Grundlagen der Hydrologie und Hydrogeologie

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1 Technische Universität Bergakademie Freiberg Institut für Geologie Lehrstuhl für Hydrogeologie Vorlesungsskript zur Lehrveranstaltung Grundlagen der Hydrologie und Hydrogeologie Foto: N. Kloppe Lehrverantwortlicher: PD Dr. V. Dunger

2 Vorwort: Die Lehrveranstaltung Grundlagen der Hydrologie und Hydrogeologie ist Bestandteil des Moduls Angewandte Geowissenschaften I, das im Rahmen der Bachelorausbildung für naturwissenschaftliche Studiengänge, u. a. für Geoökologen, Geologen, Geotechniker und Mineralogen angeboten wird. Der zeitliche Umfang beträgt 2 Semesterwochenstunden Vorlesung. Für Interessenten wird jeweils im darauf folgenden Sommersemester das Modul Anwendung hydrologischer Methoden angeboten, das durch eine Übungsreihe erweitert ist. Ziel der Vorlesung Grundlagen der Hydrologie und Hydrogeologie ist die Vermittlung von hydrologischen und hydrogeologischen Grundlagen. Hierbei werden vorrangig Wassermengenaspekte behandelt. Auch wenn es sich bei der Lehrveranstaltung um eine Grundlagenvorlesung handelt, so heißt dies nicht, dass es an Praxisorientierung mangelt. In den Vorlesungen wird eine Vielzahl von Anwendungsbeispielen behandelt. Ferner sind Videobeiträge zur besseren Visualisierung der Vorlesungsinhalte integriert. Hauptinhalte der Vorlesungen Grundlagen der Hydrologie und Hydrogeologie sind: Gegenstand und Geschichte der Hydrologie / Hydrogeologie Wasserkreislauf und Wasserhaushalt anthropogene Einflüsse auf den Wasserhaushalt Niederschlagsentstehung, arten, messung anthropogene Niederschlagsbeeinflussung Aufbau und Schmelze einer Schneedecke Messung und Berechnung der Verdunstung Durchflussmessverfahren, WasserstandsDurchflussBeziehung Erfassung von Abflussbildung, konzentration und verlauf unterirdische Wasserarten Grundwasserlagerungsverhältnisse Grundlagen der Grundwasserhydraulik Bestimmung ausgewählter hydrogeologisch relevanter Parameter Grundsätze der Grundwasserprobenahme Grundlagen der Hydrochemie und des Grundwasserschutzes Das Vorlesungsskript soll einen Leitfaden darstellen. Es sind stichpunktartig und illustrativ die Schwerpunkte der einzelnen Vorlesungen zusammengefasst. Da es sich hierbei um ein internes Studienmaterial handelt, wurde auf detaillierte Literaturhinweise (Zitate) verzichtet. Lediglich die Bildquellen sind kenntlich gemacht. Bei der Ausarbeitung der Vorlesungsskripte ist im Wesentlichen auf folgende Literatur zurückgegriffen worden: Baumgartner, A. und H.J. Liebscher (1990): Lehrbuch der Hydrologie, Band 1. Gebrüder Borntraeger, Berlin, Stuttgart. Busch, K. F., L. Luckner und K. Tiemer (1993): Lehrbuch der Hydrogeologie, Band 3: Geohydraulik. Gebrüder Borntraeger Berlin, Stuttgart. Dyck, S. u. a. (1976): Angewandte Hydrologie, Teil 1: Berechnung und Regelung des Durchflusses der Flüsse. VEB Verlag für Bauwesen, Berlin.

3 Dyck, S. u. a. (1978): Angewandte Hydrologie, Teil 2: Der Wasserhaushalt der Fußgebiete. VEB Verlag für Bauwesen, Berlin. Dyck, S. und G. Peschke (1995): Grundlagen der Hydrologie. Verlag für Bauwesen, Berlin, 3. Auflage. Hölting, Coldewey (2009): Hydrogeologie, Spektrum Akademischer Verlag. Maidment, D. R. (1992): Handbook of Hydrology. McGrawHill. Maniak, U. (2005): Hydrologie und Wasserwirtschaft. Eine Einführung für Ingenieure. SpringerVerlag Berlin, Heidelberg, 5. Auflage. Matthess, M. (1990): Lehrbuch der Hydrogeologie, Band 2: Die Beschaffenheit des Grundwassers. Gebrüder Borntraeger Berlin, Stuttgart. Matthess, M. (2003): Lehrbuch der Hydrogeologie, Band 1: Allgemeine Hydrogeologie, Grundwasserhaushalt. Gebrüder Borntraeger Berlin, Stuttgart. Schröder, W., G. Euler, F. Schneider und D. Knauf (1994): Grundlagen des Wasserbaus. Werner Verlag, Düsseldorf, 3. Auflage. Singh, V. P. (1992): Elementary Hydrology. Prentice Hall, Englewood Cliffs, New Jersey. Die hier angegebene Literatur kann dem interessierten Studenten zur Vertiefung und Erweiterung seines Wissens empfohlen werden. Neben der angegebenen Literatur wurden Forschungsarbeiten des Lehrstuhls für Hydrogeologie genutzt. Ich hoffe und wünsche, dass das Skript dazu beiträgt, die Vorlesungen für den Studenten angenehmer zu gestalten und dass die Zeit, die ansonsten nur zum Mitschreiben benötigt würde, der erhöhten Aufmerksamkeit zugute kommt und damit dem besseren Verständnis dient. Für Hinweise und Vorschläge, die der Verbesserung der Vorlesungsskripte dienen, bin ich jederzeit dankbar. Freiberg im Februar 2017 Volkmar Dunger

4 Inhaltsverzeichnis 1. Einführung Gegenstand der Hydrologie bzw. Hydrogeologie Geschichte von Hydrologie und Hydrogeologie 7 2. Wasserkreislauf und Wasserhaushalt Begriffsbestimmungen Wasserdargebot und verbrauch, Wasserhaushaltsgleichung Anthropogene Beeinflussungen des Wasserhaushaltes Überblick Direkte Auswirkungen anthropogener Eingriffe Indirekte Auswirkungen anthropogener Eingriffe Der Niederschlag Bedeutung und Entstehung Niederschlagsarten Niederschlagsmessung (punktuelle Messung) Ermittlung des Gebietsniederschlages Starkregen, Bemessungsregen, maximal möglicher Regen Globale und saisonale Niederschlagsverteilung Anthropogene Niederschlagsbeeinflussung Schnee Die Verdunstung Arten und Bedeutung der Verdunstung Überblick über Methoden zur Messung der Verdunstung Wasserhaushaltsmethode Berechnung der potentiellen Verdunstung mittels empirischer Formeln Klimatische Wasserbilanz Methoden zur Berechnung der realen Verdunstung Interzeptionsverdunstung Abfluss und Durchfluss Definitionen, Abflusskomponenten Messung des Durchflusses Überblick über häufig angewendete Verfahren Durchflussmessung mittels Messwehr Durchflussermittlung mittels hydrometrischem Messflügel Tracermessung (Verdünnungsmethode) Berechnung von Fließgeschwindigkeit und Durchfluss mittels einfacher Fließformeln WasserstandsDurchflussBeziehung Wasserstandsmessung Darstellung der WasserstandsDurchflussBeziehung Statistische Auswertung von Durchflussdaten Datenprüfung Haupt und Dauerzahlen des Durchflusses 94 Seite

5 5.6. Der Abflussbildungsprozess Einflussgrößen auf den Abflussvorgang morphometrische Parameter Einfache Ansätze zur Erfassung der Abflussbildung Abfluss und Infiltrationsmodelle Abflusskonzentration und verlauf im Gewässer Hydrogeologische Grundlagen Teildisziplinen der Hydrogeologie Hohlräume und unterirdische Wasserarten in der Hydrogeologie Grundwasserlagerungsverhältnisse Grundwasserhydraulik Bestimmung hydrogeologisch relevanter Parameter bezüglich der Grundwasserhydraulik Grundwasserbeschaffenheit, Grundwasserschutz 125 Anhang: Übungen zum Modul Anwendung hydrologischer Methoden (angeboten jährlich im Sommersemester)

6 Vorlesungsskript zur Lehrveranstaltung Grundlagen der Hydrologie und Hydrogeologie 5 Grundlagen der Hydrologie und Hydrogeologie 1. Einführung 1.1. Gegenstand der Hydrologie * Hydrologie = Wissenschaft vom Wasser Eigenschaften: Erscheinungsformen: Transport Speicherung über auf unter der Landoberfläche: Wasserkreislauf Verteilung des Wassers Veränderungen durch anthropogene Einflüsse quantitativ (Menge) qualitativ (Beschaffenheit) * Hydrogeologie = Wissenschaft vom unterirdischen Wasser (im engeren Sinne: Grundwasser) * Teilbereiche der Hydrologie und der Hydrogeologie: Hydrologie: a) Hydrologie des Festlandes: Flusskunde (Potamologie) Hochwasserberechnung Niedrigwasserberechnung Speicherwirtschaft Seenkunde (Limnologie) Küstenhydrologie Glaziologie Geohydrologie (Hydrologie des unter Irdischen Wasser) Wasserhaushaltslehre Paläohydrologie b) Hydrologie der Meere (Ozeanologie) Hydrogeologie: a) allgemeine Hydrogeologie (Grundlagen, Definitionen) b) Grundwasserlagerstättenlehre (Eigenschaften, Nutzbarkeit der Grundwasserlagerstätten) c) Grundwasserschutz (Fixierung von Schutzzielen und Schutzgebieten) d) Montanhydrogeologie (Bergbausicherheit, Wasserhaltungen im Bergbau) e) weitere ( Paläohydrogeologie, Hydraulik, Isotopenhydrogeologie, Hydrgeothermie, ) zur Stellung von Hydrologie und Hydrogeologie innerhalb der Naturwissenschaften s. Bild 1.1 * Zielstellung der Hydrologie / Hydrogeologie: Schaffung von Grundlagen für: Planung Entwurf wasserwirtschaftlicher Maßnahmen zur: Durchführung Erkundung Erfassung der Wasserressourcen Mengenaspekt Erschließung Beschaffenheitsaspekt Nutzung

7 Vorlesungsskript zur Lehrveranstaltung Grundlagen der Hydrologie und Hydrogeologie 6 hierbei Entscheidungshilfen s. Bild 1.2 Bild 1.1: Stellung von Hydrologie und Hydrogeologie innerhalb der Naturwissenschaften (nach BAUMGART NER, LIEBSCHER, 1990) Bild 1.1: Hydrologische Informationen für die Planung, Bemessung und Bewirtschaftung von wasserwirtschaftlichen Systemen (aus DYCK, PESCHKE, 1995) * vorrangige Aufgaben von Hydrologen und Hydrogeologen: Erforschung des Wasserkreislaufes/Wasserhaushaltes: Einfluss von Klima, Boden, Vegetation, Veränderung der Umwelt durch den Menschen auf den Wasserkreislauf (Veränderungen vor allem in Bezug auf die Verdunstung, Abfluss und Grundwasserspeisung) hydrologische Prognosen/Vorhersagen: Wasserstand, Durchfluss, Hoch und Niedrigwasser, Schneeschmelze, Eisbildung, Grundwasserspeisung (sog. Grundwasserneubildung) Bemessungsaufgaben: Planung und Dimensionierung wasserwirtschaftlicher, bergbaulicher, verkehrstechnischer, landwirtschaftlicher, kommunaler Anlagen Gewässerschutz: Veränderung von Wassermenge/beschaffenheit infolge menschlicher Nutzung

8 Vorlesungsskript zur Lehrveranstaltung Grundlagen der Hydrologie und Hydrogeologie 7 * Hauptarbeitgebiete der Hydrologie / Hydrogeologie: a) Beobachtung und Messung hydrologischhydrogeologischer Prozesse b) Prozessanalyse und Entwicklung neuer Methoden c) Anwendung der Ergebnisse von a) und b) für praktische Belange (z.b. für Vorhersagen, für Bemessungsaufgaben und in Bezug auf den Gewässerschutz s. o.) 1.2. Geschichte der Hydrologie / Hydrogeologie Verhältnis des Menschen zum Wasser begründet durch Mangel und Überschuss (dokumentiert u.a. in allen Weltreligionen (Bibel: Sintflut), Mythen und Legenden Nutzung des Wassers (und teilweise hydrologische Messungen) stand vor der Erklärung der Zusammenhänge/Vorgänge (z.b. des hydrologischen Kreislaufes, s. auch Bild 1.3) große Kulturen waren immer zugleich an die Lösung der Wasserprobleme gebunden (Wasserfassung, speicherung, verteilung, entsorgung, Be und Entwässerung, Hochwasserschutz) Bild 1.3: Das Verhältnis MenschWasser in der Menschheitsgeschichte (aus BAUMGARTNER, LIEBSCHER, 1990) Mesopotamien (Zweistromland): Probleme: regelmäßiges Auftreten von Hochwasser (AprilJuni, für Ackerbau günstig) außerordentlich geringes Talgefälle ( ca. 1 : ) große Überschwemmungsgebiete Schwebstoffführung und Überflutung der Felder stark abhängig vom Wasserstand Notwendigkeit einer straffen zentralistischen Staatsform (sog. "Wasserzivilisation", Sumerer, um 3000 v. Chr.) in Chaldäischer Zeit ( v. Chr.) km 2 Land bewässert, große Probleme mit Versalzung der Böden, Ursachen nicht erkannt Wanderung entlang der Flüsse, Anbau unempfindlicherer Pflanzen (Gerste statt Weizen) Zerstörung der Anlagen nach 1258 (Herrschaft der Mongolen) Rückgang der Bevölkerung von ca. 25 Mio. (100 n. Chr.) auf 1,5 Mio. (1913)

