Camera Frame Editor“ zur Messung der Rahmenmarken  

  Abb. 71 Messen der nicht klar erkennbaren, abgerundeten Bildecken.  

  Abb. 72 Minimale GCP-Verteilung in Abhängigkeit von der Blockgröße und  

  Bildanordnung.  

  Abb. 73 Messen der Passpunkte im Bild im „Point Measurement“-Dialog  

  Abb. 74 „Strategy“-Parameter für die automatische Verknüpfungspunktsuche.  

  Abb. 75 Allgemeine Einstellungen im „Aerial Triangulation“-Dialog  

  Abb. 76 Einstellung der Bild- und Geländepunktgenauigkeiten im „Aerial  

  Triangulation“-Dialog  

  Abb. 77 Erweiterte Einstellungen im „Aerial Triangulation“-Dialog  

  Abb. 78 Beispiel einer „Triangulation Summary“  

  Abb 79 Angabe der bei der Triangulation verwendeten Einheiten  

  Abbildungsverzeichnis  

  Abb. 80 Bildkoordinaten der GCPs und Tie Points  

  Abb. 81 Affine Transformationsparameter zwischen dem Pixel- und  

  Bildkoordinatensystem.  

  Abb. 82 Ergebnisse eines „Advanced Robust Blunder Checkings“  

  Abb. 83 Äußere Orientierungsparameter  

  Abb. 84 Genauigkeiten der äußeren Orientierungsparameter.  

  Abb. 85 Parameter der inneren Orientierung  

  Abb. 86 Residuen der GCPs.  

  Abb. 87 Geländekoordinaten aller Punkten  

  Abb. 88 Die Residuen der Bildpunkte  

  Abb. 89 „Triangulation Summary“ des Bilderblockes Gully Gorom zum  

  Monitoring-Zeitpunkt Dezember 2001  

  Abb. 90 Ausschnitt aus dem LPS-Triangulationsreport des Bilderblockes Gully  

  Gorom zum Monitoring-Zeitpunkt Dezember 2001  

  Abb. 91 Orientierter Bilderblock ausgewählter großmaßstäbiger Luftbilder vom  

  Gully Gorom zum Monitoring-Zeitpunkt Dezember 2001  

  Abb. 92 „Triangulation Summary“ des Bilderblockes Gully Gorom zum  

  Monitoring-Zeitpunkt Dezember 2000  

  Abb. 93 Orientierter Bilderblock der großmaßstäbigen Luftbilder vom Gully Gorom  

  zum Monitoring-Zeitpunkt Dezember 2000  

  Abb. 94 „Triangulation Summary“ des Bilderblockes Gully Gorom zum  

  Monitoring-Zeitpunkt Juli 2000  

  Abb. 95 Orientierter Bilderblock der großmaßstäbigen Luftbilder vom Gully Gorom  

  zum Monitoring-Zeitpunkt Juli 2000  

  Abb. 96 „Triangulation Summary“ des Bilderblockes Gully Inselberg-Gorom zum  

  Monitoring-Zeitpunkt Dezember 2001  

  Abb. 97 Ausschnitt aus dem LPS-Triangulationsreport des Bilderblockes Gully  

  Inselberg-Gorom zum Monitoring-Zeitpunkt Dezember 2001.  

  Abb. 98 Orientierter Bilderblock ausgewählter großmaßstäbigen Luftbilder vom  

  Gully Inselberg-Gorom zum Monitoring-Zeitpunkt Dezember 2001.  

  Abb. 99 „Triangulation Summary“ des Bilderblockes Gully Inselberg-Gorom zum  

  Monitoring-Zeitpunkt Dezember 2000  

  Abb. 100 Orientierter Bilderblock der großmaßstäbigen Luftbilder vom Gully  

  Inselberg-Gorom zum Monitoring-Zeitpunkt Dezember 2000  

  Abb. 101 „Texture Filtering“- und „Texture Memory Usage“-Optionen im Stereo  

  Analyst  

  Abb. 102 „Feature Classes“-Rider mit den manuell erstellten Klassen  

  Abb. 103 Auswahl der für die Kartierung vorgesehenen LPS Blockdatei sowie des  

  Stereomodells im „Stereo Model“-Rider  

  Abbildungsverzeichnis  11

  Abb. 104 Schräglage der Augenbasis relativ zur Geländeoberfläche aufgrund  

  unterschiedlicher Flughöhen zwischen den Bildern eines Stereomodells.  143

  Abb. 105 Programmoberfläche des Stereo Analyst  144

  Abb. 106 In Stereo Analyst kartierte 3D-Objekte in ArcScene visualisiert.  146

  Abb. 107 Aus den im Stereo Analyst kartierten 3D-features erstelltest TIN  147

  Abb. 108 Spitzen und Löcher im Geländemodell im Bereich kartierter Überhänge  

  aufgrund des 2,5D-TI-NFormates  147

  Abb. 109 „DTM Extraction“-Dialog  149

  Abb. 110 „Image Pair“-Rider des „DTM Extraction Properties“-Dialoges.  151

  Abb. 111 „Area Selection“-Rider des „DTM Extraction Properties“-Dialoges  151

  Abb. 112 „Set Strategy Parameters“-Dialog mit den „Default“-Einstellungen für den  

  Überlappungsbereich.  153

  Abb. 113 DGM vom headcut-Bereich des Gully Gorom mit der „Region Strategy“-  

  Einstellung „Default“  153

  Abb. 114 DGM vom headcut-Bereich des Gully Gorom mit den „Region Strategy“-  

  Einstellungen „Default“ für den Gully-Bereich, „Flat Areas“(siehe Abb.  

  115) für den Glacisbereich und „Exclude Areas“ für die Baumbereiche.  154

  Abb. 115 „Set Strategy Parameters“-Dialog mit den Einstellungen für flache  

  Geländebereiche  155

  Abb. 116 Schema der automatischen DG-MGenerierung in LPS bei kleinster  

  Suchfenstergröße im „Set Strategy Parameters“-Dialog mit der Einstellung  

  „DTM Filtering High“  155

  Abb. 117 DGM vom headcut-Bereich des Gully Gorom mit den „Region Strategy“-  

  Einstellungen „Default“ für den Gully-Bereich und „Flat Areas“ für den  

  Glacisbereich - 2fach überhöht.  156

  Abb. 118 „DTM Point Status Image“ des automatisch erstellten DGMs aus Abb. 117  157

  Abb. 119 Orientierte Stereomodelle des Gully Gorom, auf denen die für die  

  Mosaikierung verwendeten DGMs basieren  158

  Abb. 120 Differenzbilder von den Überlappungsbereichen der für die Mosaikierung  

  des Gully Goroms verwendeten DGMs  159

  Abb. 121 Im ERDAS Imagine „Viewer“ für die Mosaikierung der DGMs digitalisier-  

  te AOIs  160

  Abb. 122 Schrägansicht des dreidimensionalen Mosaiks des Gully Gorom zum  

  Monitoring-Zeitpunkt Dezember 2001- 2fach überhöht  161

  Abb. 123 Aufsicht auf das dreidimensionale Mosaik des Gully Gorom zum  

  Monitoring-Zeitpunkt Dezember 2001 - 2fach überhöht  162

  Abb. 124 Orientierte Stereomodelle des Gully Inselberg-Gorom auf denen die für die  

  Mosaikierung verwendeten DGMs basieren (Screenshots aus LPS)  162

  Abb. 125 Differenzbild vom Überlappungsbereich der für die Mosaikierung des  

  Gully Inselberg-Goroms verwendeten DGMs  163

  Abbildungsverzeichnis  12

  Abb. 126 Links: 3D-Modelle im ERDAS Imagine „Viewer“ mit den definierten  

  AOIs (rechts) Rechts: Auf den im ERDAS Imagine „Viewer“ definierten  

  AOIs basierende Ausschnitte der 3D-Modelle im ERDAS Imagine „Mosaik  

  Tool“  163

  Abb. 127 Unterschiedliche Ansichten des dreidimensionalen Mosaiks des Gully  

  Inselberg-Gorom zum Monitoring-Zeitpunkt Dezember 2001 - 2fach  

  überhöht.  164

  Abb. 128 Seitliche Rinnen, die sich rückschreitend von der Hauptrinne aus in die  

  Sandrampe einschneiden  165

  Abb. 129 Schrägansicht des dreidimensionalen Mosaiks des Gully Inselberg-Gorom  

  überlagert mit dem Luftbildmosaik zum Monitoring-Zeitpunkt Dezember  

  2001- 2fach überhöht.  166

  Abb. 130 Schrägansicht des dreidimensionalen Mosaiks des Gully Gorom überlagert  

  mit dem Luftbildmosaik zum Monitoring-Zeitpunkt Dezember 2001- 2fach  

  überhöht. Fehler Textmarke nicht definiert.  