9 Vorlesungsskript zur Lehrveranstaltung Grundlagen der Hydrologie und Hydrogeologie 8 Ägypten: jährliches Nilhochwasser (JuliSeptember) = Grundlage des Wohlstandes Ägyptens Wasserstandsschwankungen von 1 m Katastrophen enges Netz von Wasserstandsmessstellen (älteste erhaltene Wasserstandsmarken und Aufzeichnungen ca v. Chr.), ununterbrochene Wasserstandsaufzeichnungen des Pegels Roda (bei Kairo) von längste erhaltene Messreihe der Welt, Messprinzip mittels Schacht (prinzipiell kein Unterschied zu modernen Messeinrichtungen) geeichte Pegel, sog. "Nilometer" mit Einteilung (schlechtester Nil, HungerNil, heiterer Nil, sicherer Nil, vorzüglicher Nil, ausnahmsweise hoher Nil) wahrscheinlich ältestes Hochwassermeldesystem (Ruderbootmelder) IndusTal: bereits ca v. Chr. außerordentlich hohes Niveau auf den Gebiet des Wasserbaus, der Wasserversorgung und Abwasserbehandlung Wasserversorgung meist aus Brunnen, Transport durch Kanäle und Leitungen in die Häuser Entsorgung (Bäder und Spültoiletten) durch Kanalisation (Kanäle, Sammler) hoher Standard, der selbst durch das Römische Reich nicht erreicht worden ist (ca Jahre später) Persien, Armenien (Hochlandkulturen): Nutzung von Grundwasser für die Wasserversorgung Nutzung von Quellen und Brunnen Transport des Wassers durch Qanate (Freispiegelkanäle), ca ( ) v. Chr. maximale Länge der Qanate: ca. 80 km, Transportleistung: im Mittel m 3 /d (bis m 3 /d) Gesamtqanatanzahl Persiens: mit in Summe ca m 3 /s (entspricht dem 3 fachen Durchfluss der Elbe in Dresden) Theorie des Wasserkreislaufes: eine der ältesten Fragen der Menschheit: wo kommt das Wasser her? 3 Lehrmeinungen (s. auch Bild 1.4): meteorogener Wasserkreislauf begründet wahrscheinlich von XENOPHANES ( /470 v. Chr.) Erklärung des Wasserkreislaufes, wie sie heute noch in jedem modernen Lehrbuch stehen könnte, weitere Vertreter: DIOGENES, HIPPOKRATES (Verdunstungsexperimente) Salzwasseraufstieg aus den Meeren begründet von THALES (ca v. Chr.) "Die Erde ruht auf dem Wasser der Meere.", weitere Vertreter: HIPPON, PLATON Wasserentstehung aus der Luft (Kondensation) entwickelt von ARISTOTELES ( v. Chr.) maßgebende Lehrmeinung bis etwa 1600 Römisches Reich: wenige wissenschaftliche Leistungen, dafür jedoch großartige ingenieurtechnische Leistungen Wasserbauten, Wasserversorgung (Aquädukte zur Versorgung Roms Wasserverbrauch Roms: ca l / Einwohner und Tag, zum Vergleich: Deutschland 122 l / EW d Jahr 2007)

10 Vorlesungsskript zur Lehrveranstaltung Grundlagen der Hydrologie und Hydrogeologie 9 Bild 1.4: Hypothesen zum Wasserkreislauf der Erde (aus DYCK, PESCHKE, 1995) Mittelalter: Stagnation und teilweiser Rückschritt auch auf dem Gebiet der Wasserwirtschaft wenige Ausnahmen: z.b. bergbauliche Wasserhaltung im Freiberger Raum (Freiberger Kunstgraben und Röschensystem, erste Blütezeit um 1550) Nutzung des Wassers zum Heben des Erzes, des tauben Gesteins und des Grubenwassers System von Gräben, Röschen (Wassertransport) und Kunstteichen (Wasserspeicherung) von Freiberg bis in die Kammlagen des Erzgebirges Messung (Hydrometrie) und Bewertung der bereitgestellten Wassermengen Hydrologie zwischen Mittelalter und Gegenwart: Erkennen des Prinzips der Kontinuität LEONARDO DA VINCI ( ) Beschreibung der einzelnen Größen des Wasserkreislaufes PALISSY ( ) erste quantitative Bestimmung der Wasserhaushaltsgrößen PERRAULT ( ), gleichzeitig Begründer der modernen Hydrologie Beobachten und Messen anstatt zu spekulieren Erkenntnis: nur ca. 1/3 des Niederschlages gelangen zum Abfluss MARIOTTE ( ): Niederschlags und Abflussmessungen an der Seine (um 1670) Klarheit, dass Flüsse allein durch Niederschlag speisbar sind Berücksichtigung des Grundwassers in Wasserhaushaltsbetrachtungen (RAMAZZINI, 1691) erster Versuch einer Weltwasserbilanz durch BUFFON (1749) allerdings Überschätzung des Abflusses um 500 % DALTON ( ): erste Wasserbilanz für England und Wales sowie erste Ansätze zur Verdunstungsberechnung aus dem WasserdampfSättigungsdefizit der Luft regelmäßige Wasserstandsmessungen in Europa: Elbe (Pegel Magdeburg): seit 1727, Rhein (Pegel Emmerich): seit 1770, (Pegel Köln): seit 1782 Berechnung der Fließgeschwindigkeit des Grundwassers DARCY ( ) Erweiterung des DARCYGesetzes auf die Brunnenanströmung DUPUIT ( ), THIEM ( ) erste (recht genaue) Wasserbilanz für das Festland der Erde und die Weltmeere (BRUCKNER, 1905) Anwendung statistischer Methoden in der Hydrologie HAZEN (1930) Verwendung analoger und mathematischer Modelle zur Beschreibung hydrologischer bzw. hydrogeologischer Prozesse (breiter Einsatz der Computertechnik in der Hydrologie und Hydrogeologie)

11 Vorlesungsskript zur Lehrveranstaltung Grundlagen der Hydrologie und Hydrogeologie Wasserkreislauf und Wasserhaushalt 2.1. Begriffsbestimmungen * Wasserkreislauf = globaler und regionaler Transport und Speicherung von Wasser Weg des Wassers umfasst Atmosphäre, Hydrosphäre und Lithosphäre Rotor: Sonnenenergie globaler Wasserkreislauf s. Bild 2.1 regionaler Wasserkreislauf s. Bild 2.2 * Wasserhaushalt = Zusammenwirken der Wasserhaushaltselemente Niederschlag, Verdunstung, Abfluss und Speicheränderung in einem Gebiet Bild 2.1: Schematische Darstellung des globalen Wasserkreislaufes (nach BAUMGARTNER, LIEBSCHER (1990) Bild 2.2: Darstellung des regionalen Wasserkreislaufes (nach DYCK U. A., 1976)

12 Vorlesungsskript zur Lehrveranstaltung Grundlagen der Hydrologie und Hydrogeologie 11 * Charakterisierung des Zusammenwirkens der Wasserhaushaltsgrößen (vgl. Bild 2.2): Auftreffen des Niederschlages (fest, flüssig) auf Boden, Pflanzen, Schnee, freie Wasserflächen und auf versiegelte (wasserundurchlässige) Flächen Rückhalt des Niederschlages auf der Pflanzendecke (Interzeption) Interzeptionsverdunstung Infiltration des auf den Erdboden fallenden Niederschlages Bildung von Oberflächenabfluss auf der Bodenoberfläche bei schlechten Infiltrationsbedingungen oberirdische Abflüsse zu Seen und zum Meer vertikale Versickerung des infiltrierten Wassers in tiefere Bodenschichten bzw. ins Grundwasser (Grundwasserneubildung) Speicherung von Wasser in der Schneedecke, in Oberflächenspeichern (z. B. Seen), in den Pflanzen, im Boden und im Grundwasser Wasserentzug durch Pflanzenwurzeln (Transpiration) bzw. durch den Boden selbst (Evaporation) Grundwasserabflüsse in die Vorflut, in Seen bzw. ins Meer * Verbindung von Wasser, Energie und Stoffhaushalt: Darstellung des Zusammenhanges s. Bild 2.3 Bild 2.3: Verknüpfung von Wasser, Energie und Stoffhaushalt (aus DYCK, PESCHKE, 1995) Schlussfolgerungen: oftmals integrierte Betrachtung von Wasser, Energie und Stoffhaushalt notwendig vgl. Abschnitt 2.4 Wasserhaushaltsbetrachtungen werden durch Eingriffe des Menschen zunehmend komplizierter ( vgl. hierzu ebenfalls Abschnitt 2.4): Industrialisierung, Urbanisierung (Versiegelung der Bodenoberfläche) Be und Entwässerungen, Bodenbearbeitung, Flussbegradigungen künstliche Wasserflächen, Wasserüberleitungen Wasserentnahmen und Abwassereinleitungen, bergbauliche Wasserhaltungen Wärme, Gas und Staubeintrag in die Atmosphäre Eingriffe des Menschen in den Wasser, Energie und Stoffkreislauf zeigen unterschiedlich rasch Wirkung

13 Vorlesungsskript zur Lehrveranstaltung Grundlagen der Hydrologie und Hydrogeologie Wasserdargebot und verbrauch, Wasserhaushaltsgleichung * globales Wasserdargebot: Aufsplittung des gesamten Wasservolumens der Erde s. Bild 2.4 Untersetzung der Weltwasserbilanz s. Tabelle 2.1 Tabelle 2.1: Die Wassermengen der Erde Bild 2.4: Wasservolumen der Erde *

14 Vorlesungsskript zur Lehrveranstaltung Grundlagen der Hydrologie und Hydrogeologie 13 * potenzielles Wasserdargebot der Kontinente im Vergleich: Zahlenwerte vgl. Tabelle 2.2 Tabelle 2.2: Potentielles Wasserdargebot der einzelnen Kontinente Kontinent (einschließlich Inseln) Abfluss [km 3 /a] Bevölkerung (1980) [Mio. Einwohner] Abfluss [m 3 je Einw. und Jahr] Europa Asien Afrika Nordamerika Südamerika Australien (incl. Tasmanien) Ozeanien Antarktis Landflächen insgesamt * Wasserbilanz Deutschlands im Vergleich zur Weltwasserbilanz: Zahlenwerte vgl. Tabelle 2.3 Tabelle 2.3: Werte der Wasserbilanzen für Deutschland im Vergleich zur Weltwasserbilanz ( Werte in mm/a) Welt (Landfl.) Deutschland Westdeutschland Ehem. DDR Niederschlag Verdunstung Gesamtabfluss davon Grundwasserabfluss ? ? * Wasserverbrauch: Wasserverbrauch: bis in die 70er Jahre (Alte Bundesländer) bzw. 80er Jahre (ehem. DDR) progressiv steigend, danach gedämpft steigend, heute sinkend s. Tabelle 2.4 Tabelle 2.4: Entwicklung des Wasserverbrauches (vor 1990 nur Westdeutschland) Wasserverbrauch [l / Einw. u. Tag] Verwendungszwecke des Wassers im Haushalt und deren Anteile: WC: 27 % Körperpflege (Bad/Dusche): 36 % Wäschewaschen: 12 % Geschirrspülen: 6 % Raumeinigung, Autopflege, Garten: 12 % Essen, Trinken: 4 % Kleingewerbe: 9 %

15 Vorlesungsskript zur Lehrveranstaltung Grundlagen der Hydrologie und Hydrogeologie 14 Vergleich zu anderen europäischen Ländern s. Tabelle 2.5 Anteile der Wasserreservoire an der öffentlichen Versorgung s. Tabelle 2.6 Tabelle 2.5: Kommunaler ProKopfWasserverbrauch in l/(ew d) ausgewählter europäischer Länder Land Belgien Österreich Großbritannien Frankreich Spanien Niederlande Luxemburg Dänemark Italien DDR Schweiz Tabelle 2.6: Anteile der verschiedenen Wasserreservoire an der öffentlichen Wasserversorgung Wasserressource Anteil in % Grundwasser 70 Uferfiltrat (durch Flusswasser angereichertes Grundwasser) 8 See und Talsperrenwasser 12 Flusswasser (direkte Flusswasserentnahme) 1 angereichertes Grundwasser (durch künstliche Versickerung) 9 täglicher Wasserverbrauch für ausgewählte Verbraucher (Bevölkerung, öffentliche Einrichtungen, Industrie und Landwirtschaftszweige) s. Tabelle 2.7 Tabelle 2.7: Mittlerer täglicher Wasserverbrauch für ausgewählte Verbraucher Verbraucher Bezugsgröße Wasserverbrauch Wohnung ohne Bad und WC Wohnung mit WC und Dusche Wohnung mit WC und Bad Einfamilienhaus 1 Einwohner 1 Einwohner 1 Einwohner 1 Einwohner 60 l / EW * d 140 l / EW * d 160 l / EW * d 150 l / EW * d Verwaltungsgebäude Schule Ärztehaus Krankenhaus Gaststätte Hotel Hallenbad Braunkohlenhydrierwerk Stahl und Walzwerk Papierfabrik Wäscherei Brauerei Brennerei Molkerei Schweinehaltung (Gülle) Rinderhaltung Geflügelhaltung 1 Beschäftigter 1 Schüler 1 Patient 1 Bett 1 Gast 1 Bett 1 Besucher 1 t Benzin 1 t Roheisen 1 t Feinpapier 1 t Wäsche 1 t Bier 1 t Schnaps 1 t Milch 1 Großvieheinheit 1 Großvieheinheit 1 Großvieheinheit 30 l / EW * d 15 l / EW * d 10 l / EW * d 600 l / EW * d 230 l / EW * d 400 l / EW * d 180 l / EW * d l / t * d l / t * d l / t * d l / t * d l / t * d l / t * d l / t * d 100 l / GVE * d 55 l / GVE * d 70 l / GVE * d

16 Vorlesungsskript zur Lehrveranstaltung Grundlagen der Hydrologie und Hydrogeologie 15 * Wasserpreise: Wasserpreis ergibt sich aus den Kosten für (s. auch Beispiel im Bild 2.5): die Förderung und Aufbereitung des Rohwassers die Verteilung über Rohrnetze bis zum Verbraucher (einschließlich Rohrleitungsverlusten) die Reinigung der Abwässer in Klärwerken bzw. die Überleitung der Abwässer Preise für die Trinkwasserversorgung ab (inklusive gesetzlicher Mehrwertsteuer) Grundpreise Trinkwasser: bei Abnahmemenge bis 2,5 m 3 /h: 147,66 EUR/Jahr bei Abnahmemenge bis 6,0 m 3 /h: 354,38 EUR/Jahr bei Abnahmemenge bis 10,0 m 3 /h: 590,64 EUR/Jahr für Zähleranschluss 50 mm Durchmesser: 885,96 EUR/Jahr für Zähleranschluss 65 mm Durchmesser: 1 476,60 EUR/Jahr für Zähleranschluss 80 mm Durchmesser: 2 362,56 EUR/Jahr für Zähleranschluss 100 mm Durchmesser: 3 543,84 EUR/Jahr Mengenpreise Trinkwasser: bis m 3 /a: 1,72 EUR/m 3 ab m 3 /a: Sonderkonditionen möglich Preise für die Abwasserentsorgung ab (inklusive gesetzlicher Mehrwertsteuer) Grundpreise Abwasser: bei Abnahmemenge bis 2,5 m 3 /h: 123,00 EUR/Jahr bei Abnahmemenge bis 6,0 m 3 /h: 295,20 EUR/Jahr bei Abnahmemenge bis 10,0 m 3 /h: 492,00 EUR/Jahr für Zähleranschluss 50 mm Durchmesser: 738,00 EUR/Jahr für Zähleranschluss 65 mm Durchmesser: 1 230,00 EUR/Jahr für Zähleranschluss 80 mm Durchmesser: 1 968,00 EUR/Jahr für Zähleranschluss 100 mm Durchmesser: 2 952,00 EUR/Jahr Mengenpreise Abwasser in Abhängigkeit vom Versorgungsgebiet: bei Reinigung in öffentlicher Kläranlage: 3,19 4,25 EUR/m 3 Entsorgung aus abflussloser Grube: 20,54 EUR/m 3 Bild 2.5: Auszug aus den Tarifblättern Trinkund Abwasser des Wasserzweckverbandes Freiberg * allgemeine Wasserhaushaltsgleichung: Für ein beliebiges Gebiet ( s. Bild 2.6) gilt die Wasserhaushaltsgleichung: P + RO i + RU i = RO + RU + ETR ± ΔS (2.1) Bild 2.6: Wasserhaushalt eines Gebietes (vereinfacht und schematisiert)

17 Vorlesungsskript zur Lehrveranstaltung Grundlagen der Hydrologie und Hydrogeologie 16 * Vereinfachungen der Wasserhaushaltsgleichung: bei Wasserhaushaltsbetrachtung über lange Zeitabschnitte (Jahrzehnte): ΔS 0 bei Bilanzierung für ein abgeschlossenes Einzugsgebiet: RO i + RU i = 0 P = ETR + RO + RU (2.2) (Symbole s. Gleichung 2.1) Erklärung des Begriffes Einzugsgebiet: Horizontalprojektion der Gesamtfläche, aus dem das infolge Niederschlag gebildete Wasser dem Auslasspunkt (niedrigster Punkt) zufließt Einzugsgebiet wird begrenzt durch die Wasserscheide ermittelbar aus topographischen Karten unter Nutzung der Höhenlinien (s. Bild 2.7) Wasserscheiden verlaufen senkrecht zu den Höhenlinien, beginnend am Auslasspunkt) in Abhängigkeit von den geologischen Gegebenheiten ist zwischen ober und unterirdischem Einzugsgebiet zu unterscheiden (s. ebenfalls Bild 2.7) Bild 2.7: Einzugsgebiet mit oberund unterirdischen Wasserscheiden (aus SCHRÖDER, U.A., 1994) * Quantifizierung des Wasserhaushaltes u.a. notwendig für: die Bilanzierung der Wassermengen und Stofffrachten (ggf. Schadstofftransport) eines Gebietes die Ermittlung der Grundwasserneubildung und der Verdunstung die Berechnung von Beregnungsmengen für die Landwirtschaft einen komplikationsarmen Betrieb wasserwirtschaftlicher Anlagen (z. B. Talsperren) Aufstellen einer Wasserbilanz für ein abgeschlossenes Einzugsgebiet Übung 1

18 Vorlesungsskript zur Lehrveranstaltung Grundlagen der Hydrologie und Hydrogeologie Anthropogene Beeinflussungen des Wasserhaushaltes Überblick Direkte Auswirkungen anthropogener Eingriffe * Arten direkter anthropogener Eingriffe: * Auswirkungen auf den Wasserhaushalt:

19 Vorlesungsskript zur Lehrveranstaltung Grundlagen der Hydrologie und Hydrogeologie 18 * Beispiele für direkte Auswirkungen menschlicher Tätigkeiten auf den Wasserhaushalt: Klassischer (wasserbaulicher) Flussausbau (Flussbegradigungen und Eindeichungen): Ziele, Maßnahmen und hydrologische Auswirkungen s. Bild 2.8 mannigfaltige Auswirkungen Bild 2.8: Ziele, Maßnahmen und hydrologische Auswirkungen von Flussbegradigungen und Eindeichungen (Auswahl) Stauwerke (Speicherseen, Talsperren): Erhöhung der Verdunstung ggf. Erhöhung der Versickerung und der Grundwasserneubildung im Bereich des Staukörpers Vergleichmäßigung des Durchflusses Verminderung des Fließgefälles ( 0) Verminderung der Erosion ( 0) Erhöhung der Sedimentation Gefahr des Verlandens des Speichers Auswirkungen auf den Stoffhaushalt ( vgl. z. B. Modul Limnologie) Wildbachverbauung: Anlegen von Sohlschwellen Uferbefestigungen Erosionsverminderung (für Q < Q A mit Q Durchfluss, Q A projektierter Ausbaudurchfluss) Erhöhung der Sedimentation Veränderungen der Gewässerökologie Wasserüberleitungen (z. B. für Bewässerungszwecke): Beispiele: KarakumKanal, Aralsee Erhöhung der Verdunstung Verminderung des Abflusses erhöhte Stoffkonzentrationen im Gewässer erhöhte Gefahr der Versalzung der Böden und des Grundwassers (besonders bei unsachgemäßer Bewässerung über Kanäle und Verregner) Mitte bis Ende des 20. Jahrhunderts weitere z. T. gigantische Eingriffe in den Wasserhaushalt durch Wasserüberleitungen weltweit

20 Vorlesungsskript zur Lehrveranstaltung Grundlagen der Hydrologie und Hydrogeologie 19 Veränderungen infolge Landnutzung: Überblick: Auswirkungen der Urbanisierung: Auswirkungen der Terrassierung: Veränderung der Gefälleverhältnisse meist Verminderung des Oberflächenabflusses meist Erhöhung der Versickerung und der Verdunstung Auswirkungen der Landwirtschaft: a) Be und Entwässerung: Bewässerung: Erhöhung der Verdunstung ggf. Erhöhung des Oberflächenabflusses, der Versickerung und der Grundwasserneubildung sofern das Beregnungswasser aus dem gleichen Einzugsgebiet stammt Verminderung des Gebietsabflusses ggf. Versalzung der Böden

21 Vorlesungsskript zur Lehrveranstaltung Grundlagen der Hydrologie und Hydrogeologie 20 Entwässerung: Erhöhung des Abflusses Verminderung der Verdunstung Verminderung der Versickerung und der Grundwasserneubildung meist Absenkung des Grundwasserspiegels meist Verkleinerung des Durchflussscheitels bei Hochwasser (Grund: höheres Speichervermögen des Untergrundes) b) Bodenbearbeitung s. Bild 2.9: Bild 2.9:Auswirkungen der landwirtschaftlichen Bodenbearbeitung auf den Wasserhaushalt c) Düngung: Erhöhung der Biomasseproduktion Erhöhung der Verdunstung und der Wasserspeicherkapazität auf und in der Biomasse Minderung bzw. Verzögerung des Oberflächenabflusses d) Fruchtarten und Fruchtfolge: saisonale Veränderungen der Verdunstung und des Abflusses infolge des spezifischen Wasserverbrauches der verschiedenen Pflanzen saisonaler Effekt besonders ausgeprägt bei Fruchtfolge Auswirkungen der Forstwirtschaft: hohe Biomasseproduktion gute Wasserspeichereigenschaften gute Infiltrations und Versickerungsbedingungen höhere Verdunstungswerte als urbanisierte oder landwirtschaftlich genutzte Gebiete thermische Ausgleichswirkung Vergleichmäßigung des Wasserhaushaltes Dämpfung der Abflussbildung (insbesondere des Oberflächenabflusses) Verzögerung des Schneeschmelzprozesses geringere Erosionsgefahr i. d. R. günstige Auswirkungen auf den Stoffhaushalt

22 Vorlesungsskript zur Lehrveranstaltung Grundlagen der Hydrologie und Hydrogeologie 21 vollständige Umkehr der wasserhaushaltlichen Situation bei Waldsterben/Abholzung Ursachenvielfalt für Waldsterben vgl. auch Vorlesungen im Rahmen des Moduls Luftverschmutzung und Klimaschutz): Ausfilterung toxischer Gase (besonders in Kamm und Staulagen) Ozon und andere photochemische Folgeprodukte Freisetzung von Metallen/Schwermetallen im Boden infolge Bodenversauerung (Tonmineralzerstörung Al, Lösung adsorbierter Schwermetalle z. B. Cd, Pb) Nährstoffmangel Wasserentzug infolge Urbanisierung und Bewirtschaftung Maßnahmen zur Eindämmung des Waldsterbens: Verringerung der Schadstoffemissionen (insbesondere SO 4, NO X, NH 3 und O 3 ) Überwachung der Schadstoffemissionen (Verdichtung Messnetz, Sünderbestrafung) forstwirtschaftliche Maßnahmen (Stärkung Waldökosysteme, rauchresistente Baumarten) Waldschadensforschung (Ursachenforschung, integrale Ökosystem/Umweltforschung) Indirekte Auswirkungen anthropogener Eingriffe * Auswirkungen globaler anthropogener Eingriffe: Klimaveränderungen ("global change", Treibhauseffekt) s. Modul Meteorologie/Klimatologie Veränderungen des Wärmehaushaltes der Erde Veränderungen des Wasserhaushaltes der Erde Veränderungen des Wasserhaushaltes kleinerer regionaler Einheiten Emission von Stoffen (z. T. Schadstoffen) Beeinflussung von Atmosphäre, Lithosphäre und Hydrosphäre Wasserbeschaffenheitsprobleme (vgl. u. a. Module Limnologie, Gewässerschutz, Grundwasserbeschaffenheit, Grundwasserschutz, ) sonstiges (u. a. Freisetzung von Wärme) * Prognostizierte Auswirkungen globaler Klimaveränderungen auf den Wasserhaushalt: Tendenz der Niederschlagserhöhung auf Grund höherer Temperaturen und folglich einer höheren Verdunstung in den Tropen Zunahme der Niederschläge in weiten Teilen der höheren Breiten der Nordhemisphäre Trend zu geringeren Niederschlägen in semiariden Gebieten * Prognostizierte Auswirkungen für Deutschland und Sachsen: Niederschlagserhöhungen im Westen und Süden (Gebiet der alten Bundesländer) geringere Niederschläge in den Tieflandgebieten im Osten (vor allem Brandenburg, Sachsen Anhalt und Sachsen) Trend der Niederschlagsabnahme im Osten betrifft vor allem verdunstungsaktives Sommerhalbjahr (teilweise Rückgänge von > 50 % bis 2100 prognostiziert) Folgen insbesondere für Ostdeutschland: Zunahme der theoretisch möglichen Verdunstung infolge höherer Temperaturen Zunahme der Wasserknappheit vor allem in den Sommermonaten geringere Abflüsse (betrifft auch die Grundwasserneubildung)