  Abb. 131 Fehlerhaftes DGM vom Gully Inselberg-Gorom zum Monitoring-Zeitpunkt  

  Dezember 2000  167

  Abb. 132 Überlagerung der manuell kartierten 3D-features mit dem automatisch in  

  LPS generierten Geländemodell.  168

  Abb. 133 Automatisch in LPS erstellte Höhenlinenkarte mit Höhenlininen im  

  Abstand von 10cm vom headcut des Gully Gorom: Links: Senkrechte  

  Aufsicht Rechts: Schrägansicht.  169

  Abb. 134 Automatisch in LPS erstellte Höhenlinenkarte mit Höhenlininen im  

  Abstand von 10cm vom zentralen Bereich des Gully Inselberg-Gorom:  

  Links: Senkrechte Aufsicht Rechts: Schrägansicht  169

Tabellen- und  Fotoverzeichnis  13

  Tabellenverzeichnis  

  Tab. 1 Klima- und Vegetationszonen des Sahels  62

  Tab. 2 Überblick über die zu erzielenden Maßstäbe und Bodenauflösungen  76

  Tab. 3 Sedimentanalysen des Glacis im nördlichen headcut-Bereich des Gully  

  Gorom.  100

  Tab. 4 Niederschlagssummen in Millimeter der Regenzeitmonate der  

  Beobachtungsjahre 2000 und 2001 (Station: Gorom Gorom)  103

  Tab. 5 Sedimentanalysen der Sandrampe am Hang des Quarzitinselberges Collines  

  de Gagara.  107

  Tab. 6 Technische Daten und Merkmale der verwendeten Diascanner  111

  Tab. 7 Zusammenfassung der Triangulationsergebnisse der unterschiedlichen  

  Ausgangsbedingungen  113

  Tab. 8 Symmetrische Verzeichung in Abhängigkeit des Radiums in 1/1000 mm  

  des 50 mm-Normalobjektives  117

  Tab. 9 Symmetrische Verzeichung in Abhängigkeit des Radiums in 1/1000 mm  

  des 28 mm-Weitwinkelobjektives  117

  Tab. 10 Z-Koordinaten der generierten Passpunkte des Monitoring-Zeitpunktes  

  Dezember 2000 und die in Stereo Analyst aus dem Stereomodell des  

  Monitoring-Zeitpunktes Dezember 2001 abgelesenen Geländehöhen dieser  

  Punkte.  123

  Tab. 11 Z-Koordinaten der generierten Passpunkte des Monitoring-Zeitpunktes Juli  

  2000 und die in Stereo Analyst aus dem Stereomodell des Monitoring-  

  Zeitpunktes Dezember 2001 abgelesenen Geländehöhen dieser Punkte  123

  Fotoverzeichnis  

  Foto 1 Gully bei Oursi im Sahel Burkina Fasos, aufgenommen mit einem  

  Fesseldrachen aus etwa 100 Meter Höhe im Juli 2000  19

  Foto 2 Gully in Südspanien (Salada 4): Deutlich erkennbar ist der scharfe  

  Übergang zwischen Fläche und Gully  20

  Foto 3 Aktiver plunge pool (Ebrobecken, Spanien)  22

  Foto 4 Pipe entlang eines Trockenrisses im headcut-Bereich des Gully Gorom  

  (NE-Burkina Faso)  26

  Foto 5 Schrägluftbild mit Blick über die weite Glacis-Fläche im Dezember  2000

  bei Gorom Gorom  35

  Foto 6 Blick vom Inselberg Gangaol nach Nordwesten auf Inselberge und  

  tafelbergartige Flächenreste mit Lateritkrusten.  35

  Foto 7 Blick vom Dünenzug bei Oursi nach Süden auf den Ost-West verlaufenden  

  spätpleistozänen Altdünenzug von Kaya  36

Tabellen- und  Fotoverzeichnis  14

  Foto 8 Links: Abgeerntetes Hirsefeld mit Hirsespeicher. Die restlichen Stoppeln  

  dienen während der Trockenzeit als Viehfutter. Rechts: Hirsefeld in der  

  Regenzeit.  37

  Foto 9 Granitinselberg in der Region Aribinda  42

  Foto 10 Lateritkrusten-Inselberg bei Gangaol.  43

  Foto 11 Großflächige Überschwemmung in flachen Senken auf dem Glacis nach  

  einem Starkregenereignis  69

  Foto 12 Stereoarbeitsstation im quad buffered-Stereomodus mit Infrarotsteuerung  

  zur Synchronisation auf dem Monitor und Stereobrille  84

  Foto 13 Schrägluftbild des Gully Gorom - aufgenommen im Dezember 2001 vom  

  Fesseldrachen aus etwa 100 m Höhe.  99

  Foto 14 Durch Unterspülung und Dispergierung des Unterbodens nachgebrochene  

  Sackungspolyeder im headcut-Bereich des Gully Gorom im Juli 2000  100

  Foto 15 Seitenerosion an einer Insel im Prallhangbereich des Gully Gorom -  

  aufgenommen im Juli 2000 vom Fesseldrachen aus etwa 80 m Höhe.  101

  Foto 16 Äolische Sandrampe am Collines de Gagara, einem quarzitischen  

Inselberg.  Zwischen Inselberghang und Sandrampe hat sich ein Gully  

  eingeschnitten  106

1 Einleitung 15

1 Einleitung

Die Arbeit entstand im Rahmen des von der Deutschen Forschungsgemeinschaft geförderten Sonderforschungsbereichs 268 „Kulturentwicklung und Sprachgeschichte im Naturraum Westafrikanische Savanne“ - Teilprojekt D5. Sie knüpft eng an die bisher behandelten Fragestellungen bezüglich der aktuellen Landschaftsentwicklung (siehe ALBERT 2002; MÜLLER 2003) in dem stark anthropo-zoogen überprägten sahelischen Raum an. Aktuell ist im sahelischen Arbeitsgebiet, dem nördlichen Oudalan Burkina Fasos (siehe Abb. 30), eine Zerschneidung der weiträumig dominierenden Glacis-Rumpfflächen, der spätpleistozänen pedogenetisch verfestigten Altdünenzüge, sowie der Sandrampen an Inselberghängen durch Gully-Systeme zu beobachten. Diese Landschaftseinheiten unterliegen einem starken Nutzungsdruck, vor allem durch den Hirseanbau im Bereich der Altdünenzüge und die Weidenutzung in der gesamten Region. Die sich dadurch verringernde Vegetationsbedeckung erhöht die Erosionsanfälligkeit des Bodens. HUDSON (1995: 285) definiert Gullies als “...a steep-sided eroding watercourse which is subject to intermittend flash floods”.

Wie schnell der Prozess der Gully-Erosion voranschreitet und welche Austragsmengen sich ergeben, soll beispielhaft an zwei Gully-Systemen, im Glacis und in einer Sandrampe ausgebildet, untersucht werden. Die Analyse bedient sich der Methode des großmaßstäbigen Luftbild-Monitorings mit einem Fesseldrachen (siehe Kap. 3.1). Während drei Geländephasen (Juli & Dezember 2000, Dezember 2001) wurden im Nordosten von Burkina Faso über 2500 Luftbilder von vier Gully-Systemen aus etwa 130 m Höhe erstellt, die deren jeweilige Ausdehnung dokumentieren. In dieser Arbeit soll geklärt werden, in wie fern die moderne photogrammetrische Software (Leica Geosystems „Leica Photogrammetry Suite“ und „Stereo Analyst“) die manuelle und automatische Erstellung von dreidimensionalen Geländemodellen sowie eine anschließende Austragsvolumenberechnung auf Basis dieser Bilder ermöglicht. Die detaillierte Kenntnis der Austragsmenge zunächst einzelner Systeme könnte einen wichtigen Beitrag zur offenen Fragestellung: „Welchen Anteil hat die Gully-Erosion am Gesamterosionsgeschehen?“ leisten. Auch für die Abschätzung zukünftiger Schäden auf den Flächen selbst (onsite-Schäden) sowie im unteren Einzugsgebiet durch die Sedimentbelastung der Vorfluter (offsite-Schäden) sind die Analysen zur Wachstumsgeschwindigkeit und Sedimentaustragsmenge von Bedeutung. Im Hinblick auf Fragestellungen in der theoretischen Geomorphologie können die Ergebnisse zur Untersuchung der intrasystemischen Reliefsteuerung (Verfüllung und Zerschneidung) genutzt werden.

1.1 Problemstellung

Viele neue Studien behandeln das Themenfeld der Gully-Erosion, jedoch nur wenige betrachten die großräumige sowie langzeitliche Entwicklung von Gully-Systemen. Es besteht daher sowohl ein großer Bedarf an experimentellen Untersuchungen, um die vielfältigen Einflussfaktoren der Gully-Erosion zu spezifizieren als auch die Entwicklung von Gully-Systemen durch Monitoring-Sequenzen zu dokumentieren. Ziel ist es dabei, den Zusammenhang von Gully-Erosion und Bodendegradation zu beleuchten und Modelle zur Vorher- sage der Gully-Erosionsraten im Zuge der globalen Veränderungen (Klima, Landnutzung)

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zu entwickeln (POESEN et al. 2003: 96). Gerade die Erfassung des Austragsvolumens ist derzeit jedoch noch mit großen Schwierigkeiten verbunden, da die aus Standardluftbildern generierten Geländemodelle zu ungenau sind und die terrestrische Vermessung zu aufwendig. Die Bestimmung des Austragsvolumens ist aber notwendig, um den Anteil der Gully-Erosionsrate an der Gesamterosionsrate eines Einzugsgebietes zu bestimmen, sowie das Gefährdungspotential für die Flächen oberhalb und die fluvialen Systeme und Staureservoire unterhalb zu beurteilen.

Zur genauen Erfassung der Dimension des Austrages und der damit verbundenen Erosionsschäden muss der Prozess des Gully-Wachstums möglichst genau erfasst und dokumentiert werden. Problematisch ist diese Aufgabe, weil die notwendigen Informationen nur mit mangelnder Detailgenauigkeit aus Satelliten- oder Standardluftbildern entnommen werden können, da diese für eine maßstabsgerechte Dokumentation der Veränderungen ein zu geringes Auflösungsvermögen aufweisen (siehe Kap. 3.1.1). Konventionelle terrestrische Messverfahren (z.B. Querschnitts- und Längenmessungen, Erosions-Pins) sind sehr aufwendig und ungenau (ARCHIBOLD et al. 1996: 1002 ff.). Ein regelmäßiges Monitoring aus geringen Höhen, das präzise Aussagen über die Entwicklung des Gully-Systems ermöglicht, erscheint deshalb als geeignetes Dokumentationsmittel.

Mit dem Fesseldrachen (siehe Kap. 3.1.3) steht ein handliches Trägersystem für Kleinbildkameras zur Verfügung, welches großmaßstäbige Aufnahmen ermöglicht. Die Flughöhe und damit der Abbildungsmaßstab sowie die zeitliche Abfolge der Bilder (Flugzeitpunkte) kann variabel gestaltet und auf die Feldarbeiten im Gelände abgestimmt werden. Da die großmaßstäbigen Bilder nur kleinere Bereiche des Gully-Systems abdecken, sind immer mehrere Bilder bzw. orientierte Stereopaare notwendig, um die gesamte Gully-Fläche zu dokumentieren. Diese Aufnahmen ermöglichen nach der Entzerrung und Mosaikierung eine zweidimensionale Kartierung der flächenhaften Veränderungen eines Gully-Systems. Digitale photogrammetrische Techniken ermöglichen die dreidimensionale manuelle Kartierung und automatische Geländemodellerstellung aus orientierten Stereobildpaaren. Erste Versuche manueller photogrammetrischer Stereoauswertung haben gezeigt, dass sich auch ohne spezielle Messkameras mit Kleinbildaufnahmen dreidimensionale Geländemodelle erstellen lassen (MARZOLFF 1999: 92). Die automatische Geländemodellerstellung gestaltet sich aufgrund schwankender Flughöhen (unterschiedliche Bildmaßstäbe), nur näherungsweise bekannter Werte für die innere Orientierung der Kamera (siehe Kap. 3.2.6.1), sowie z.T. starker Verzerrungen der Bilder aufgrund von Kameraschwankungen zum Aufnahmezeitpunkt jedoch als schwierig. Passpunkte zur genauen äußeren Orientierung der Bilder konnten zudem nur zum letzten Aufnahmezeitpunkt (Dez. 2001) ausgelegt und vermessen werden, da zu Beginn des Monitorings kein Tachymeter zur Verfügung stand (Kap. 3.2.6.2). Doch selbst eine ausreichende Anzahl Passpunkte kann eine vollständige rechnerische Entzerrung mehrerer Bilder bei der Mosaikierung oder Triangulation nicht gewährleisten. ALBERT (2002: 196, 118), der eine zweidimensionale Kartierung für zwei der vier Gully-Systeme im Arbeitsgebiet (siehe Abb. 30) durchführte, beziffert den Kartierungsfehler auf etwa 10-15 %. Dieser Wert fällt besonders bei Weitwinkel- oder starken Schrägaufnahmen höher aus. Die Abschätzung des Messfehlers der manuellen Kartierung für das gesamte Monito- ring (am Beispiel des Gully-Systems Gorom) ist mit 5,7 % gering, jedoch schwanken die

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Werte je nach Bildqualität in den einzelnen Mosaikbereichen mit bis zu 22 % sehr stark (ALBERT 2002: 118). Damit stellt sich die Frage nach der Realisierbarkeit und Genauigkeit einer dreidimensionalen Auswertung mit photogrammetrischer Software.

1.2 Ziel der Arbeit

Ziel dieser Arbeit ist es, die bisher nur flächenhafte Auswertung der großmaßstäbigen Luftbilder mithilfe digitaler Messtechniken um die dritte Dimension zu erweitern. Dreidimensionale Geländemodelle von Gully-Systemen zu unterschiedlichen Monitoring-Zeit-

punkten würden die Quantifizierung des Austragsvolumens ermöglichen und damit einen wichtigen Beitrag für eine bessere Abschätzung der ausgetragenen Sedimentmenge leisten. Die manuelle dreidimensionale Kartierung und automatische Geländemodellerstellung er- folgt beispielhaft mit großmaßstäbigen Luftbildern von zwei Gully-Systemen im Sahel Burkina Fasos. Durch einen Vergleich mit den bereits durchgeführten zweidimensionalen Kartierungen der Gully-Systeme von ALBERT (2002) sollen Aussagen über die Genauigkeit der angewendeten Methoden und Auswertungen getroffen werden. Dabei stellen sich folgende Fragen:

• Worauf muss zukünftig bei der Luftbilderstellung geachtet werden (Anzahl der Passpunkte, Anordnung der Bilder, Überlappungsbereich, Flughöhe, Senkrechtaufnahmen usw.)?

• Worauf muss bei der Auswahl der Bilder geachtet werden?

• Welche Scanner eignen sich für die Digitalisierung der Bilder?

• Welche Dimension haben die Kamera- bzw. Scannerungenauigkeiten für die Auswertung der Bilder?

• Mit welchen Programmeinstellungen der photogrammetrische Software „Leica Photogrammetry Suite“ (LPS) ¹ von Leica Geosystems (ehemals ERDAS Imagine

„OrthoBASE“) können die genauesten Geländemodelle erstellt werden?

• Erzielt die manuelle Stereokartierung im Stereo Analyst oder die automatische Geländemodellerstellung in LPS die besseren Ergebnisse?

• Wie genau kann man die Sedimentaustragsmenge abschätzen?

Die automatische Geländemodellerstellung aus mehreren orientierten Stereobildpaaren (siehe Kap. 3.2.6) soll mit LPS durchgeführt werden, die u.a. die Auswertung von Kleinbildaufnahmen ermöglicht. Bei den großmaßstäbigen Drachenbildern handelt es sich zum Teil um starke Schrägaufnahmen und Bilder mit großen Maßstabunterschieden. Ob sich die Software dennoch für die Auswertung eignet, soll geprüft werden. Die manuelle Stereokartierung wird mit Leica Geosystems Stereo Analyst getestet. Die anschließende Volumenberechnung und 3D-Visualisierung erfolgt mit ESRI ArcView 8.3. Die in der Arbeit erworbenen Kenntnisse sollen im DFG-Forschungsprojekt MOGUL (Großmaßstäbiges Gully-Monitoring in semiariden Landschaften) von Prof. Dr. Ries und Dr. Marzolff, welches verschiedene Untersuchungsgebiete (Baza-Becken in Südspanien, Ebrobecken in Nordspanien, Südabdachung des Anti-Atlas in Südmarokko) vorangehender

¹ Im Folgenden wird nur noch die Abkürzung LPS als Programmbezeichnung verwendet.

1 Einleitung 18

Projekte vereint, zur besseren Analyse der Sedimentaustragsmenge aus Gully-Systemen genutzt werden. Ziel ist es, mit Hilfe der während der Auswertung gesammelten Erfahrungen, Anregungen zur Verbesserung und Weiterentwicklung der Methodik des Monitorings zu geben, um die Verwertbarkeit der Bilder zu erhöhen.

Die bereits vorliegenden, unterschiedlich weit zurückreichenden Monitoring-Sequenzen sollen auch in Zukunft in den bisherigen Arbeitsgebieten weitergeführt werden. Somit ergibt sich ein Transekt von Südwesteuropa über Nordafrika nach Westafrika, entlang eines Klimagradienten von den mediterranen Subtropen bis in die wechselfeuchten Randtropen (siehe Abb. 1). So kann die Gully-Bildung im Hinblick auf die regional unterschiedlichen Einflussfaktoren (Reliefsituation, Einzugsgebietsgröße, Klima, Sedimentstruktur, Vegetationsstruktur und -bedeckung sowie Landnutzung- bzw. Landnutzungswandel) (siehe Kap. 1.3.2) vergleichend analysiert und der Anteil der Gully-Erosion am Gesamtproblem Bodenerosion besser abgeschätzt werden.

Abb. 1 Gully-Monitoring entlang des Transekts Südwesteuropa - Westafrika.

1.3 Aktueller Forschungsstand

Gullies sind ein weltweit verbreitetes Erosionsphänomen mit starker Dynamik und hohem Veränderungsgrad vorwiegend in semiariden und ariden Gebieten. Dies spiegelt sich in der Vielfalt der Bezeichnungen wider (in Deutschland: Erosionsschlucht oder -graben; in Spanien: barranco; im Englischen: gully; in Süd-Afrika: donga; in Süd-Amerika: carcava oder arroyo) (HUDSON 1995: 284). Mit ihrer charakteristischen Grabenform und z.T. beachtlichen Tiefen (>25 m) repräsentieren sie das typische Bild einer von Bodenerosion schwer betroffenen Landschaft. Gullies bilden sich durch die enorme Erosionskraft konzentrierter,

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periodisch auftretender Oberflächenabflüsse, die in schmalen Rinnen bzw. Gräben kanalisiert werden (siehe Foto 1). In der agrarwirtschaftlich ausgerichteten Literatur spricht man von Gullies, wenn die Egalisierung durch gewöhnliches Pflügen nicht mehr möglich ist (POESEN et al. 2002: 229). Die Bildung ist damit irreparabel und betroffene Flächen sind für die landwirtschaftliche Nutzung verloren oder nur unter sehr hohem finanziellen Aufwand wieder herzustellen (HUDSON 1995: 291; POESEN et al. 2003: 92). POESEN (1993: 222) trennt Rillen von Gullies nach dem Querschnittskriterium (>929 cm²) und IMESON & KWAAD (1980: 224) nehmen eine minimale Tiefe für Gullies von 0,5 m an. Der Übergang von Rillen zu Gullies ist jedoch fließend und jegliche Abgrenzungskriterien subjektiv (POESEN et al. 2002: 230). Große Rinnen mit einer Breite von mehreren Metern und einer Tiefe bis zur Pflugsohle werden als ephemeral gullies bezeichnet. Sie können durch das Pflügen egalisiert werden, bilden sich beim nächsten großen Regenereignis jedoch meist erneut aus (POESEN et al. 2002: 229; POESEN et al. 2003: 94).

Foto 1 Gully bei Oursi im Sahel Burkina Fasos, aufgenommen mit einem Fesseldrachen aus etwa 100 Meter Höhe im Juli 2000 (Bildnummer OU1(N) 10).

Gullies bilden, obwohl sie kein perennierendes Gerinne aufweisen, eine typische fluviale Erosionsform, die periodisch bis episodisch weitergebildet wird (siehe Foto 1). Je nach klimatischen Bedingungen, Substrateigenschaften und Relief ist die Form recht unterschiedlich ausgebildet. Dennoch können einige allgemein beschreibende Merkmale aufgeführt werden:

• Das über wenige Meter bis mehrere Kilometer ausgedehnte Längsprofil des Gullies ist meist flach bis leicht geneigt und weist oft eine Treppung auf, für die häufig Wechsel im Substrat oder Bodenkrusten verantwortlich sind (siehe Abb. 2f).

• Die steilen oft senkrechten Wände gehen mit scharfem Knick in die Umgebung

1 Einleitung 20

• Gullies können durch Vegetation nicht stabilisiert werden, da die hohe Dynamik an

zeln finden kaum Halt.