23 Vorlesungsskript zur Lehrveranstaltung Grundlagen der Hydrologie und Hydrogeologie Der Niederschlag 3.1. Bedeutung und Entstehung * Bedeutung: Niederschlag = Ausscheiden des in der Luft enthaltenen Wasserdampfes (fest, flüssig) für die Hydrologie wichtigstes Klimaelement Einnahmegröße für den Wasserhaushalt * Niederschlagsentstehung: Voraussetzungen für die Niederschlagsbildung: Sättigung der Luft mit Wasserdampf (relative Luftfeuchte = 100 %) Vorhandensein von Kondensations bzw. Gefrierkernen (Phasenübergang) Tröpfchen/Eispartikelwachstum (abhängig von der Stärke der i.d.r. vertikalen Luftbewegung) Sättigung der Luft mit Wasserdampf: Luft vermag in Abhängigkeit von der Temperatur immer nur eine bestimmte Maximalmenge an Feuchtigkeit (Wasserdampf) aufzunehmen ( vgl. Tabelle 3.1) Tabelle 3.1: Maximale absolute Feuchte der Luft (bezogen auf Meereshöhe) Temperatur [ C] ± Absolute Sättigungsfeuchte [g Wasser/m 3 Luft] 0,9 2,2 4,9 9,4 17,3 30,4 Feuchteaufnahmefähigkeit sinkt mit der Temperatur (vgl. Tabelle 3.1) Sättigung der Luft ist praktisch immer das Resultat der Abkühlung der Luft (bei Abkühlung wächst die rel. Luftfeuchte, bis 100 % erreicht werden Erreichen des sog. Taupunktes) weitere Abkühlung Ausscheiden des überschüssigen Wasserdampfes Bildung von Wassertröpfchen bis etwa 5 C 15 C (Kondensation) oder Eiskristallen unter 15 C (Resublimation) Vorhandensein von Kondensations bzw. Gefrierkernen: winzige Partikel in der Atmosphäre (Durchmesser: 0, μm) großer Durchmesser hohe Sinkgeschwindigkeit schnelles Verlassen der Atmosphäre Kondensationskerne immer in ausreichender Anzahl vorhanden: ca. 100 / cm 3 Luft bei reinster Atmosphäre (Inseln, hohe Berge fernab von Emittenten) ca / cm 3 Luft in stark verunreinigter Luft (in Ballungsräumen) Wachstum/Größe der Wassertröpfchen: direkter Zusammenhang zwischen (vertikaler) Luftbewegung und Tropfengröße: Nebel (sehr geringe Luftbewegung): Tropfengröße 5 15 μm Sprüh bzw. Nieselregen (geringe vertikale Luftbewegung): < 0,5 mm (< 500 μm) Regen (bei hoher vertikaler Luftbewegung): bis 5 mm (kaum größer, da dann Eisstadium) Graupel (bei hoher vertikaler Luftbewegung): bis 5 mm Hagel (bei extrem hoher vertikaler Luftbewegung): in gemäßigten Breiten 5 50 mm in den Tropen: mm keine Seltenheit (d max 170 mm, Nebraska/USA, 2003)

24 Vorlesungsskript zur Lehrveranstaltung Grundlagen der Hydrologie und Hydrogeologie 23 Prozesse der Wolken und Niederschlagsbildung: a) Ausstrahlung infolge fehlender Bewölkung: verursacht eine nächtliche Abkühlung der bodennahen Luftschicht Bildung von Bodennebel abgesetzter Niederschlag (vgl. Abschnitt 3.2) b) Abkühlung über einer kalten Unterlage: Abkühlung über Schnee, kaltem Wasser, kaltem Boden Nebelbildung abgesetzter Niederschlag (vgl. Abschnitt 3.2) c) Mischung kalter und warmer Luft: Mischungsnebel abgesetzter Niederschlag (vgl. Abschnitt 3.2) d) Abkühlung von aufsteigenden Luftmassen bis zum Erreichen der Sättigung: fallender Niederschlag (vgl. Abschnitt 3.2) wegen der vergleichsweise zum abgesetzten Niederschlag höheren Niederschlagsmengen hydrologisch besonders bedeutsam Ursachen für ein Aufsteigen von Luft (Mitteleuropa): zyklonale Niederschläge orographische Abkühlung konvektive Abkühlung zyklonale Niederschläge: Verlagerung von Tiefdruckgebieten und der dazugehörigen Frontensysteme (vgl. Bild 3.1) für die gemäßigte Klimazone maßgebende Niederschlagsart Bild 3.1: Wettererscheinungen beim Durchgang einer Zyklone (aus BAUMGARTNER, LIEBSCHER, 1990)

25 Vorlesungsskript zur Lehrveranstaltung Grundlagen der Hydrologie und Hydrogeologie 24 Frontensysteme gekennzeichnet durch Warm und Kaltfront Charakteristik Warmfrontniederschlag: lang anhaltend geringe bis mittlere Intensität dennoch in der Summe oft ergiebig hydrologisch relevant z.b. für Hochwasserentstehung bei lang anhaltender Überregnung größerer Einzugsgebiete (ca. > km 2 ) Charakteristik Kaltfrontniederschlag: kurze Dauer (Schauer, Gewitter) i.d.r. höhere Niederschlagsintensitäten als Warmfrontniederschlag hydrologisch relevant z.b. für Hochwasserentstehung kleiner Einzugsgebiete (< 500 km 2 ), selten für mittlere und große Einzugsgebiete orographisch bedingte Niederschläge: Aufsteigen und Abkühlung der Luft, hervorgerufen durch Geländeerhebungen (Gebirge) Entstehung von Niederschlägen auf der Luvseite der Gebirge Stauniederschläge (s. Bild 3.2) hydrologisch relevant z.b. für die Hochwasserentstehung im Oberlauf der Flüsse, besonders dann, wenn eine Überlagerung durch ein zyklonales Frontensystem besteht Bild 3.2: Wolken, Niederschlags und Temperaturverhältnisse auf der Luv bzw. Leeseite eines Gebirges (aus HEYER, 1975) konvektive Abkühlung: hervorgerufen durch aufsteigende Luftmassen über einer erhitzten Oberfläche Bildung von Wolken und Niederschlag Art von Wolken und Niederschlag abhängig vom Zustand der Atmosphäre (stabile bzw. labile Schichtung, vgl. Bild 3.3), insbesondere bei labiler Schichtung starke Niederschläge möglich

26 Vorlesungsskript zur Lehrveranstaltung Grundlagen der Hydrologie und Hydrogeologie 25 a) (feucht)stabile Luftschichtung b) (feucht)labile Luftschichtung tatsächlicher Temperaturverlauf (tatsächlicher Zustand der Atmosphäre, sog. Zustandskurve) adiabatischer (theoretischer, physikalisch bedingter) Temperaturgradient (sog. Adiabate): Abkühlung trockener Luft (relative Luftfeuchte RLF < 100 %) um 1 C je 100 m Höhenzunahme Abkühlung wasserdampfgesättigter Luft (RLF = 100 %) um 0,6 C je 100 m Höhenzunahme Bild 3.3: Wolkenbildung in Abhängigkeit vom Zustand der Atmosphäre (nach HEYER, 1975) * hydrologisch relevante Wetterlagen (bezüglich des Niederschlages): bestimmte Wetterlagen (Hoch und Tiefdruckverteilung über Europa) bedingen die Verlagerung bestimmter Luftmassen, die durch charakteristische Eigenschaften (kalt, warm, feucht, trocken) gekennzeichnet sind (s. Bild 3.4 sowie Tabelle 3.2) P Polarluft T Tropikluft A Arktis S Sahara c kontinental m maritim Bild 3.4: Wetterlagen und Luftmassenströme nach Mitteleuropa (nach SCHREIBER, 1957)

27 Vorlesungsskript zur Lehrveranstaltung Grundlagen der Hydrologie und Hydrogeologie 26 ausschlaggebende Faktoren für die Eigenschaften einer Luftmasse: das Entstehungsgebiet der Verlagerungsweg der Luftmasse Tabelle 3.2: Entstehung, Verlagerungsweg und Eigenschaften der Luftmassen in Mitteleuropa Wetterlagen, die in Bezug auf Niederschlagshöhen, dauer und Hochwasserentstehung von hydrologischer Bedeutung sind (s. Bilder 3.4 und 3.5): Nordwestlage: bei langsamer Tiefdruckverlagerung ergiebige Sommerniederschläge (Dauerregen) Hochwassergefahr für mittlere und große Einzugsgebiete Südwestlage: Regen, im Spätwinter oft verbunden mit Tauwetter allgemeine Hochwassergefahr (sowohl für kleine als auch für große Einzugsgebiete) Südostlage: Gefahr kräftiger Sommergewitter, besonders im Gebirge Hochwassergefahr für kleinere Einzugsgebiete im Mittelgebirge V b Wetterlage (Tief über Oberitalien): lang anhaltende ergiebige Niederschläge infolge des großräumigen Aufgleitens von feuchtwarmen Luftmassen des Mittelmeerraumes mit feuchtkalten Atlantik/Nordseeluftmassen DauerStarkregen über Ost und Süddeutschland, im Gebirge verstärkt durch Stauererscheinungen akute Hochwassergefahr besonders für ost und süddeutschen Mittelgebirgseinzugsgebiete, aber auch für größere Einzugsgebiete (z.b. Oder, Elbe), z.b. Oderhochwasser Sommer 1997 und Elbehochwasser 2002 entstanden infolge V b Wetterlagen

28 Vorlesungsskript zur Lehrveranstaltung Grundlagen der Hydrologie und Hydrogeologie 27 a) Nordwestlage b) Südwestlage c) Südostlage d) V b Wetterlage Bild 3.5: Ausgewählte Wetterlagen über Mitteleuropa mit hydrologischer Relevanz (aus HEYER, 1975) 3.2. Niederschlagsarten * Charakterisierungsmöglichkeiten der Niederschlagsarten: vielfältige Charakterisierungsmöglichkeiten hydrologisch gebräuchliche Möglichkeiten der Charakterisierung: a) nach dem Aggregatzustand und der Erscheinungsform b) nach dem Entstehungsprozess c) nach der Dauer und der Intensität d) nach dem Flächenbezug

29 Vorlesungsskript zur Lehrveranstaltung Grundlagen der Hydrologie und Hydrogeologie 28 * Systematisierung der Niederschlagsarten: Systematisierung s. Tabelle 3.3 Tabelle 3.3: Systematik Niederschlagsarten Aggregatzustand und Erscheinungsform fest flüssig gemischt (fest + flüssig) unterkühlt (flüssig, aber bei Auftreffen auf den Boden sofort gefrierend) Entstehungsprozess Fallender Niederschlag Sprühregen (d < 0,5 mm) Regen (d = 0, mm) Schnee (T Wolke < 12 C) Graupel (d < 5 mm) Hagel (d > 5 mm) Bildung in der Atmosphäre Messung relativ unkompliziert Abgesetzter/abgefangener Niederschlag Tau (Absetzen bei T > 0 C) Rauhreif (T < 0 C) Rauhfrost (T < 0 C und Wind) Glatteis Bildung am Erdboden Messung nahezu unmöglich Dauer und Intensität Dauerregen (Landregen): Definition abhängig vom Klimagebiet Mitteleuropa: ununterbrochene Regenfälle mit einer Intensität PI > 0,5 mm/h über einen Zeitraum von t > 6 h Schauer: Niederschlag von kurzer Dauer und meist hoher (z.t. rasch wechselnder) Intensität Starkregen: starke Regenfälle unterschiedlicher Dauer (Dauerregen, Schauer) und hoher Intensität quantitative Charakterisierung s. Abschnitt 3.5 Flächenbezug Punktniederschlag: gemessener Niederschlag einer meteorologischen Station (Punktwert) Gebietsniederschlag: für ein bestimmtes Gebiet (z.b. Einzugsgebiet) repräsentativer Niederschlagswert hydrologisch relevante Größe 3.3. Niederschlagsmessung (punktuelle Messung) * Messbarkeit des Niederschlages: abgesetzter/abgefangener Niederschlag mit den derzeit üblichen Regenmessern (die hauptsächlich den fallenden Niederschlag erfassen) nicht oder nur schwer messbar (Spezialgeräte: Nebelfänger nach GRUNOW, Nebelsammler Auskämmen des Nebelniederschlages durch eine Teflonharfe) bleibt für hydrologische Betrachtungen, bei denen die Niederschlagsmessung ohne Spezialgeräte erfolgt, meist unberücksichtigt fallender Niederschlag gut messbar (s.u.)

30 Vorlesungsskript zur Lehrveranstaltung Grundlagen der Hydrologie und Hydrogeologie 29 * Arten von punktuellen Niederschlagsmessgeräten: nichtregistrierende Geräte (Niederschlagssammler) registrierende Geräte (Niederschlagsschreiber) * nichtregistrierende Geräte Niederschlagssammler: HELLMANN'scher Regenmesser Messung (Auslitern) zu festgesetzten Zeiten (in Deutschland i.d.r. einmal am Tag um 7:00 Uhr MEZ oder zu 3 Zeiten: 7:00 Uhr, 14:00 und 21:00 Uhr MEZ) konstruktiver Aufbau (vgl. Bild 3.6): Auffangfläche, Trichter, Sammelkanne Auffangflächen variieren: Deutschland/Österreich: Regenmesser nach HELLMANN mit 200 cm 2 USA: Messgerät des US Weather Bureau mit 324 cm 2 Frankreich: Französischer Wetterdienst mit 400 cm 2 spezielle Art des nichtregistrierenden Niederschlagssammlers: sog. Totalisator konstruktiver Aufbau s. Bild 3.8 verwendet in schwer zugänglichen Gebieten, in denen keine tägliche Leerung/Messung möglich (Hochgebirge, Wüsten...) Messung der Gesamtniederschlagsmenge über einen längeren Zeitraum (z.b. Winterhalbjahr) bei Verwendung im Gebirge meist mit Windschutzring Reduzierung Windfehler teilgefüllt mit einem AntiFrostMittel (78 %ige Kaliumchloridlösung) * registrierende Geräte Niederschlagsschreiber: Niederschlagsschreiber nach dem Schwimmerprinzip: konstruktiver Aufbau s. Bild 3.7 Verwendung vorrangig in größeren Stationen Schreibtrommel mit täglichem oder wöchentlichem Laufwerk Genauigkeit (zeitliche Auflösung): 2 3 min (Tageslaufwerk) Auswertung von Schreiberaufzeichnungen s. Übung 2 (Teilaufgabe a) A Auffanggefäß mit Trichter G Schwimmergefäß mit Heberrohr T Schreibtrommel S Sammelkanne Bild 3.6: HELLMANNRegenmesser Bilder aus DYCK, PESCHKE (1995) Bild 3.7: Regenschreiber nach dem Schwimmerprinzip

31 Vorlesungsskript zur Lehrveranstaltung Grundlagen der Hydrologie und Hydrogeologie 30 Bild 3.8: Totalisator mit Windschutzring (aus DYCK, PESCHKE, 1995) Kippwaage: Konstruktionsprinzip s. Bild 3.9: Verwendung oft in automatisch registrierenden (kompakten, digitalen) Stationen Wirkungsweise: Messwippe (Kunststoff, Leichtmetall) ist vertikal geteilt in 2 gleiche Teile instabile Lagerung über eine horizontale Achse Schwerpunktverlagerung bei Füllung infolge Niederschlag Registrierung der Anzahl der Kippbewegungen elektrischer Impuls Registrierung aller 0,05 mm Niederschlag (bei hoch exakten Geräten) Vorteil: unkomplizierte Digitalisierung Nachteile: a) Das Kippgefäß benötigt eine (wenngleich geringe) Zeit zum Kippen, d.h. Im Falle einer hohen Regenintensität wird das Gerät während des Kippens weiter gefüllt Das Auslaufvolumen ist folglich größer als bei geringer Regenintensität. b) Nach Regenende bleibt das Kippgefäß i.d.r. teilweise gefüllt (Verdunstungsfehler) c) Regenbeginn und ende besonders im Falle geringer Regenintensität nicht genau registrierbar Abhilfe: Messung (Auslitern) der während des Messzeitraumes (1 Tag, 1 Woche) im Sammelgefäß gespeicherten Gesamtniederschlagsmenge Eichung (Gesamtanzahl der registrierten Impulse = Gesamtniederschlagsmenge Eichung auf Einzelimpuls) a Messwippe b Impulsgeber Bild 3.9: Prinzip der Kippwaage (Foto: Dr. Friedrichs & Co.) Ombrometer: Messung der Gewichtszunahme infolge Niederschlag positive Gewichtsänderung P > 0, keine bzw. negative Gewichtsänderung P = 0 automatische Korrektur von Wind und anderen Einflüssen hohe Niederschlagsintensitäten (bis 50 mm/min) messbar derzeit genauestes Messgerät

32 Vorlesungsskript zur Lehrveranstaltung Grundlagen der Hydrologie und Hydrogeologie 31 * generelle Messfehler (unabhängig von der Art des Niederschlagsmessers): Fehlerursachen: Wind Überwehung des Messgerätes (mittlere jährliche Fehlerhöhen für Mitteleuropa: Schauerund Gewitter: < 1 %, Landregen: 1 5 %, Schnee und Nieselregen: %) Benetzung der Auffangfläche und des Trichters durch Niederschlag, ehe es zum Abfluss in das Sammelgefäß kommt (für Mitteleuropa: 5 10 % im Jahresmittel) Verdunstung insbesondere aus dem Sammelgefäß aber auch von anderen Teilen (für Mitteleuropa: 1 3 % im Jahresmittel) Schlussfolgerungen: alle Fehler führen dazu, dass mit den Messgeräten zu wenig gemessen wird mittlerer jährlicher Gesamtfehler liegt in Deutschland bei etwa 10 % Korrektur der Niederschlagsdaten um + 10 %, falls keine genaueren Informationen zur Messstation vorliegen bei Vorliegen genauerer Informationen zur Messstation monats und gebietsvariable Korrektur nach RICHTER empfehlenswert vgl. Tabelle 3.4 Tabelle 3.4: Prozentuale Korrekturen der Niederschlagswerte nach RICHTER (1995) Geb./Lage Jan Feb Mrz Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez A a b c d 20,8 17,3 13,4 9,5 23,6 17,9 13,7 9,6 20,0 15,5 12,6 9,4 16,0 13,6 11,6 9,4 12,0 10,8 9,8 8,5 10,3 9,2 8,4 7,3 10,5 9,4 8,5 7,5 10,3 9,3 8,4 7,3 11,5 10,2 9,1 7,8 13,6 11,2 9,7 7,8 16,2 12,9 10,6 8,0 18,9 14,6 11,6 8,4 B a b c d C a b c d D a b c d 27,5 20,5 15,2 10,3 31,6 23,3 17,3 11,5 31,7 23,0 16,2 10,6 29,0 21,5 15,8 10,7 33,5 24,5 17,9 11,8 30,5 22,2 15,7 10,2 23,6 17,8 14,0 10,0 26,9 20,3 15,5 10,7 25,6 19,4 14,3 9,6 18,2 1 12,4 9,6 18,3 15,1 12,7 10,0 18,8 1 11,9 8,7 12,3 10,9 9,8 8,5 12,5 11,1 10,1 8,6 10,4 9,0 8,0 6,7 Gebietszuordnung (Geb.): A: westlicher Teil des Norddeutschen Tieflandes einschließlich SchleswigHolstein und Rheintal sowie Südwestdeutschland ohne westliches Saarland und Schwarzwald B: mittlerer Teil des Norddeutschen Tieflandes sowie westliche Mittelgebirge von der Eifel bis zum Westharz und der Bereich zwischen Frankenhöhe, Steigerwald und Oberpfälzer Wald bis 700 m NN C : östlicher Teil des Norddeutschen Tieflandes und östliche Mittelgebirge bis 700 m NN D: Alpenvorland südlich der Donau sowie Schwäbische Alb und Bayrischer Wald bis 1000 m NN Kennzeichnung der Stationslage (Lage): a frei, b leicht geschützt, c mäßig geschützt, d stark geschützt 10,3 9,3 8,3 7,3 10,4 9,8 8,8 7,7 8,1 7,2 6,5 5,7 10,5 9,4 8,6 7,5 10,8 10,0 9,1 8,0 7,9 7,1 6,3 5,6 10,5 9,5 8,6 7,5 10,5 9,5 8,5 7,5 8,2 7,3 6,6 5,8 12,1 10,9 9,6 8,2 12,6 11,5 10,2 8,7 9,6 8,6 7,7 6,5 14,2 11,6 10,2 8,2 15,5 12,7 11,0 8,8 13,4 10,6 8,8 6,8 19,1 1 12,0 8,7 21,8 16,8 13,3 9,5 21,3 16,0 12,1 8,3 Minimierung der Fehler ferner möglich durch: Verwendung von Windschutzringen bzw. Windschutzzäunen Minimierung Windfehler bodenebener Einbau des Regenmessers Minimierung Windfehler (Problem: Schnee) 3.4. Ermittlung des Gebietsniederschlages * Messung mittels Radarmethode: direktes Verfahren zur Ermittlung des mittleren Gebietsniederschlages, Prinzip s. Bild 3.10 Niederschlagsintensität = f (Streuwinkel der Reflexionswellen) Entfernung des Niederschlages vom Beobachtungspunkt (Messpunkt) = f (Echolaufzeit) Eichung i.d.r. unter Einbeziehung punktueller Messwerte Beispiel s. Bild ,7 17,3 13,2 9,2 26,5 19,8 1 10,3 26,9 19,7 14,4 9,5

33 Vorlesungsskript zur Lehrveranstaltung Grundlagen der Hydrologie und Hydrogeologie 32 Bild 3.10: Prinzip des Radarmessverfahrens Bild 3.11: Karte der Niederschlagsverteilung im Ergebnis der Kombination von Radarund konventionellen Methoden (aua DYCK U.A., 1980) * Ermittlung des Gebietsniederschlages aus punktuellen Werten: Methodik: viele Faktoren beeinflussen die flächenhafte Verteilung des Niederschlages Messnetz muss diese flächenhafte Verteilung hinreichend genau erfassen mittlerer Gebietsniederschlag P m beschreibbar durch gewichtetes Mittel aller betrachteten Messstellen: n P m = 3 a i * P i (3.1) i=1 mit P m n a i P i mittlerer Gebietsniederschlag [mm] Anzahl einbezogener Niederschlagsmesser Wichtung des iten Niederschlagsmessers beobachtete Niederschlagsmenge des iten Niederschlagsmessers Abhängigkeiten der Wichtung: vor allem von der Stationsentfernung, von der Geländemorphologie, von der StadtLand Verteilung und dem Anteil Tal/Bergstationen einfachste Art der Wichtung: keine Wichtung (alle a i in Gleichung 3.1: a i = 1) arithmetisches Mittel, bei allen anderen Wichtungen: 0 a i 1 (für i = 1... n) häufig angewendete Methoden der Wichtung in der Meteorologie, Hydrologie, Hydrogeologie: arithmetisches Mittel Polygonmethode Isohyetenmethode InversDistanzMethode

34 Vorlesungsskript zur Lehrveranstaltung Grundlagen der Hydrologie und Hydrogeologie 33 arithmetisches Mittel: arithmetisches Mittel aller Niederschlagsstationen (a i = 1 für i = 1... n) Anwendung z.t. im Flachland bei gleichmäßiger Verteilung der Stationen und geringen Unterschieden der beobachteten Niederschlagshöhen Niederschlagsstationen in der Nähe des Untersuchungsgebietes sollten einbezogen werden THIESSENPolygonmethode: geeignete Methode für Gebiete im Flachland Ziel: Zuordnung einer repräsentativen Fläche um jeden Niederschlagsmesser Wichtung unter Berücksichtigung einer ungleichmäßigen Stationsverteilung Prinzip der Methode (s. auch Beispiel im Bild 3.12): a) Einzeichnen aller Niederschlagsstationen in eine maßstäbliche Karte b) Verbindung aller benachbarter Stationen mittels Geraden c) Konstruktion der Mittelsenkrechten Polygon um jede Station d) Polygon repräsentiert Fläche, die jeder Station zuordenbar ist e) Ermittlung der Flächeninhalte aller Polygone (Kartendigitalisierung, Planimeter) f) Ermittlung der Wichtungsfaktoren a i (Flächenanteile): a i = A i / A (3.2) mit a i Wichtungsfaktor (Flächenanteil) A i Polygonfläche der iten Niederschlagsstation A Gesamtfläche des untersuchten Gebietes [gleiche Maßeinheit wie A i ] g) Multiplikation der Niederschläge P i mit den Flächenanteilen a i (für jede Station) h) mittlerer Gebietsniederschlag = Addition aller P i * a i ( vgl. Gleichung 3.1) Vorteile der THIESSENPolygonmethode: Berücksichtigung von Stationsdichteunterschieden Nachteil: keine Einbeziehung des Einflusses der Geländemorphologie Anwendung der THIESSENPolygonmethode s. Übung 2 (Teilaufgabe b) sowie Übung 3 Isohyetenmethode (Linien gleicher Niederschlagshöhe): auch im Mittelgebirge genaue Methode zur Gebietsniederschlagsermittlung Berücksichtigung des Einflusses der Morphologie Anwendung im Flachland und im Mittelgebirge Prinzip der Methodik (s. Bild 3.13): a) Einzeichnen aller Niederschlagsstationen in eine maßstäbliche Karte Bild 3.12: THIESSENPolygonmethode

35 Vorlesungsskript zur Lehrveranstaltung Grundlagen der Hydrologie und Hydrogeologie 34 b) Eintrag aller Niederschlagsmengen neben dem jeweiligen Messpunkt c) Verbindung aller benachbarter Stationen mittels Geraden Dreiecksvernetzung d) Konstruktion der Isohyeten: durch Isolinienprogramme (z.b. Surfer mittels linearer Interpolation) per Hand mittels Harfe Anwendungsbeispiel s. Übung 3 e) Ermittlung der Flächengrößen zwischen den Isohyeten des Untersuchungsgebietes f) Ermittlung der Wichtungsfaktoren a i (Flächenanteile, s. Gleichung 3.2) g) Multiplikation der Flächenanteile mit dem Mittel der jeweiligen Niederschläge der Isohyetenstufen h) mittlerer Gebietsniederschlag = Addition aller P i * a i Bild 3.13: Isohyetenmethode InversDistanzMethode: gewichtetes Mittel aller gemessenen Niederschlagswerte in der Umgebung der Stelle, für den der Niederschlag bestimmt werden soll Wichtung ist proportional zu den inversen Abständen der Stelle, für den der Niederschlag bestimmt werden soll, zu den Messstellen Anwendung der InversDistanzMethode s. Übung 3 Berechnungsgleichung: P 1 / d 1 + P 2 / d 2 + P = (3.3) 1 / d / d 2 + mit P Niederschlag am unbeobachteten Punkt [mm] P i Niederschlag am Beobachtungspunkt i [mm] d i Abstand des unbeobachteten Punktes vom Beobachtungspunkt i [m, km] 3.5. Starkregen, Bemessungsregen, maximal möglicher Regen * Starkregen: Definition abhängig vom Klimagebiet (keine weltweit einheitliche Definition) für Mitteleuropa gilt für Starkregen (Definition nach WUSSOW): P [5 t (t / 24) 2 ] 0,5 (3.4) mit P Mindeststarkregenmenge [mm] t Regendauer [min] Umsetzung der (Un)gleichung 3.4 s. Tabelle 3.5