• Die abfließenden Wassermassen schneiden sich meist in tertiäre oder holozäne Lockermaterialablagerungen ein. Diese sind leicht erodierbar und ermöglichen so die initiale Einschneidung.

• Sind die Restflächen zwischen mehreren nebeneinander liegenden Gully-Systemen

Foto 2 Gully in Südspanien (Salada 4): Deutlich erkennbar ist der scharfe Übergang zwischen Fläche und Gully.

1.3.1 Gully-Bildung und -Entwicklung

Die Gully-Bildung steht immer in Verbindung mit einer Änderung der Oberflächenabflussverhältnisse, speziell einer Verkürzung der Verzögerungsspanne bis zum Einsetzen des Oberflächenabflusses (z.B. durch Abnahme der Vegetationsdichte) und/oder einer Erhöhung der Oberflächenabflussmenge (BILLI & DRAMIS 2003: 354). Sobald die Niederschlagsmenge die Infiltrationskapazität übersteigt, was durch Verschlämmung an der Bodenoberfläche sehr schnell der Fall sein kann, setzt oberflächlicher Abfluss ein (siehe Abb. 2a). An kleinen Hindernissen kommt es zur Ausbildung von Turbulenzen mit kleinräumig sehr hohen Geschwindigkeitsschwankungen, die punktuell die Erosion verstärken (siehe Abb. 2b). Die Bodenoberfläche wird aufgerissen und es entsteht eine kleine Stufe, der so genannte Rillenkopf (engl. headcut) (siehe Abb. 2c). Über derartige Stufen fließt das Wasser konzentriert ab und bildet am unteren Ende ein Strudelloch (engl. plunge pool) (siehe Abb. 2d und Foto 3). Die unterschiedlichen geomorphologischen und hydrologischen Ursa- chen werden von OOSTWOUD WIJDENES & GERITS (1994) näher beleuchtet.

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Abb. 2 Initiale Gully-Einschneidung (verändert nach MORGAN 1999: 24).

Die Entwicklungsgeschwindigkeit von Gullies wird durch die Aktivität an der Stirnwand, d.h. am Gully-headcut, gesteuert (siehe DE OLIVEIRA 1989). Das herabstürzende Wasser führt an deren Fuß, durch Auswaschung des feinkörnigen Substrates, zur Übertiefung. Im Strudelloch selbst kommt es zu einer hangaufwärts gerichteten Fließbewegung, die die Stirnwand unterhöhlt (siehe Abb. 3) und langsam, durch nachfolgendes gravitatives Einstürzen der Wände entlang von Entlastungs-, Trocken- oder Frostrissen, rückwärtig verlagert (siehe Abb. 2e und Abb. 4) (klassisches Prinzip der rückschreitenden Erosion) (DE PLOEY 1989: 83 ff.; POESEN et al. 2002: 239). Dasselbe gilt für kleine Gefällsstufen (engl. knickpoints) im weiteren Verlauf der Rille (siehe Abb. 2f). Der Prozess der Unterhöhlung

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wird durch die Durchfeuchtung mit Spritzwasser oberhalb des plunge pools noch verstärkt. Aktive headcuts verlagern sich bis zu mehren Metern pro Niederschlagsereignis hangaufwärts; hier wird das meiste Material erodiert (COLLISON 2001: 4). Da der Gully-Boden nicht parallel zur Oberfläche, sondern um einige Grade flacher zurückverlagert wird, wächst die Höhe der Stirnwand mit der Verlagerung des headcuts hangaufwärts, d.h. das Gully-System vertieft sich zunehmend. Damit steigt wiederum die Erosionsintensität im Strudelloch. Innerhalb des Längsprofils bilden sich beim Abfluss Schraubenwellen aus, die durch Seitenerosion die Rinnenwände häufig unterscheiden und hier ebenfalls zum Nachbrechen von Wandpartien führen; so dehnt sich der Gully auch seitlich aus. Dabei können Auslieger, isolierte Türme, Säulen und Brücken entstehen (siehe Foto 2).

Foto 3 Aktiver plunge pool (Ebrobecken, Spanien).

Abb. 3 Aktiver Gully-headcut bei einem Abflussereignis: Am Fuß der Stirnwand bildet sich durch

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Abb. 4

1.3.2 Einflussfaktoren der Gully-Entwicklung

Gully-Bildung findet vor allem unter semiariden Klimabedingungen mit geringer Niederschlagsmenge bei hoher Niederschlagsvariabilität statt (POESEN & HOOKE 1997: 163 ff.). Sieben bis neun aride Monate haben zur Konsequenz, dass die Vegetationsbedeckung nur lückenhaft ist. Nach STOCKING (1988: 164) bietet auf Agrar- und Grasflächen 60 % Vegetationsbedeckung effektiven Schutz gegenüber Bodenerosion. Die exponentielle Funktion des Verhältnisses zwischen Vegetationsbedeckung und Bodenabtrag, mit einer wirkungsvollen Reduktion der geomorphodynamischen Aktivität ab einem Grenzwert von 30-40 % Vegetationsbedeckung, ist in Abb. 5 dargestellt. Für semiaride Regionen mit Brachflächen und Buschbeständen im Ebrobecken Spaniens tritt nach RIES (2000: 551) allerdings erst ab 60 % Vegetationsbedeckung eine Reduktion der geomorphodynamischen Aktivität ein. Häufig reichen auch Bedeckungsgrade von bis zu 90 % nicht aus, um Rinnenerosion wirkungsvoll einzudämmen (RIES 2000: 551). Grenzwertunterschiede bei gleichen Vegetationsbedeckungsgraden werden vor allem durch die unterschiedliche Wuchsform der Pflanzen und die Variation der Bodenfeuchte bedingt (RIES 2000: 85). Das Auflassen bzw. Brachfallen von Ackerflächen erhöht den Oberflächenabfluss bis zu deren Wiederbegrünung und trägt somit ebenfalls zum Gully-Wachstum bei. Bei geringer Vegetationsbedeckung führt die Erosion des humosen Oberbodens zur Herabsetzung der Infiltrationskapazität. Die Neuansiedelung von Vegetation wird durch den Verlust des organischen, nährstoffreichen und gut durchwurzelbaren Bodenmaterials, der z.T mit der Ausbildung von Steinpflastern verbunden ist, zudem erschwert (RIES 2000: 90). Ein hoher Anteil der Niederschläge fließt daher oberflächlich ab, wobei sich die abfließenden Wassermassen meist zwischen Sträuchern oder anderen Vegetationsinseln konzentrieren. Die Pflanzenarten und Artenzusammensetzung steuern dabei die Abflussprozesse und Abflussbildung entschei- dend mit (RIES 2000: 87 ff.). Art und Grad der Vegetationsbedeckung haben dabei einen

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größeren Einfluss auf das Überschreiten der kritischen topographischen Schwellenwerte für den Oberflächenabfluss als die Klimabedingungen (VANDEKERCKHOVE et al. 2000b: 1212; POESEN et al. 2002: 247 f.).

Abb. 5 Bodenerosion/Vegetationsbedeckungs-Beziehung (aus STOCKING 1988: 165 nach ELWELL 1980 und ELWELL & STOCKING 1974).

Häufige Starkniederschläge während der Regenzeit (siehe Kap. 2.4.2) sorgen kurzfristig für große Wassermengen auf der Oberfläche, die nur langsam in den vor allem nach der Trockenzeit stark ausgetrockneten Oberboden infiltrieren. Die hohe kinetische Energie der Starkregen führt zudem zur Verstärkung der Erosivität durch den splash-Effekt (Regentropfenschlagwirkung). Beim Aufprall des Regentropfens auf die Bodenoberfläche werden Bodenpartikel gelockert, Bodenaggregate zerschlagen (Spratzeffekt), Bodenteilchen und -aggregate verlagert sowie die Bodenrauhigkeit durch Einschlagstrichter erhöht. Damit bereitet dieser Prozess Material für die Erosion auf (RIES 2000: 93 f.). Nach AUERSWALD (1998: 35) und FOHRER (1995: 19) wird der splash-Effekt durch einen dünnen Wasserfilm auf der Oberfläche von bis zu 0,1-0,3 Tropfendurchmessern Dicke durch die Planschwirkung der Regentropfen noch verstärkt und die Suspensionsfracht besonders in schluffreichen Substraten erhöht.

In semiariden Gebieten wie dem Sahel führen schon geringfügige klimatische Veränderungen, wie in den letzten Jahrzehnten (siehe Kap. 2.4.2), zur drastischen Veränderung der Bedingungen im Einzugsgebiet. Zum Beispiel hat eine Abnahme der Niederschlagsmenge oder eine variablere Verteilung eine geringere Vegetationsbedeckung zur Folge. Dadurch wird der Abtrag auf den Hängen erhöht. Die erodierten Sedimentmengen können bei geringerem Abfluss vom Vorfluter nicht ausgetragen werden, sondern führen zu einer Verfüllung. Umgekehrt kommt es bei höheren Niederschlägen und einer ausgeglicheneren Niederschlagsverteilung zu dichterer Vegetationsbedeckung auf den Hängen und damit zu geringerem Abtrag. Eine Verringerung der geschütteten Sedimentmenge ist die Folge. Die höheren Abflüsse führen dann zur Einschneidung der Gerinne und zur Ausräumung der vorher aufgefüllten Sedimente.