36 Vorlesungsskript zur Lehrveranstaltung Grundlagen der Hydrologie und Hydrogeologie 35 Tabelle 3.5: Mindestregenmengen P und Mindestregenintensitäten PI für Starkregen verschiedener Regendauern t (für Mitteleuropa) t [min] P [mm] PI [mm/min] 1,00 7,1 0,71 8,7 0,58 10,0 0,50 12,2 0,41 14,9 0,33 17,1 0,28 20,0 0,23 t [h] P [mm] PI [mm/min] 24,0 0,20 29,0 0,16 33,2 0,14 36,6 0,12 48,7 0,08 55,6 0,06 59,3 0,05 60,0 0,04 mittels (Un)gleichung 3.4 bzw. Tabelle 3.5 lediglich ermittelbar, ob ein Regenereignis ein Starkregenereignis ist oder nicht für viele hydrologische Aufgaben reicht dies jedoch nicht aus (z.b. für die Bemessung von wasserwirtschaftlichen und sonstigen Anlagen) genauere Informationen notwendig * Bemessungsregen: Bedeutung und Merkmale des Bemessungsregens: Bemessungsregen interessiert für die hydrologischwasserwirtschaftliche Planung von: Durchlässen aller Art (Brücken, Rohre) Bach und Flussquerschnitten (Dimensionierung, Gestaltung, Uferbefestigung) Kanalisationen (Dimensionierung, Gefälle) verkehrstechnischen, land und forstwirtschaftlichen Anlagen (Straßen, Gräben, Wege...) Regen und Hochwasserrückhaltebecken hydrologischwasserwirtschaftlich interessierende Merkmale des Bemessungsniederschlages: Niederschlagshöhe P Niederschlagsdauer P D Regenspende P S (Regenintensität) und deren zeitlicher Intensitätsverlauf PI(t) örtliche Niederschlagsverteilung Häufigkeit des Auftretens n (Wiederkehrsintervall, sog. Jährlichkeit T = 1/n) Ermittlung des Bemessungsregens (Anwendungsbeispiel s. Übung 4): Nutzung statistischer Auswertungen von Niederschlagsmessungen durch den Deutschen Wetterdienst DWD NiederschlagsmengenDauerHäufigkeitsBeziehungen ( s. Bild 3.14) Ermittlung auf Grundlage des Starkregenatlasses KOSTRA des DWD für viele praktische Bemessungsfälle NiederschlagsmengenDauerHäufigkeitsBeziehung nicht verfügbar (bzw. Erstellung durch DWD zu teuer) Herangehensweise im Falle des Fehlens von NiederschlagsmengenDauerHäufigkeits Beziehungen bzw. KOSTRAStarkregenwerten: a) Ausgangswert: Regenspende eines Niederschlages mit 15minütiger Dauer, der statistisch gesehen 1 Mal pro Jahr auftritt Basisbemessungsregenspende P S (15,1) Werte bundesweit für viele Städte und Regionen verfügbar (eine Vielzahl von Werten enthält z.b. SCHNEIDER: Bautabellen mit Berechnungshinweisen und Beispielen. 11. Auflage, WernerVerlag, 1996) Werte für viele Städte und Regionen verfügbar, weil sie u.a. für die Kanalnetzberechnung verwendet werden Werte für verschiedene geographische Regionen Deutschlands s. Tabelle 3.6

37 Vorlesungsskript zur Lehrveranstaltung Grundlagen der Hydrologie und Hydrogeologie 36 b) Umrechnung der Basisbemessungsregenspende für Dauern 15 min und Wiederkehrsintervallen 1 a z.b. mittels REINHOLDFormel für T 20 a und P D 150 min möglich: P S (P D,T) = P S (15,1) * φ mit φ = 38 (T 0,25 0,369) / (P D + 9) (3.5) mit P S (P D,T) Regenspende der Dauer P D mit einem Wiederkehrsintervall T [l / (s ha)] P S (15,1) Basisbemessungsregenspende mit einer Dauer von 15 min und einem Wiederkehrsintervall von 1 Jahr [l / (s ha)] φ Zeitbeiwert T Wiederkehrsintervall (sog. Jährlichkeit) [a] Regendauer [min] P D P Regenmenge P S Regenspende T Wiederkehrsintervall P D Regendauer Bild 3.14: NiederschlagsmengenDauer HäufigkeitsBeziehung für das mittlere Neckartal (nach SCHRÖDER U.A. (1994) Tabelle 3.6: Starkregenspenden P S (15,1) für verschiedene geographische Regionen Deutschlands Geographische Region Nordwestdeutschland Nordost und Mitteldeutschland Westdeutschland Sachsen und Thüringen Süd und Südwestdeutschland Großstadtbereich Nord und Ostdeutschlands Großstadtbereich Süd und Südwestdeutschlands P S (15,1) [l/s ha]

38 Vorlesungsskript zur Lehrveranstaltung Grundlagen der Hydrologie und Hydrogeologie 37 c) Umrechnung der Regenspende in Regenmenge (Niederschlagshöhe): P(P D,T) = 0,36 * P S (P D,T) * P D (3.6) mit P(P D,T) Bemessungsregenmenge für P D und T [mm] P S (P D,T) Bemessungsregenspende für P D und T [l/s ha] P D Regendauer [h] maßgebende Bemessungsregendauer P D : maßgebende Bemessungsregendauer charakterisiert die Regendauer, die für das Bemessungswiederkehrsintervall im betrachteten Gebiet den größten Abflusswert verursacht (sog. Abflusskonzentrationszeit T C ) maßgebende Bemessungsregendauer ist nicht für alle Einzugsgebiete konstant maßgebende Bemessungsregendauer hängt vor allem von der Einzugsgebietsgröße und dem Gefälle ab (je größer das Einzugsgebiet und je kleiner das Gefälle, um so länger braucht der Niederschlag, um zu Abfluss zu werden, desto höher sind folglich P D und T C ) kleine, steile Gebiete reagieren schnell auf Niederschläge P D klein (< 1 h) große, flache Gebiete reagieren z.t. wesentlich langsamer, d.h. mit deutlicher Zeitverzögerung auf Niederschläge P D groß (> 1 h) Berechnungsansätze für P D : für kleine (A E 0,8 km 2 ) vorwiegend landwirtschaftl. genutzte Einzugsgebiete (KIRPICHFormel): P D = T C = 0,868 (l 3 /Δ h) 0,385 (3.7) mit P D maßgebende Bemessungsregendauer [h] T C Konzentrationszeit des Abflusses in einem Gebiet [h] l längster Fließweg im Einzugsgebiet bis zum Gebietsauslass [km] Δ h Höhenunterschied von der Einzugsgebietsgrenze bis zum Gebietsauslass [m] für Wiese und Wald (ebenfalls für kleine Gebiete: l < 0,4 km), KERBYFormel: P D = T C = 3,03 (r * l 1,5 /Δ h 0,5 ) 0,467 (3.8) mit r Nutzungsbeiwert (Wiese: r = 0,3 0,4, Wald: r = 1) (alle anderen Größen s. Gleichung 3.7) für Stadtgebiete: 0,552 [1,8 (1,1 ψ(5)) l 0,5 ] P D = T C = (3.9) (Δ h / l) 1/3 mit ψ(5) Abflussbeiwert für T = 5 a (ψ = R / P, Anteil Abfluss R vom Niederschlag P, vgl. auch Abschnitt 5.6.2) (alle anderen Größen s. Gleichung 3.7) bei verschiedenen Nutzungsanteilen in einem Gebiet Ermittlung des flächengewichteten Mittelwertes der einzelnen maßgebenden Regendauern P D

39 Vorlesungsskript zur Lehrveranstaltung Grundlagen der Hydrologie und Hydrogeologie 38 Wahl des Wiederkehrsintervalls des Bemessungsniederschlages: Bemessungswiederkehrsintervall bedeutet: projektierte Anlage ist für ein Ereignis, das statistisch gesehen 1 Mal aller T Jahre (T Wiederkehrsintervall) auftritt, bemessen (dimensioniert) ist projektierte Anlage ist folglich nicht für Ereignisse > T bemessen (Restrisiko, sog. hydrologische Sicherheit) Wiederkehrsintervall und damit Restrisiko richten sich nach: der Bedeutung der Anlage der Gefahr, die von der zu projektierenden Anlage ausgeht der Funktionsdauer der Anlage häufig angesetzte Wiederkehrsintervalle s. Tabelle 3.7 Tabelle 3.7: Häufig angesetzte Wiederkehrsintervalle für Bemessungsregen und Bemessungshochwasserwellen (für Deutschland) Hydrologische Bemessungsaufgabe Straßenentwässerung außerhalb von Ortslagen Straßenentwässerung/Kanalisation in Ortslagen Straßenentwässerung im Bereich von Unterführungen Gewässerausbau außerhalb von Ortslagen, kleine Durchlässe Gewässerausbau in Ortslagen kleine Deiche oder Regen bzw. Hochwasserrückhaltebecken hohe Deiche, große Rückhaltebecken oder Talsperren (große Sachschäden möglich) hohe Deiche oder Talsperren (Menschenleben gefährdet) Wiederkehrsintervall T [a] örtliche und zeitliche Verteilung des Bemessungsniederschlages: zeitliche Niederschlagsverteilung: meist als konstant während der Regendauer angenommen örtliche Niederschlagsverteilung: meist als konstant über das Gesamtgebiet angenommen Abminderung punktförmig gemessener Niederschläge (z.b. mittels HELLMANNRegenmesser) bei Übertragung auf große Einzugsgebiete vor allem bei kurzen Niederschlagsereignissen (Schauern, Gewittern) notwendig (s. Bild 3.15), Gebiet wird nicht gleichmäßig überregnet Bild 3.15: Abnahme des Gebietsniederschlages für verschiedene Regendauern und Gebietsgrößen (in % des Punktniederschlags)

40 Vorlesungsskript zur Lehrveranstaltung Grundlagen der Hydrologie und Hydrogeologie 39 * maximal möglicher Niederschlag: maximal möglicher Niederschlag mmp abhängig vom Klimagebiet Kenntnis des maximal möglichen Niederschlages ist von Interesse für: die Berechnung maximal möglicher Hochwässer eine Schadensabschätzung, hervorgerufen durch maximal mögliche Hochwässer die Bemessung großer Talsperren Abschätzung des mmp durch die Auswertung bisher weltweit beobachteter maximaler Niederschlagsmengen in Abhängigkeit von der Niederschlagsdauer möglich (s. Bild 3.16) weitere Hilfen bei der Abschätzung: numerische Simulation extremer Atmosphärenzustände Maximierungsverfahren (Maximierung von Feuchte und Wind unter Zugrundelegung der bisher beobachteten maximalen Niederschlagsmenge für ein Klimagebiet) statistische Verfahren (Extremwertverteilungsfunktionen mit oberem Grenzwert) Bild 3.16: Weltweit gemessene maximale Niederschlagsmengen (aus DYCK, PESCHKE, 1995) Ableitung der Gleichung 3.10 aus der Geraden in Bild 3.16 für globale Betrachtung des maximal möglichen Niederschlages mmp ohne Berücksichtigung der Klimazonen: mmp = 425 * P D 0,475 (3.10) mit mmp maximal möglicher Niederschlag [mm] P D Niederschlagsdauer [min] für Ostdeutschland gilt in etwa (vgl. auch Bild 3.16): mmp = 55 * P D 0,22 (3.11) (alle Größen s. Gleichung 3.10)

41 Vorlesungsskript zur Lehrveranstaltung Grundlagen der Hydrologie und Hydrogeologie Globale und saisonale Niederschlagsverteilung * globale Niederschlagsverteilung: abhängig vom Klimagebiet globale Verteilung der mittleren jährlichen Niederschlagssumme s. Bild 3.17 Maxima in den Tropen und gemäßigten Breiten, Minima in den Subtropen und Polargebieten Bild 3.17: Globale Niederschlagsverteilung (nach MEINARDUS, 1930) * saisonale Niederschlagsverteilung: saisonale Niederschlagsverteilung der gemäßigten Breiten s. Bild 3.18 Bild 3.18: Saisonale Niederschlagsverteilung der gemäßigten Breiten (nach HEYER, 1975) saisonale Niederschlagsverteilung in Deutschland: Niederschlagsmengen gekennzeichnet durch winterliches Minimum und sommerliches Maximum (vgl. auch Bild 3.18) Niederschlagshäufigkeiten dagegen: winterliches Maximum und sommerliches Minimum saisonale Niederschlagsverteilung u.a.: von Interesse für: Versorgungssicherheit mit Wasser, u.a. Trinkwasser Beregnungssteuerung in der Landwirtschaft Nutzung von Regenwasser vgl. Übung 5: Dimensionierung RegenwasserSammelanlage monatliche und jährliche Niederschlagswerte für ausgewählte deutsche, europäische und außereuropäische Stationen s. Tabelle 3.8

42 Vorlesungsskript zur Lehrveranstaltung Grundlagen der Hydrologie und Hydrogeologie 41 Tabelle 3.8: Niederschlagswerte P [mm] (unkorrigiert) für ausgewählte deutsche, europäische und außereuropäische Stationen

43 Vorlesungsskript zur Lehrveranstaltung Grundlagen der Hydrologie und Hydrogeologie Anthropogene Niederschlagsbeeinflussung * unbeabsichtigte Beeinflussungen: globale Klima (und damit u.a. Niederschlagsbeeinflussung) als Folge des Treibhauseffektes regionale Beeinflussung (insbesondere Stadtklima): Niederschlagsverkleinerung um ca % innerhalb der Stadt Niederschlagserhöhung auf der Leeseite der Stadt um ca % ( s. auch Bild 3.19) Folgen der regionalen Beeinflussung: Wärmeinseleffekt (Erhöhung der Konvektion über der Stadt infolge Temperaturerhöhung über der Stadt verstärkte Wolken und Niederschlagsbildung besonders im Sommer) Rauhigkeitseffekt (Abbremsung der Luftströmung und Erhöhung der Turbulenzen infolge Bebauung längeres Verweilen der zyklonalen Niederschläge) Aerosoleffekt (wesentliche Erhöhung des Aerosolgehaltes über der Stadt Begünstigung der Wolkenbildung und verstärkung Bild 3.19: Beeinflussung des Stadtklimas (aus BAUMGARTNER, LIEBSCHER, 1990) * beabsichtigte Beeinflussungen: Ziele der beabsichtigten Beeinflussung: Nebelbeseitigung Regenvermehrung Hagelabwehr Wirbelsturmbeeinflussung Methodik, Ergebnisse: Nebelbeseitigung: örtlich (z.b. auf Flughäfen längs der Start und Landebahnen) durch Temperaturerhöhung (Infrarotlampen) in bescheidenem Umfang möglich Regenvermehrung: durch Impfung der Wolken mit Silberjodid (AgJ) bzw. Trockeneis (Kohlensäureschnee) Beeinflussung von Tröpfchengröße und Temperaturverteilung innerhalb der Wolken, angewendet vor allem kleinregional in semiariden Gebieten (Erfolgschancen: 50 %)