1 Einleitung 25

Für die Ausbildung der Gully-Form sind vor allem physikalische und chemische Substrateigenschaften sowie die Reliefposition maßgebend (TERNAN et al. 1998: 88; VANDEKERCK- HOVE etal. 2000a: 48 ff.). Die für das Einsetzten des Oberflächenabflusses notwendige kritische Hangneigung ist von den Bedingungen (Boden, Klima, Landnutzung usw.) und der Verzweigung des Entwässerungssystems im Einzugsgebiet abhängig (POESEN et al. 2002: 241 ff.). Je größer das Einzugsgebiet (Hanglänge) ist, desto mehr oberflächlich abfließender Niederschlag kann sich sammeln und erosiv wirksam werden. Anfällig für eine lineare Zerschneidung durch Gully-Systeme sind einerseits Lockergesteine (z.B. Sandsteine, Tonsteine, Mergel, Gipse) und zum anderen wenig bis gar nicht verfestigte Lockersedimente und Umlagerungsprodukte aufgrund ihrer geringen Widerstandsfähigkeit. Diese Sedimente kommen meist in Beckenlandschaften und Senkenbereichen vor. Besonders schnell werden lösungsanfällige Lockersubstrate mit hohen Salz- und Gipsgehalten und/oder einem Defizit an organischem Material, was zur Verringerung der Aggregatstabilität führt, erodiert (POESEN & HOOKE 1997: 166 f.). In derartigen Sedimenten kommt es häufig zu piping-Prozessen (siehe unten) und flächenhaft hohen Abtragsraten auf den Hängen.

Bei zur Krustenbildung neigenden, lehmig-schluffigen Sedimenten kann durch Verschlämmung ² von Substrat an der Oberfläche eine oberflächennahe Versiegelung der Fein-und Grobporen erfolgen, die eine Verringerung der Infiltrationskapazität bedingt. Das führt zu einer Erhöhung des oberflächlich abfließenden Niederschlaganteils und damit auch der Erosionsintensität infolge höherer Abflussgeschwindigkeiten. Bodenkrusten können sogar die für hohe Infiltrationsraten positiven bodenphysikalischen Eigenschaften (z.B. hohe Bodenfeuchtegehalte, hoher Anteil organischer Substanz) kompensieren (CEBALLOS BARBAN- CHO &SCHNABEL 1998: 35 ff.).

Ebenfalls Einfluss auf die Oberflächenabflussbildung haben die Bodenfeuchte und der Grad der Steinbedeckung an der Bodenoberfläche. Die flächenhaften Abtragsraten reduzieren sich um 20-65 % bei bereits durchfeuchteten Oberböden im Vergleich zu trockenen, da das Wasser schneller infiltriert. Eine Steinbedeckung reduziert ebenfalls die Oberflächenabflussraten, allerdings ist dieser Effekt je nach Bedeckungsgrad und Art der Einbettung in den Boden recht unterschiedlich (POESEN et al. 1999a: 315).

In den immerfeuchten und wechselfeuchten Tropen schneiden sich Gullies häufig in tiefenverwittertes aufgeweichtes Festgestein, sog. Saprolit-Komplexe, ein. Der geringe Tongehalt, das Fehlen von organischer Substanz, sowie nur geringe Gehalte an zementierend wirkenden Eisenoxiden machen die Saprolite sehr anfällig gegenüber linearer Wassererosion. In semiariden Gebieten kommen Saprolit-Komplexe allerdings nur reliktisch vor. Subterrane Röhren (engl. pipes), in denen es zur Abfuhr und Dispersion (Ablösung) von Material durch unterirdisch abfließendes Wasser kommt, zeichnen die Wachstumsrichtung der Gullies häufig vor (siehe MÄCKEL & RIES 1996: 40 f.; GARCÍA-RUIZ et al. 1997: 276 f.; TERNAN et al. 1998: 82; FARIFTEH & SOETERS 1999: 249 f.; BENITO et al. 2000: 213 ff.; VANDEKERCKHOVE et al. 2000a: 51). Sie bilden sich ausgehend von Trockenrissen,

² Voraussetzung für die Verschlämmung ist der Aggregatzerfall, der durch splash-Effekt, Dispersion, Luftsprengung, Quellung/Schrumpfung und die Reduktion der Kohäsion bei zunehmendem Wassergehalt ausgelöst wird (RIES 2000: 93).

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Wurm- oder Tiergängen in standfesten Lockersedimenten und werden bei Wasserdurchfluss immer stärker erweitert - ein tunnelförmiger Hohlraum, die pipe, entsteht (siehe Foto 4). Anfällig für piping-Prozesse ist vor allem schluffig-toniges Substrat mit einer hohen elektrischen Leitfähigkeit, das Unterschiede in Porosität, Lösbarkeit und Stabilität zwischen den einzelnen Sedimentschichten aufweist. Initiierend für die Bildung sind Tiergänge sowie tiefe Schrumpf- bzw. Trockenrisse, die das konzentrierte Eindringen des Oberflächenabflusses ermöglichen. Eine hohe Leitfähigkeit deutet auf eine höhere Dispersionsneigung des Substrates hin (VANDEKERCKHOVE et al. 2000a: 51). Auch Bodenkrusten über wenig konsolidiertem Material begünstigen die Entstehung von pipes (POESEN et al. 2002: 238 f.). Hohe Sandanteile und/oder ein geringer Anteil an Grobporen reduzieren die Anfälligkeit hingegen. Kleine Röhren und Schächte können sowohl die headcut-Bildung als auch die Entstehung von knickpoints in schon bestehenden Rinnen initiieren. Auch das Einbrechen von pipes oder das Nachbrechen von Wandpartien entlang von piping-Schächten kann den Rinnenverlauf beeinflussen (MÄCKEL 1976: 479). Piping-Prozesse spielen auch beim

Wachstum des Gully Gorom eine entscheidende Rolle (siehe Kap. 4.1.1).

Die Geschwindigkeit der rückschreitenden Erosion ist vor allem von der einströmenden Wassermenge abhängig. Diese wird von den Bedingungen für die Oberflächenabflussbildung und der Einzugsgebietsgröße gesteuert. Mit zunehmender Oberflächenabflussmenge und/oder Hangneigung steigt die Abflussgeschwindigkeit und damit die Erosivität. Die Größe des Einzugsgebietes wird durch die Verlagerung des Gully-heads hangaufwärts notwendigerweise immer kleiner, die einströmende Wassermenge nimmt ab und damit lässt auch die Strudelwirkung und Übertiefung nach. Die Stirnwand bildet sich daher weniger hoch aus und der Gully verliert in seinem oberen Teil an Tiefe. Hat ein Gully-System den oberen Bereich des Einzugsgebietes erreicht, wird es inaktiv und die steilen Hänge, auch im Seitenbereich, werden durch Spülprozesse verflacht und abgerundet.

Foto 4 Pipe entlang eines Trockenrisses im headcut-Bereich des Gully Gorom (NE-Burkina Faso).

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Eine sehr wichtige Rolle spielt die anthropogene Einflussnahme durch die agrar- und weidewirtschaftliche Landnutzung auf das ökologische Gleichgewicht. Dieses wird für den semiariden sahelischen Raum jedoch besser als hoch variables „Prozess-Response-System“ (Klima, Vegetationsbedeckung; Morphodynamik) beschrieben. Veränderungen der Vegetationsverteilung und -bedeckung z.B. durch flächenhafte Rodung, Pflügen des Oberbodens, Fruchtwechselfolgen, Brachfallen oder Reaktivieren von Anbauflächen, Brennholzentnahme oder intensive Beweidung verändern die geomorphodynamischen Bedingungen auf den Hängen im Einzugsgebiet (SMITH 1982: 33). Der Oberflächenabfluss und damit die Bodenerosion nehmen sprunghaft zu (POESEN & HOOKE 1997: 157, 168). Die Art der Landnutzung hat einen großen Einfluss auf die Intensität der Bodenerosion im Einzugsgebiet. Saisonal brachliegendes Land ist z.B. stärker erosionsgefährdet als eine spärliche „natürliche“ Vegetationsbedeckung, da vor allem die Rauhigkeit der Pflugrillen häufig die Richtung des Oberflächenabflusses vorgibt und diesen kanalisiert; Viehpfade haben eine ähnliche Wirkung (AUZEIT et al. 1995: 768). In Tälern und Senken kommt es durch die verstärkte Erosion zur Verfüllung mit den ausgeräumten Sedimenten. Nimmt aber die abgetragene Substratmenge z.B. durch Veränderungen im Anbaugefüge, bodenschonende Bearbeitung, Flächenstilllegungen, Erosionsschutzmaßnahmen (z.B. Terrassierung der Hänge) oder weil an den Hängen der erodierbare Boden bis auf das Anstehende abgetragen ist wieder ab, so kann es zu einer Zerschneidung der Sedimente durch Gully-Erosion kommen. Einen besonderen Einfluss hat die Terrassierung von Hängen auf die Gully-Entwicklung. Terrassen verkürzen die Hanglänge und reduzieren damit den Oberflächenabfluss. Allerdings fließt über die Kanten stellenweise konzentriert Wasser ab, zerschneidet diese und räumt sie rückwärtig aus - ein neuer headcut entsteht. Hier greift das Prinzip der bank- Gully-Entstehung(siehe Kap. 1.3.3).

Der Wechsel zwischen Sedimentations- und Einschneidungsphasen kann allerdings auch systemimmanent bedingt sein, d.h. Änderungen im fluvialen System führen zu Einschneidung oder Sedimentation. Senkt sich z.B. die Erosionsbasis durch zunehmende Einschneidung des Hauptvorfluters, so kommt es ebenfalls zur Zerschneidung der Talbodensedimente, bis sich das Gerinne und mit ihm das Tallängsprofil auf die veränderten Bedingungen eingestellt hat. Eine Erhöhung der Erosionsbasis bewirkt Sedimentation in den unteren Talabschnitten, die sich langsam bis in das obere Einzugsgebiet fortpflanzt, da die Erosions- und Transportkraft bei abnehmendem Gefälle geringer wird. Somit können systemimmanente Wechsel von Aufhöhungs- und Einschneidungsphasen stattfinden, ohne dass sich das Klima ändert oder der Mensch eingreift.

Zusammenfassend kann festgehalten werden: Die Gully-Entwicklung wird hauptsächlich von den Faktoren Klima, Vegetationsbedeckung, anthropogene Aktivität im Einzugsgebiet (Landnutzung und Landnutzungswandel), Einzugsgebietsgröße sowie Aufhöhung bzw. Absenkung der lokalen Erosionsbasis gesteuert. Die Eigenschaften des Ausgangssubstrates, piping-Prozesse und das Relief beeinflussen die Form, Tiefe und Entwicklungsrichtung von Gully-Systemen. Da die Entwicklungsgeschwindigkeit vor allem von der in den Gully einströmenden Wassermenge abhängt, sind außer der Niederschlagsmenge und -intensität die Größe des Einzugsgebietes und die Landnutzung bzw. Vegetationsbedeckung die das Aus- maß der Gully-Erosion kontrollieren Faktoren (AUTZEIT et al. 1995: 768; VANDEKERCK-

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HOVE et al. 2000a: 56). Je nach Standort ergeben sich jedoch vielfältige Kombinationsmöglichkeiten der Einflussfaktoren und damit recht unterschiedliche Bildungsbedingungen.

1.3.3 Gully-Typen und -Entwicklungsgeschwindigkeiten

Die unterschiedlichen Ausprägungen von Gullies sowie ihre Wachstumsgeschwindigkeiten wurden in vielen Studien nach unterschiedlichen Kriterien wie Form, Position in der Landschaft und Ausgangssubstrat untersucht, typisiert und beschrieben (z.B. IMESON & KWAAD 1980; MCFARLANE & WHITLOW 1990; CROUCH 1990; POESEN 1993; POESEN et al. 1996; BEAVIS 2000; KIRKBY & BULL 2000; NOGUERAS et al. 2000). Häufig kommen zur Dokumentation der Entwicklungsgeschwindigkeit auch Luftbilder unterschiedlichen Maßstabs zum Einsatz (siehe BARRÓN et al. 1994; RIES & MARZOLFF 1997; MARZOLFF 1999; RIES 1999; MORETTI & RODOLFI 2000; RIES & MARZOLFF 2003).

Grundsätzlich kann man nach Lage im Relief und Substrattyp zwei Arten von Gullies unterscheiden:

Der badland-Typ (siehe Abb. 6) bildet sich vorwiegend in Sedimentgestein aus und ist an mäßig steilen bis steilen Hängen zu finden. Die Form und die Geschwindigkeit des Wachstums werden von der Menge und Konzentration des Oberflächenabflusses gesteuert. Der Gully weitet sich im Verlauf der Entwicklung stark flächenhaft aus (DE OLIVEIRA 1989: 417).

Abb. 6 Schema eines badland-Gullies (DE OLIVEIRA 1989: 418).

Bank-Gullies (siehe Abb. 7) entstehen in Sedimenten und Kolluvien im Tal- und Unterhangbereich, wenn konzentrierter Oberflächenabfluss über eine Kante oder eine Versteilung, z.B. eine Flussterrasse, abfließt und sich von dieser ausgehend rückschreitend einschneidet (DE OLIVEIRA 1989: 416 f.; VANDEKERCKHOVE et al. 2000a: 37, 52; POESEN et al. 2002: 253). Die Ausprägung von bank-Gullies ist im unteren Teil linienhaft. Hangaufwärts kommt es durch eine Vielzahl von Abzweigungen und Auffächerungen häufig zu einer flächenhaften Ausdehnung. Eine Untersuchung von OOSTWOUD WIJDENES et al. (2000) zu den Steuerungs-Faktoren der räumliche Verteilung und Aktivität von bank-Gullies kommt zu dem Schluss, dass vor allem die Landnutzung im Einzugsgebiet einen entscheidenden Einfluss auf die Gully-Aktivität hat.

1 Einleitung 29

Abb. 7 Schema eines bank-Gullies (DE OLIVEIRA 1989: 418).

Die Unterscheidung zwischen bank-Gully und badland-Gully ist jedoch nur von theoretischer Bedeutung. Im Gelände kommen beide Gully-Typen oft nebeneinander bzw. übereinander und nicht selten zusammenhängend vor (siehe Abb. 8). Die Menge an konzentriertem Oberflächenabfluss, welche für die Ausbildung von bank-Gullies erforderlich ist, stammt häufig aus badland-Gullies am Mittel- und Oberhang (DE OLIVEIRA 1989: 417).

Abb. 8 Kombinationstyp: Bank-Gullies im Unterhangbereich vereinigen sich mit badland-Gullies im oberen Einzugsgebiet (DE OLIVEIRA 1989: 418).

1.3.4 Gully-Erosionskontrolle und -Vermeidung

Gully-Erosionskontrolle ist schwierig und teuer, daher stellt Erosionsvorsorge bzw. eine Wiederherstellung des Gleichgewichts durch Verringerung des Oberflächenabflusses die sinnvollere Lösung dar. Dies kann z.B. durch die Erhöhung der Vegetationsbedeckung, Kanalbau oder Drainage, Terrassierung der Hänge zur Verkürzung der Hanglänge oder Veränderung der Bearbeitungsweise bzw. der Anbaukulturen im Einzugsgebiet erreicht werden. Die Kosten für die Schadensbehebung übersteigen meist den Wert des Landes und lohnen sich daher kaum (HUDSON 1995: 291 f.).

Ist durch die Ausdehnung des Gully-heads Infrastruktur (z.B. Straßen, Strommasten…) gefährdet, macht partielle Gully-Erosionskontrolle ökonomisch Sinn. Deren Ziel ist das Aufhalten der Gully-Entwicklung, nicht jedoch die Herstellung des Ausgangszustandes. Dies kann zum Beispiel durch das Abdecken des headcuts mit Planen erfolgen, um die

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rückschreitende Erosion zu stoppen. Diese Maßnahme ist jedoch teuer und aufwändig und nicht immer erfolgreich (HUDSON 1995: 291 f.).

1.3.5 Folgen und Bedeutung der Gully-Erosion für das Gesamterosionsge- schehen

Die negativen Folgen der Gully-Entwicklung lassen sich in zwei Kategorien einteilen: Zum einen die Schäden, die direkt durch das Gully-Wachstum an den betroffenen Flächen entstehen (onsite-Schäden); neben dem Verlust der natürlichen Ressource Boden zählt dazu der Flächenverlust, die Absenkung des Grundwasserspiegels sowie die Zerstörung von Infrastruktur (Straßen, Brücken, Zäune, Häuser usw.). Zum anderen kommt es zur Ablagerung von Sedimentfracht in den flachen Bereichen des unteren Einzugsgebietes (offsite-Schäden), was z.B. zur Verfüllung von Staureservoiren führt und damit enorme volkswirtschaftlichen Schäden nach sich zieht (LÓPEZ-BERMÚDEZ et al. 1999: 415; POESEN et al. 2002: 234; BILLI & DRAMIS 2003: 354).

Die Meinungen der Erosionsforscher hinsichtlich der Bedeutung und des Anteils der Gully-Erosion am Gesamtproblem Bodenerosion sind recht unterschiedlich, widersprechen sich aber nur scheinbar. HUDSON (1995: 284) bezieht sich vor allem auf die onsite-Schäden und bezeichnet Gullies zwar als spektakuläre Erosionsformen, die aber meist dort vorkommen, wo nur unproduktives Land oder wenig wertvolles Weideland, in den seltensten Fällen jedoch ertragreiche Ackerflächen betroffen sind. Somit würde die Gully-Erosion für die Verminderung des Ertrages nur eine untergeordnete Rolle spielen. Gerade für Entwicklungsländer, die vor allem von der Agrarwirtschaft und damit von der Ressource Boden leben, ist jedoch der Flächenverlust oft von substanzieller ökonomischer Bedeutung und könnte einen relevanten Einschnitt in die wirtschaftliche Entwicklung darstellen (BILLI & DRAMIS 2003: 354).

Auf dem Dritten Internationalen „symposium on gully erosion“ (http://gullyconference- 2004.olemiss.edu) imApril 2004 in Oxford, Mississippi U.S.A., präsentierten Wissenschaftler die aktuellsten Forschungsergebnisse des Themenfeldes Gully-Erosion. Aktuelle Untersuchungen zeigen auf, dass

• der Bodenverlust und Sedimentaustrag durch Gully-Systeme großen Einfluss auf das Gleichgewicht des Ökosystems hat (POESEN et al. 2000: 102),

• Gullies wichtige und effektive Transporteure von Sediment und Wasser von den oberen Einzugsgebieten in die permanenten Flusssysteme und auf Talböden sind (POESEN et al. 2000: 102),

• offsite-Effekte der Erosion verstärkt werden, wenn Gully-Erosion stattfindet (POESEN et al. 2003: 96).

Viele Untersuchungen in Trockengebieten bestätigen, dass Gullies eine wichtige oder sogar die dominierende Sedimentquelle sind: z.B. in Algerien (z.B. GTZ 1996), in Südfrankreich (z.B. MUXART et al. 1990; BUFALO & NAHON 1992; LHÉNAFF et al. 1993; WAINWRIGHT 1996; LECOMPTE et al. 1997), in Israel (z.B. NIR & KLEIN 1974; PERATH & ALMAGOR 2000), in Nordmarokko (z.B. HEUSCH 1970; LAOUINA et al. 1993), in Rumänien (z.B. RADOANE et al. 1995) und in Spanien (z.B. DONKER & DAMEN 1984; THORNES 1984; TERNAN et al. 1994; POESEN et al. 1996; FAULKNER 1995; MARTÍNEZ-CASASNOVAS 1998;

1 Einleitung 31

CASALI et al. 1999; MEYER & MARTÍNEZ-CASASNOVAS 1999; NOGUERAS et al. 2000; MARTÍNEZ-CASASNOVAS et al. 2003).