44 Vorlesungsskript zur Lehrveranstaltung Grundlagen der Hydrologie und Hydrogeologie 43 Hagelabwehr: durch gezieltes Beschießen ("Böllerschießen") von Gewitterwolken mit AgJ Kristallen Entstehung vieler kleiner Eiskörner statt weniger großer Hagelkörner (Erfolgschancen: bei frühzeitiger Gefahrenerkennung (Wolkenradar) und Eingreifen: > 50 %) Wirbelsturmbeeinflussung: AgJWolkenimpfung, Reduzierung der Verdunstung aus dem Meer durch Aufbringen eines dünnen, biologisch abbaubaren Ölfilms (Erfolgschancen: bisher 0 %) 3.8. Schnee * hydrologische Bedeutung: Beeinflussung des Wasserhaushaltes durch vorübergehende Wasserspeicherung in der Schneedecke und zeitverzögerte Wasserabgabe aus der Schneedecke ( s. Bild 3.20) Bedeutung für Wasserhaushaltsuntersuchungen und Hochwasservorhersage Bild 3.20: Abhängigkeit des jährlichen mittleren maximalen Wasservorrates der Schneedecke SS max, der Schneehöhe und der Schneedichte von der Geländehöhe für das Erzgebirge (aus GOLF, 1981) hydrologisch interessant: Wasservorrat (Äquivalentwassergehalt) der Schneedecke, nur indirekt Schneehöhen oder Art des Schnees (Pulverschnee, nasser Schnee) Schnelligkeit der Wasserabgabe aus der Schneedecke (Schneeschmelzmengen)

45 Vorlesungsskript zur Lehrveranstaltung Grundlagen der Hydrologie und Hydrogeologie 44 * Abhängigkeit der Wasserspeichereigenschaften des Schnees: vom Wärmeaustausch an der Schneeoberfläche (Strahlung, Konvektion, Kondensation) von der Verdichtung infolge Eigengewichts vom Einsickern von Schmelzwasser u./o. Regen in die Schneedecke * Äquivalentwassergehalt der Schneedecke: Äquivalentwassergehalt der Schneedecke = gespeicherter Wasservorrat entscheidende Größe in Bezug auf die Abschätzung der potentiellen Hochwassergefährdung (konkrete Hochwassergefährdung kann kleiner der potentiellen Gefährdung sein abhängig von der Geschwindigkeit der Schneeschmelze) Äquivalentwassergehalt messbar durch Ausstechen des Schnees (200 cm 2 ), Aufschmelzen und Auslitern Äquivalentwassergehalt berechenbar aus Schneehöhe und Schneedichte: WS Ä = 0,01 * ρ S * h S (3.12) mit WS Ä Äquivalentwassergehalt der Schneedecke [mm] ρ S Dichte des Schnees [kg/m 3 ] h S Schneehöhe [cm] Problem: Dichte des Schnees von vielen Faktoren abhängig Hauptfaktoren: Zerbrechen im Wind ( vgl. auch Tabelle 3.9) Diffusion von Wasserdampf (von wärmeren zu kälteren Schneeschichten) Verdichtung infolge Eigengewicht Einsickern von Schmelzwasser Wiedergefrieren von Schmelzwasser höhere Dichte von Altschnee im Vergleich zu Neuschnee (Anhaltswerte s. Tabelle 3.9) beachte Schwankungsbreite Ermittlung des Äquivalentwassergehaltes der Schneedecke auf der Grundlage von Schneehöhenmessungen und Dichteabschätzungen liefert lediglich grobe Anhaltswerte Dilemma: viele Schneehöhenmessungen (dichtes Messnetz), aber wenige Äquivalentwassergehaltsmessungen (Ausstechmethode) Tabelle 3.9: Anhaltswerte für Schneedichten Schneebedingungen Dichte der Schneedecke [kg/m 3 ] Windstille schwacher Wind mäßiger Wind starker Wind lockerer Neuschnee (Pulverschnee) nasser Neuschnee sich setzender Pulverschnee alter Pulverschnee Firnschnee

46 Vorlesungsskript zur Lehrveranstaltung Grundlagen der Hydrologie und Hydrogeologie 45 * Wasserabgabe aus der Schneedecke infolge Schneeschmelze: Übersicht über mögliche Methoden zur Erfassung der Schneeschmelze s. Tabelle 3.10 Tabelle 3.10: Erfassung der Schneeschmelze Methodenübersicht Wärmehaushaltsmethoden Gekoppelte Wärme/Wasserhaushaltsmethoden Empirische Formeln Ausgangspunkt (einfach): Zusammenhang zwischen Wärme und Wasserhaushalt der Schneedecke: Zur Bildung von 1 mm Schmelzwasser wird eine Energie von 330 kj/m 2 benötigt. Umsetzung (kompliziert): Wirken einer Vielzahl von Einflussfaktoren auf den Wärmehaushalt: Temperatur der Luft und des Bodens Strahlungsangebot Luftfeuchtigkeit Windverhältnisse Wärmezufuhr durch flüssigen Niederschlag Erfassung einer Vielzahl von Messgrößen: Temperaturprofile oberhalb der Schneedecke, in der Schneedecke und im Boden Feuchtigkeitsprofile oberhalb der Schneedecke Windprofile oberhalb der Schneedecke Modellierung sehr aufwendig und sehr genau Methoden wenig praktikabel Ausgangspunkt: Vereinfachte Wärmehaushaltsverfahren Umsetzung: i.d.r. einfache empirische Formeln mit wenigen Parametern: Lufttemperatur Luftfeuchtigkeit Strahlung Windstärke Beispiel: Tagesgradverfahren: Temperatur T Tagesgradfaktor k (bewuchsabhängig) geeignet für solche Klimate, in denen die Schneeschmelze vorrangig durch Advektion bedingt ist (z.b. Mitteleuropa) Berechnungsgleichung Tagesgradverfahren: S = k * D (3.13) mit S Wasserabgabe aus der Schneedecke eines Schneeschmelztages [mm] D Tagesmitteltemperatur über der Schmelztemperatur T SCHMELZ (meist T SCHMELZ = 0 C) k Tagesgradfaktor (1,5 k 6 mm/tagesgrad) k = f (Standortfaktoren, Schneeschmelzverlauf) Abhängigkeiten der Tagesgradfaktors k von der Vegetation und vom Schneeschmelzverlauf s. Bild 3.21 Erklärung der Abhängigkeit des Tagesgradfaktors: Tagesgradfaktor zu Beginn der Schneeschmelze relativ klein, weil: die Schneedecke erst auf 0 C erwärmt werden muss am Anfang nur in den wärmsten Teilen des Gesamtgebietes der Schnee schmilzt zu Beginn der Schneeschmelze das Strahlungsabsorptionsvermögen der Schneedecke kleiner ist als im weiteren Verlauf der Schneeschmelze (Schnee noch weiß) die Retention (Speicherung von Schmelzmengen innerhalb der Schneedecke) zunächst die Wasserabgabe aus der Schneedecke verzögert

47 Vorlesungsskript zur Lehrveranstaltung Grundlagen der Hydrologie und Hydrogeologie 46 höchste Werte der Wasserabgabe bei etwa in der Mitte der Schneeschmelze ( % des ursprünglichen Gesamtwasservorrates zu Beginn der Schneeschmelze): Freilandflächen: hohe Tagesgradfaktoren (5... (9) mm/tagesgrad) Laubwaldflächen: k ca. 2/3 der Freilandflächen (mittlerer Wind und Strahlungsschutz) Nadelwaldflächen: k ca. 1/3 der Freilandflächen (hoher Wind und Strahlungsschutz) Tagesgradfaktor am Ende der Schneeschmelze wiederum klein, weil: ein Teil des Gebietes bereits schneefrei ist Bild 3.21: Abhängigkeit des Tagesgradfaktors k von Standortfaktoren und Schneeschmelzverlauf (aus DUNGER, 2006) 4. Die Verdunstung 4.1. Arten und Bedeutung der Verdunstung Verdunstung = Maßeinheit: * Verdunstungsarten: physikalischer Vorgang, bei dem Wassermoleküle vom flüssigen oder festen Zustand in den gasförmigen Aggregatzustand bei Temperaturen unterhalb der Siedetemperatur übergehen, wobei zur Verdunstung von 1 mm Wasser (= 1 l/m 2 ) eine Energie von 0,25 kws/cm 2 benötigt wird mm/zeiteinheit Evaporation E: Verdunstung basiert ausschließlich auf der Wirkung physikalischer Gesetze Evaporationsarten: E0 Verdunstung freier Wasserflächen EB Verdunstung von Boden ohne Vegetationsdecke ES Verdunstung von schnee oder eisbedeckten Flächen EI Interzeptionsverdunstung (von der Pflanzenoberfläche) Transpiration T: "aktive" Verdunstung durch physiologisch regulierte Abgabe von Wasserdampf durch die oberirdischen Organe der Pflanzen an die Atmosphäre (aktive Regulation durch Spaltöffnungen) Evapotranspiration: Summe aus Evaporation und Transpiration

48 Vorlesungsskript zur Lehrveranstaltung Grundlagen der Hydrologie und Hydrogeologie 47 * potenzielle und reale Verdunstung: potenzielle Verdunstung ETP: maximal mögliche Verdunstung eines Standortes unter gegebenen meteorologischen Bedingungen bei optimalem Wasserangebot Umsetzung des gesamten Energieangebots ETP ausschließlich von meteorologischen (atmosphärischen) Größen abhängig (Temperatur, Luftfeuchte, Wind, Strahlung) Beispiele für potenziell verdunstende Flächen: Verdunstung von freien Wasserflächen (Seen, Flüsse...) Verdunstung von feuchtem Boden (nach Regenereignissen bzw. bei Beregnung) Verdunstung aus der Schneedecke reale (tatsächliche, aktuelle) Verdunstung ETR: an einem Standort tatsächlich auftretender Wert der Verdunstung ETR abhängig von den atmosphärischen und Boden und Bewuchsbedingungen für ETR gilt folglich: ETR ETP Maximalwert der ETR: ETR = ETP (bei optimalem Wasserdargebot) Minimalwert der ETR: ETR = 0 (bei fehlendem Wasser, z.b. nach langer Trockenperiode) Beispiele für den Zusammenhang zwischen ETP und ETR: generelle Abhängigkeiten (global) s. Tabelle 4.1 Tabelle 4.1: Monatliche und jährliche Niederschlagsmengen P, potenzielle Verdunstungsmengen (hier mit E p bezeichnet) und reale Verdunstungsmengen (hier mit E a bezeichnet) für ausgewählte Orte der Erde (alle Werte in mm/δt)

49 Vorlesungsskript zur Lehrveranstaltung Grundlagen der Hydrologie und Hydrogeologie 48 polare und subpolare Regionen: im Jahresmittel gilt: ETR ETP im Winter (Polarregion: > 6 Monate, subpolare Region: < 6 Monate): ETR = ETP = 0 mm gemäßigte Breiten: im Jahresmittel gilt: ETR < ETP im Sommerhalbjahr: ETR << ETP (zumindest in trockenen Sommern) im Winterhalbjahr: ETR = ETP > 0 semiaride und aride Regionen: das ganze Jahr hindurch gilt: ETR << ETP nur während kurzzeitiger Regenereignisse: ETR ETP ETPMaximalwerte (Jahressumme der ETP): ChadSee: ETP 2200 mm/a (semiarid: P mm/a) NajranGebiet (Saudi Arabien): ETP 2700 mm/a (arid: P < 250 mm/a) Sahara: ETP > 3500 (> 4000) mm/a (hyperarid: P 0 mm/a) Tropen: im Jahresmittel gilt: ETR ETP >> 0 (wegen der hohen Niederschläge, vgl. Tabelle 4.1) * Einflussfaktoren auf die Verdunstung: Atmosphäre (Energie und Wasserdargebot) Vegetationsdecke (Energieumwandlung, Wassertransport und speicherung) Boden (Energieumwandlung und speicherung, Wassertransport und speicherung) Abhängigkeit der Verdunstungshöhe vom Energie und Wasserangebot sowie von Boden und Vegetationsbedingungen (Standortfaktoren) s. Bild 4.1 Bild 4.1: Die reale Verdunstung im System Boden PflanzeAtmosphäre (nach DYCK, PESCHKE, 1995) * Bedeutung der Verdunstung: entscheidende Wasserbilanzgröße (ca. 64 % des Niederschlages der Erde verdunsten (Ostdeutschland: ca. 76 % im langjährigen Mittel, Westdeutschland ca. 63 %) Beeinflussung der Verdunstungsmengen durch globale Klimaveränderungen Veränderung der Verdunstung durch anthropogene Eingriffe (vgl. auch Abschnitt 2.3): Abholzen der Wälder, Waldsterben Flussausbau, Wasserentnahmen, einleitungen, überleitungen, Bau von Stauanlagen

50 Vorlesungsskript zur Lehrveranstaltung Grundlagen der Hydrologie und Hydrogeologie 49 Landwirtschaft (Bodenbearbeitung, Zwischenfruchtanbau, Be und Entwässerung) Bergbau: Grundwasserabsenkungen, Restlochseen Bebauung (Versiegelung) von großen Flächen für Mitteleuropa gilt: Verdunstungserhöhung um 10 % Abflussrückgang um ca. 30 % große Bedeutung einer Quantifizierung (Messung, Berechnung) der Verdunstung 4.2. Überblick über Methoden zur Messung der Verdunstung * Methodenüberblick: Bild 4.2 Bild 4.2: Überblick über Methoden zur Bestimmung der Verdunstung * Kurzcharakteristik von Wasser und Energiebilanzmethoden: Wasserbilanzmethode: Anwendung der Wasserhaushaltsgleichung (vgl. auch Gleichungen 2.1 und 2.2): ET = P R ΔS (4.1) mit ET Evapotranspiration [mm/δt] P Niederschlag [mm/δt] R Abfluss [mm/δt] ΔS Speicheränderung [mm/δt] Messung von P, R und ΔS Berechnung von ET mittels Wasserhaushaltsgleichung Energiebilanzmethode (Wärmehaushaltsmethode): Anwendung der Energiebilanzgleichung: ET' = RN B H (4.2) mit ET' Verdunstungswärme [kj / (m 2 * Δt)] RN Gesamtstrahlung (Summe aus kurz und langwelliger Strahlung) [kj / (m 2 * Δt)] B turbulenter Wärmestrom von der Bodenoberfläche zur Atmosphäre [kj / (m 2 * Δt)] H Bodenwärmestrom [kj / (m 2 * Δt)]