Veröffentlichte Daten aus semi-ariden oder ariden Gebieten zeigen auf, dass der Anteil der Gully-Erosion an der gesamten Sedimentproduktion beträchtlich ist: z.B. 83 % für hauptsächlich als Weideland genutzte Brachflächen in Süd-Spanien (POESEN et al. 1996), bis zu 51 % für Mandelhaine in Südost-Spanien (POESEN et al. 1999b), 53 % für ein Einzugsgebiet in Kenia (OOSTWOUD WIJDENES & BRYAN 1994), 58 % für aride Gebiete in Argentinien (CORONATO & DEL VALLE 1993), 80 % für Winterweizenfelder in Süd-Portugal (POESEN et al. 1996), 60-81 % für semi-aride Weideländer in Arizona, USA (OSBORN & SIMANTON 1989) und bis zu 80 % in einem semiariden Gebiet im Niger (HEUSCH 1980). Damit zeigt eine Vielzahl von Untersuchungen auf, dass die Gully-Erosion in Trockengebieten durchschnittlich einen Anteil von 50-80 % an der gesamten Bodenerosion hat. In Anbetracht dieser Erkenntnisse wurde der Bodendegradation durch Gully-Erosion in der Vergangenheit zu wenig Aufmerksamkeit entgegengebracht. Daher sollte im Bereich der Austragsraten und Einflussfaktoren verstärkt geforscht werden (POESEN et al. 1996: 259 f., 263; POESEN et al. 2002: 233 f.).

1.3.6 Untersuchungsmethoden

Da die Gewichtung der unterschiedlichen Einflussfaktoren auf die Gully-Erosion zwischen verschiedenen Untersuchungsgebieten zum Teil stark variiert, ist eine Vielzahl von Messungen und Analysen notwenig, um allgemeingültige Aussagen treffen bzw. Parameter für Modellrechnungen bestimmten zu können.

Um die Typologie und den Effekt der Gully-Erosion (Sedimentaustrag und Landdegradation) zu studieren und das Risiko mit seinen ökologischen, sozialen und ökonomischen Effekten vorherzusagen, werden unterschiedliche Methoden angewendet:

• Experimentelle Untersuchungen (z.B. Beregnungen und Infiltrationen auf Test-

• Messung DEZ 1990;ROMERO-DÍAZ et al. 1992; SANZ MONTERO et al. 1996; AVENDAÑO SALAS et al. 1997; DESCLOITRES et al. 2003).

• Charakterisierung des Erosionsgrades auf der Basis von Indizes (z.B. WILLIAMS & MORGAN 1976).

• Erfassung geringer Wachstumsraten mit dendrochronologischen Methoden (z.B. VANDEKERCKHOVE et al. 2001).

• Kartierung existierender Gullies und der aktuellen Erosions-Aktivität sowie Quanti-

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HOVE et al. 2000a, b, 2001; NACHTERGAELE et al. 2002; GÄBRIS et al. 2003;

• Langzeitstudien zur Gully-Entwicklung: Sie bedienen sich historischer Daten (Karten und Dokumente), Artefakten und verschiedener Datierungstechniken, um die

• Empirische- (z.B. RUSLE; RENARD et al. 1997) und prozessgesteuerte Erosionsmodelle (z.B. EUROSEM; MORGAN et al. 1998 oder LISEM; DE ROO et al. 1994,

Erst die Fusion von Photogrammetrie und digitaler Bildverarbeitung in den letzten Jahren ermöglichte die Modellierung der Gully-Erosion basierend auf digitalen Geländemodellen bzw. den daraus abgeleiteten topographischen Faktoren (BETTS & DEROSE 1999: 91). Die Modelle werden genutzt, um Grenzwerte der Gully-Initiierung zu bestimmen, die Gully-Verteilung und Entwicklung in Zusammenhang mit verschiedenen Parametern (z.B. Relief, Klima, Einzugsgebietsgröße) zu untersuchen oder das Erosionsrisiko bei Landschaftsveränderungen abzuschätzen (z.B. DONKER & DAMEN 1984; MOORE et al. 1988; DE PLOEY 1989; DESMET & GOVERS 1994; PROSSER & ABERNETHY 1996; VANDAELE et al. 1997; FLORINSKY 1998; DESMET et al. 1999; KIRKBY & BULL 2000; NACHTERGAELE et al. 2001a; NACHTERGAELE et al. 2001b; HESSEL 2002; HESSEL & VAN ASCH 2003; STOLTE et al. 2003). Dennoch wird, je nach Komplexität des Modells, eine Vielzahl von Eingangsfaktoren benötigt, die in Feldarbeit erhoben werden müssen (HESSEL 2002: 38 f.). STOCKING (1980) fasst die Wichtigsten zusammen.

Die hauptsächlich auf der Nutzung von Fernerkundungstechniken, in Verbindung mit der Weiterentwicklung Geographischer Informationssysteme (GIS) sowie digitaler Bildverarbeitung und Photogrammetrie, basierende Forschung der letzten Jahrzehnte bietet ein großes Potential für ein kontinuierliches Monitoring der Gully-Erosion. Sie ermöglichen die digitale Kartierung von linearen Veränderungen (z.B. BURKARD & KOSTASCHUK 1995, 1997; POESEN et al. 1996), flächenhaften Veränderungen (z.B. BURKARD & KOSTASCHUK 1995; OOSTWOUD WIJDENES et al. 2000) und Volumenveränderungen aus digitalen Geländemodellen zur Berechnung bzw. Abschätzung der ausgetragen Sedimentmenge (z.B. DYMOND & HICKS 1986; THOMAS et al. 1986; SNEDDON et al. 1988; POESEN et al. 1996; DEROSE et al. 1998; MARTÍNEZ-CASASNOVAS 1998; BETTS & DEROSE 1999; NACHTER- GAELE &POESEN 1999; DABA et al. 2003; BETTS et al. 2003; MARTÍNEZ-CASASNOVAS et al. 2003) ohne aufwendige Vermessungen im Gelände. Auch die Gully-Dichte bzw. Verteilung in einem Gebiet kann bestimmt werden (z.B. FAULKNER 1995; HESSEL & VAN ASCH 2003). Die Auflösung von Standardluftbildern (z.B. 1:5.000) reicht für detaillierte Messungen und Kartierungen allerdings nicht aus (siehe Kap. 3.1.1). Daher werden zum Teil alternative Methoden, wie die terrestrische Photographie (z.B. für nahbereichsphotogramme- trische Auswertungen) (SNEDDON et al. 1988; ARCHIBOLD et al. 1996; BARKER et al. 1997)

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oder die großmaßstäbige Luftbildphotographie für das Gully-Monitoring eingesetzt - z.B. mit einem gefesselten Heißluftzeppelin (RIES & MARZOLFF 1997, 2003, RIES 1999, 2000) oder einem Fesseldrachen (MARZOLFF et al. 2002a; MARZOLFF et al. 2003). Da Volumenrekonstruktionen aus Luftbildern (aufgrund der geringen Auflösung) oder aus großmaßstäbigen Bildern (aufgrund fehlender Orientierungsgenauigkeiten) recht schwierig oder zu ungenau sind, kombinieren einige Autoren (z.B. VANDAELE et al. 1996, NACHTERGAELE & POESEN 1999; VANDEKERCKHOVE et al. 2003) die zweidimensionale

Auswertung hochauflösender Luftbilder mit Feldmessungen (z.B. Querschnittmessungen oder Erosions-Pins).

Auch Satellitenbilder offerieren eine interessante Perspektive um großflächig Gully-Erosionsprozesse zu untersuchen und zu kartieren (z.B. GIORDANO & MARCHISIO 1991; SOLÈ et al. 1986; BOCCO 1990; MARTÍNEZ-CASASNOVAS 1998), vorausgesetzt, dass die von Gully-Erosion betroffenen Gebiete groß genug sind, um von der Auflösung der Bilder erfasst zu werden. Veränderungen im Zentimeter-Bereich sind mit den bisher zugänglichen Auflösungen (z.B. IKONOS mit 1x1 m im panchromatischen Bereich) jedoch nicht dokumentierbar. Sie eignen sich allerdings besonders zu großflächigen Vegetationsklassifizierungen und -bedeckungsanalysen, die z.T. Rückschlüsse auf die Erosionsaktivität im Einzugsgebiet erlauben (z.B. MARTÍNEZ-CASASNOVAS 1998).

2 Geographische Grundzüge des Untersuchungsraumes 34

2 Geographische Grundzüge des Untersuchungsraumes

Mit von Norden nach Süden zunehmenden mittleren Jahresniederschlägen zwischen 350 und 500 mm liegt die Untersuchungsregion um Gorom Gorom (Provinz Oudalan) und Dori (Provinz Seno) in der semiariden, zentralen bis südlichen Sahelzone. Typisch für diesen randtropischen Bereich ist eine ausgeprägte Wechselfeuchte mit einer kurzen sommerlichen Regenzeit, in der Regel zwei bis drei Monate, und einer langen winterlichen Trockenzeit. Dieser wenige hundert Kilometer breite Übergangsbereich zwischen der ariden Sahara im Norden und der semihumiden Sudanzone im Süden wird in etwa durch die 100 und 500 mm-Isohyeten begrenzt (siehe Abb. 9). Die Abgrenzung erfolgt je nach den zu Grunde liegenden Abgrenzungskriterien (hygrisch-klimatisch, vegetationskundlich, prozessorientiert/morphodynamisch) jedoch recht unterschiedlich (siehe MENSCHING 1988: 245; CASENAVE & VALENTIN 1989: 13; RIOU 1990: 176 f.).

Abb. 9 Burkina Faso: Administrative Gliederung, Klimazonen und durchschnittliche Jahresisohyeten der Jahre 1960-1990 (verändert nach LACLAVÈRE 1993:16; digitale Kartengrundlage: ALBERT 2001).

Vegetationsgeographisch bezeichnet WHITE (1983) den Bereich zwischen 250 und 500 mm mittleren Jahresniederschlags als „sahel wooded grassland“. Die weitständige, diskontinuierliche, meist xerophile Dornstrauchvegetation wird von ausgedehnten annuellen Grasfluren unterbrochen. Große vegetationsfreie Bereiche sind häufig auf dem vorherrschenden Reliefelement, den weiten Glacisflächen mit flachen Wasserscheidenbereichen zu finden (siehe Foto 5).

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Die homogene Reliefsituation der präkambrischen, kristallinen Rumpffläche wird nur durch Inselberge und tafelbergartige Flächenreste mit verwitterungsresistenten Lateritkrusten am Top (siehe Foto 6) sowie die Ost-West verlaufenden spätpleistozänen Altdünenzüge unterbrochen (siehe Foto 7). Diese fixierten Dünen durchziehen als schmale Bänder von 1-10 km Breite die gesamte Region (siehe Abb. 10), wobei nach Norden hin die Breite und Dichte zunimmt (ALBERT 2002: 14). Sie blockieren stellenweise seit ihrer Genese im Spätpleistozän den Abfluss der Wassermassen und stauen diese an ihren Rändern zu meist flachen ausgedehnten Seen ohne Dauerwasserstand, den mares (Tümpel, Lache), auf. Für die Wasserversorgung der Bevölkerung sowie der großen Viehherden sind diese endorheischen Seen von zentraler Bedeutung und dementsprechend stark frequentiert.

Foto 5 Schrägluftbild mit Blick über die weite Glacis-Fläche im Dezember 2000 bei Gorom

Foto 6 Blick vom Inselberg Gangaol nach Nordwesten auf Inselberge und tafelbergartige Flächen- reste mit Lateritkrusten.

2 Geographische Grundzüge des Untersuchungsraumes 36

Foto 7 Blick vom Dünenzug bei Oursi nach Süden auf den Ost-West verlaufenden spätpleisto-

Mit 10,6 Einw./km ² im Oudalan und 17,0 Einw./km ² in Seno ist die Bevölkerungsdichte im Sahel sehr gering (INSD 1989). Oftmals widrige und hochvariable Umweltbedingungen erfordern von den Menschen besondere Anpassungen der Lebens- und Wirtschaftsweise. Bis zu einer Menge von 250 mm Jahresniederschlag wird auf Sandböden, vor allem im Bereich der Altdünen, Hirseanbau im Regenfeldbau betrieben (Foto 8). Die wirtschaftliche Grundlage der z.T. nomadisch lebenden Bevölkerung ist jedoch die Viehwirtschaft in Form

2 Geographische Grundzüge des Untersuchungsraumes 37

von extensiver Weidewirtschaft. Die SEREIN-Initiative (Sahel-Sudan Environmental Research Initiative) führte zahlreiche Untersuchungen zur Landnutzung in der Sahelzone sowie zu den natürlichen und sozio-ökonomischen Rahmenbedingungen durch (siehe REEN- BERG 1998,1999). Die Kenntnisse zur Siedlungs- und Nutzungsgeschichte der Region resultieren aus den zahlreichen archäologischen Grabungen und archäo-botanischen Untersuchungen im Rahmen des SFB 268 (siehe HALLIER 1998, 1999, 2001; NEUMANN et al. 1998, 2001; BREUNIG & NEUMANN 1999; KAHLHEBER 1999; NEUMANN 1999; VOGELSANG et al. 1999; HALLIER & PETIT 2000, 2001; VOGELSANG 2000; ALBERT et al. 2001; KAHLHEBER et al. 2001; PELZER & MAGNAVITA SANTOS 2001). Die Landnutzung, insbesondere der Beweidungsdruck, hat einen signifikanten Einfluss auf die Vegetation im Hinblick auf Landdegradation und Desertifikation. Diese stark mit der Sahelzone in Verbindung stehenden Begriffe wurden vielfältig diskutiert und aus unterschiedlichen Perspektiven analysiert und belegt (siehe MENSCHING 1980, 1990; FORD 1992; STURM 1995; LE HOUÉROU 1996; TENGBERG & CHEN 1998; CONACHER 1999; RASMUSSEN 1999; RIES 2000; RASMUSSEN et al. 2001; MÜLLER & WITTIG 2002; ALBERT et al. 2004 u.a.). Verschiedene Autoren bedienen sich Fernerkundungsmethoden, um einen Zusammenhang zwischen Landnutzungswandel und Desertifikation herzustellen (siehe KRINGS 1980; REENBERG & RASMUSSEN 1990; LINDQVIST & TENGBERG 1993; KAPPAS & WANDELT 1996; KAPPAS 1997 u.a.).

2.1 Geologischer Bau

Als Teil des tektonisch seit etwa 1,7 Ma stabilen, gondwanaländischen Urkratons stellt der westafrikanische Raum eine geologisch alte Plattform dar, die aus dem präkambrischen Kristallin des Unterbaus und einer Reihe von Sedimentgesteinen unterschiedlichen Alters aufgebaut wird. Das anstehende präkambrische Basement baut den westafrikanischen Schild auf, welcher von zwei Hauptorogenesen überprägt wurde - der Liberian-Orogenese (Archaische) und der Eburnian-Orogenese. Ihre Grundstruktur erhält diese Landmasse durch epirogene, weitgespannte Geosynklinalen, wie dem Taoudeni-Becken, die mit unverformten paläozoischen und jüngeren Sedimenten verfüllt sind, und ebenso großräumigen flachen Antiklinalzonen (z.B. die Leo-Schwelle), an denen das Basement zutage tritt (siehe Abb. 11) (BLACK & FABRE 1983: 17 ff.; CAHEN et al. 1984: 296; PIQUÉ 2001: 5).

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Abb. 11 Übersichtskarte der geologischen Einheiten West-Afrikas (verändert nach WRIGHT et al. 1985: 6).

Der Nordosten Burkina Fasos liegt im Bereich der schwach nach Norden einfallenden Leo-Schwelle. Hier bilden die eingerumpften und erstmalig während der Liberian-Orogenese, vor etwa 2,7 Ga (Präkambrium D oder Ante-Birrimien), stark metamorphisierten und gefalteten Gesteine des Kristallin die Oberfläche (HOTTIN & OUEDRAOGO 1975: 5; BARTH 1977: 71 f.). Diese kristallinen Formationen, größtenteils aus kalk-alkalischen Graniten und Migmatiten, dominieren das zentrale Arbeitsgebiet (siehe Abb. 12). Im frühen Proterozoikum (Präkambrium C) zerbrach im Zuge der Birrimien-Orogenese (2,03-1,83 Ga) der kristalline Sockel. In mehreren, meist schmalen und langgestreckten Becken, die durch Bruchbildung im frühen Birrimien (2,4-2,3 Ga) entstanden, kam es zur Ablagerung der vulkanisch-sedimentären Serien des Birrimien. Während der Eburnian-Orogenese (2,10-1,95 Ga) wurden sie metamorphisiert und gefaltet (DELFOUR & JEAM- BRUN 1970:8). Diese schwach metamorphen Beckenfüllungen aus Abtragungssedimenten und Vulkaniten (Tuffe, Laven, Pyroklastite) befinden sich im Arbeitsgebiet östlich der von Nordnordwest nach Südsüdost verlaufenden Störungslinie bei Markoye und westlich von etwa 0°30’W (siehe Abb. 12) (HOTTIN & OUEDRAOGO 1975: 11, 33). Im Zuge der Eburnian-Orogenese drangen sowohl im Bereich des kristallinen Kratons als auch in den Randbereichen magmatische Intrusionen, vor allem große Mengen synorogener vorwiegend kalk-alkalischer Granite auf, die heute in Form von Inselbergen im Oudalan reliefbildend in

2 Geographische Grundzüge des Untersuchungsraumes 39

Erscheinung treten (MACHENS 1966: 590; HOTTIN & OUEDRAOGO 1975: 5, 11 ff., 33; BESSOLES 1977: 124 ff.). Nach dem Ende dieser Faltungsphase vor 1,8-1,75 Ga kam es zu weiteren magmatischen Aktivitäten, die bis 1,5 Ga andauerten. Dabei drangen auch im Oudalan alkalische Magmen (roches vertes) auf, die den Liberiansockel oder die Birrmienlaven durchziehen. Diese grobkristallinen, z. T. porphyrischen Gesteine wurden später nicht mehr metamorphisiert und bilden heute als herauspräparierte Inselbergkomplexe die höchsten Erhebungen der Region (z.B. Tin Edja 498 ü. NN und Kolèl 448 ü. NN) (HOTTIN & OUEDRAOGO 1975: 6, 21 f., 33).

Im äußersten Norden des Arbeitsgebietes wird die Leo-Schwelle von Sedimentgesteinen des Präkambrium A (1,3-1,0 Ga) aus dem Taoudeni-Becken diskordant überlagert (siehe Abb. 12). Von den bis 8000 m mächtigen, gefalteten und schwach metamorphisierten, epikontinentalen Sedimenten (Ydouban-Serie) sind im nördlichen Burkina Faso nur die Basissedimente vertreten (REICHELT 1972: 46). Zu diesen gehört die unterste Abfolge der Sedimente des Taoudeni-Beckens mit quarzitischen Sandsteinen und Konglomeraten (HOTTIN & OUEDRAOGO 1975: 25). Aufgrund ihrer morphologischen Härte sind sie heute als NW-SE streichende, 20-30 m hohe Hügelketten herauspräpariert und werden von den unteren Formationen der gefalteten Sedimente des Gourma-Beckens überlagert (REICHELT 1972: 158 ff., 179). Diese litoral abgelagerten Sedimente setzen sich östlich von 0°30’W überwiegend aus Tonschiefern zusammen, die von morphologisch härteren Einschaltungen aus quarzitischen Sandsteinen, Feuersteinen und kieseligen Brekzien überragt werden. Westlich von 0°30’W und in der Umgebung des Béli dominieren Karbonatgesteine (Stromatolithen-Riffe, Dolomite und Kalksteine). Die Tonschiefer nördlich des Béli kommen in Form von kleinen Synklinalen vor und unterscheiden sich durch ihre rotviolette Färbung sowie ihre größere Härte und Dichte von den diskordant darunter liegenden Tonschiefern (siehe Abb. 12) (REICHELT 1972: 158 ff.; HOTTIN & OUEDRAOGO 1975: 25 f.). Im Zuge der in der Oberkreide beginnenden und bis ins Quartär andauernden bruchtektonischen Zerlegung des Kontinentes entstanden Störungen und Grabenbrüche, die von einem jungen, z.T. noch rezenten Vulkanismus begleitet werden. Einer dieser Störungen folgt auch der Niger, der seit dem Rückzug des Sahara-Meeres der Oberkreide die regionale Haupterosionsbasis des Arbeitsgebietes bildet (MACHENS 1966: 589, 595 ff.).