51 Vorlesungsskript zur Lehrveranstaltung Grundlagen der Hydrologie und Hydrogeologie 50 Messung von RN, B und H Messung vieler, z.t. komplizierter Größen notwendig ( Energiebilanzmethode selten angewendet) Berechnung der ET über den Zusammenhang zwischen Energie und Wasserhaushalt: ET = 100 ET'/ (ρ * r) (4.3) mit ET reale Verdunstung [mm/δt] ET' Verdunstungswärme [kj / (m 2 * Δt)] ρ Dichte des Wassers [kg/m 3 ] r spezifische Verdampfungswärme des Wassers [kj/kg] 4.3. Wasserhaushaltsmethode * Atmometer: sehr einfache Form der Verdunstungsmessung durch immer feuchte Keramik oder Papierscheiben keine hohe Genauigkeit infolge Oaseneffekt * Messung der potenziellen Verdunstung mittels Verdunstungskessel: am häufigsten verwendetes Gerät zur Messung der ETP (> 50 Typen/Größen weltweit) einfacher Messaufbau Beispiele für Verdunstungskessel s. Bild 4.3 Aufbau auf bewachsenem oder unbewachsenem Boden mit ca. 15 cm Bodenabstand fast vollständig mit Wasser gefüllt (5 7,5 cm unterhalb der oberen Ringkante) in ariden und semiariden Gebieten: Abdeckung mittels Netz (Stop Wasser trinkende Tiere) Bild 4.3: Verdunstungskessel des U.S. Weather Bureau (Class A Evaporation Pan), Foto: Wikipedia Kesselverdunstungswerte generell höher im Vergleich zu anderen Methoden Ursache: vergleichsweise kleine Kesseloberfläche Fehler Fehlerkompensation notwendig (mittels empirischen Kesselkoeffizienten): ETP = k Kessel * EP Kessel (4.4) mit ETP korrigierte potenzielle Verdunstung [mm/δt] k Kessel empirischer Kesselkoeffizient (s. beispielhaft Tabelle 4.2) EP Kessel Wert der (potenziellen) Kesselverdunstung

52 Vorlesungsskript zur Lehrveranstaltung Grundlagen der Hydrologie und Hydrogeologie 51 Tabelle 4.2: Empfohlene Kesselkoeffizienten k Kessel für den U.S. Weather Bureau Class A Kessel für verschiedene Bewuchs und meteorologische Bedingungen Windgeschwindigkeit [m/s] Größe der umgebenden Fläche (gegen Wind) [m] Relative Luftfeuchte: < 40 % Relative Luftfeuchte: % Relative Luftfeuchte: > 70 % < 2 (gering) ,55 (0,70) 0,65 (0,60) 0,70 (0,55) 0,75 (0,50) 0,65 (0,80) 0,75 (0,70) 0,80 (0,65) 0,85 (0,60) 0,75 (0,85) 0,85 (0,80) 0,85 (0,75) 0,85 (0,70) 2 5 (mäßig) ,50 (0,65) 0,60 (0,55) 0,65 (0,50) 0,70 (0,45) 0,60 (0,75) 0,70 (0,65) 0,75 (0,60) 0,80 (0,55) 0,65 (0,80) 0,75 (0,70) 0,80 (0,65) 0,80 (0,60) 5 8 (stark) ,45 (0,60) 0,55 (0,50) 0,60 (0,45) 0,65 (0,40) 0,50 (0,65) 0,60 (0,55) 0,65 (0,50) 0,70 (0,45) 0,60 (0,70) 0,65 (0,65) 0,70 (0,60) 0,75 (0,55) > 8 (sehr stark) ,40 (0,50) 0,45 (0,45) 0,50 (0,40) 0,55 (0,35) 0,45 (0,60) 0,55 (0,50) 0,60 (0,45) 0,60 (0,40) 0,50 (0,65) 0,60 (0,55) 0,65 (0,50) 0,65 (0,45) nicht in Klammern: in Klammern: Werte für Kessel, umgeben mit kurzem Grasbewuchs Werte für Kessel, umgeben von unbewachsener Fläche häufig genutzte Verdunstungskessel sowie Unterschiede in den Messwerten s. Tabellen 4.3 und 4.4 häufiger Anwendungsfall von Verdunstungskesseln: für die Beregnungsüberwachung Auswertung von Kesselverdunstungsmessungen s. Übung 7 (Teilaufgabe a) Tabelle 4.3: Weltweit häufig genutzte Verdunstungskessel Kesseltyp Land Kesselinstallation Kesseltiefe [m] Fläche [m 2 ] Class A Pan USA über der Bodenoberfläche auf einem Holzrahmen m 2 Kessel BRD Ungarn Kessel im Erdboden Kesseloberkante in Erdbodenhöhe m 2 Kessel Russland Kessel im Erdboden Kesseloberkante in Erdbodenhöhe GGJ 3000 Russland Kessel im Erdboden Kesseloberkante in Erdbodenhöhe Bemerkung: Russischer 20m 2 Kessel ist von der World Meteorological Oraganization WMO als Eichgerät empfohlen Tabelle 4.4: Vergleich gemessener Kesselverdunstungswerte (russischer 20m 2 Kessel = 100 %) Kesseltyp gemessene Verdunstungsunterschiede [%] 20m 2 Kessel (Russland) (100.0) Class A Pan (USA) 3m 2 Kessel (BRD, Ungarn) GGJ 3000 (Russland)

53 Vorlesungsskript zur Lehrveranstaltung Grundlagen der Hydrologie und Hydrogeologie 52 * Messung der Verdunstung freier Wasserflächen mittels Floßverdunstungskessel: analog Evaporimeter für die Messung der Seeverdunstung Montage auf Flöße (Prinzip s. Bild 4.4) ermittelte Verdunstungswerte sind meist zu hoch (Flöße und Kessel erwärmen sich stärker als die Seeoberfläche) Bild 4.4: Messprinzip beim Floßverdunstungskessel (aus SCHRÖDER U.A., 1994) * Messung der realen Verdunstung mittels Lysimeter: Lysimeter = Gerät zur Messung der realen (selten der potenziellen) Verdunstung Auffangen des Sickerwassers an der Basis des Lysimeters Messung der Sickerwassermengen (ggf. der Oberflächenabflussmengen) Bestimmung der Verdunstung mittels Wasserhaushaltsgleichung Ziel von Lysimteruntersuchungen: Ermittlung der realen Verdunstung für Landflächen (vereinzelt auch der potenziellen Verdunstung) Ermittlung von Sickerwasser und Grundwasserneubildungsraten Untersuchungen zum Bodenwasserhaushalt Erfassung der physikalischen Zusammenhänge zwischen Verdunstung und bodenkundlichen, vegetationsspezifischen und meteorologischen Kenngrößen Untersuchungen zum Kapillaraufstieg Untersuchungen zur Abflussbildung Lysimeterarten: wägbare Lysimeter nicht wägbare Lysimeter natürliche Lysimeter (Großlysimeter) wägbare Lysimeter (wägbare Kleinlysimeter): meistgenutztes Gerät zur Messung der realen Verdunstung für landwirtschaftliche Kulturen Bodenmonolith, mit gleichen Bedingungen wie in der Umgebung (Boden, Vegetation), von der Umgebung isoliert gemessene Verdunstungswerte sind nur für die unmittelbare Umgebung des Lysimeters repräsentativ konstruktive Gestaltung ( vgl. Bild 4.5): verschiedene Lysimeterdurchmesser, meist zwischen 0.5 m und 2.0 m Lysimeter sollte einen im Vergleich zur Umgebung wenig gestörten Bodenaufbau enthalten ähnliche thermische, wasserhaushaltliche und Bodeneigenschaften wie Umgebung Vegetation sollte der der Umgebung entsprechen (Höhe, Dichte, Aussehen)

54 Vorlesungsskript zur Lehrveranstaltung Grundlagen der Hydrologie und Hydrogeologie 53 Messung der Sickerwassermengen und der Masseänderungen des Lysimeters (als Maß für die Bodenspeicheränderung) häufige Konstellation: Lysimeterfelder mit 2 oder mehr Lysimetern (statistische Sicherheit) bei Lysimetereinsatz zur ETPBestimmung: ständiges Feuchthalten des Lysimeters Problem in der Vergangenheit: Messung von Masseänderungen im Grammbereich bei Gesamtmassen der Lysimeter von einigen Tonnen Problem gelöst durch den Einsatz von pneumatischen und elektronischen Spezialgeräten (Genauigkeit: 0,05 mm) größte Anlagen: Oberflächen bis zu 8 m 2 und 100 t Gesamtmasse Anwendungsbereich wägbarer Lysimeter begrenzt auf Vegetation, die mittels Bodenmonolith erfassbar ist: z.b. geeignet für landwirtschaftliche Kulturen nicht geeignet für Waldstandorte Großlysimeter (s.u.), Energiebilanzmethode Bild 4.5: Prinzip des wägbaren Lysimeters (Vertikalschnitt), aus SCHRÖDER U.A, (1994) Anwendung der Wasserhaushaltsgleichung zur Bestimmung der Verdunstung: a) reale Verdunstung: ETR = P RO RU ΔS (4.5) b) potenzielle Verdunstung: ETP = P + P Z RO RU ΔS (4.6) mit ETR reale (aktuelle) Evapotranspiration [mm/δt] ETP potenzielle (maximal mögliche) Evapotranspiration [mm/δt] P Niederschlag [mm/δt] P Z zusätzliche Beregnungsmenge zum Feuchthalten des Lysimeters [mm/δt) RO Oberflächenabfluss [mm/δt], meist RO = 0 (wegen der horizontalen Oberfläche) RU Sickerwassermenge (Versickerung) [mm/δt], gemessen an der Lysimeterbasis ΔS Bodenspeicheränderung (Massedifferenz, gemessen mittels Spezialwaagen) Fehlerquellen bei Lysimetermessungen: Störung des natürlichen Bodenfeuchteverlaufes durch Kapillarkräfte an der Lysimeterbasis (Staunässe) Verdunstungserhöhung (Abhilfe durch Einbau einer Kiesschicht an der Lysimetersohle bzw. durch Absaugen des Kapillarwassers) Randeffekte (bevorzugte Sickerwege an der Lysimeterwandung) Lysimeterverdunstung = Punktwert Fehler bei der Übertragung auf ein Gebiet Auswertung von Lysimeterbeobachtungen: s. Übung 7 (Teilaufgabe b)

55 Vorlesungsskript zur Lehrveranstaltung Grundlagen der Hydrologie und Hydrogeologie 54 nicht wägbare Lysimeter (nicht wägbare Kleinlysimeter): konstruktive Gestaltung analog wägbaren Lysimetern, jedoch keine Wägung möglich Messung von P, RO und RU analog wägbarer Lysimeter Messung der Bodenspeicheränderung mittels Bodenfeuchtemessgeräten Anwendung der Wasserhaushaltsgleichung (2.1) zur Verdunstungsberechnung natürliche Lysimeter (Großlysimeter): Kleinlysimeter versagen bei Wald Nutzung von größeren Gebieten als Lysimeter Voraussetzungen: horizontal und vertikal abgeschlossenes Gebiet (z.b. wasserundurchlässige Abgrenzung nach unten durch entsprechende geologische Schichten im Untergrund) Messmethode analog nichtwägbaren Kleinlysimetern (s.o.) * weitere Methoden zur Messung der realen Verdunstung: Bodenfeuchtemessungen Bodenfeuchteabnahme in niederschlagsfreier Zeit = Maß für die reale Verdunstung 1 Vol.% Bodenfeuchteabnahme je dm Bodenschicht = 1 mm Verdunstungshöhe Anwendungsbeispiel s. Übung 8 Messungen des Saftflusses von Pflanzen Maß für die reale Transpiration Prinzip: Beheizung zweier im Abstand von cm an der Stammnordseite eingebauter Nadeln mit Kupfer KonstantanThermoelemeneten Temperaturdifferenz = Maß für die reale Transpiration Jahresringbreite von Bäumen Maß für jährliche Transpirationsmengen 4.4. Berechnung der potenziellen Verdunstung mittels empirischer Formeln * Grundanliegen: Lysimeteruntersuchungen nicht flächendeckend durchführbar (Kosten) Entwicklung von empirischen Formeln auf der Grundlage vergleichender (Lysimeter)Untersuchungen Korrelation von Verdunstungsmessungen mit meteorologischen Messgrößen, meist Temperatur, Strahlung (Globalstrahlung, Sonnenscheindauer), Luftfeuchtigkeit, Windgeschwindigkeit * in Deutschland am häufigsten angewendete Formeln: PENMANFormel TURCFormel in Kombination mit der IVANOVFormel HAUDEFormel * PENMANFormel: Einflussgrößen: Temperatur, Globalstrahlung, Sonnenscheindauer, Feuchte, Windgeschwindigkeit PENMANFormel (für tägliche Werte der potenziellen Verdunstung): T * R G U ETP PENMAN = 2.3 * * [ + 0,66 * (1 + 1,08 * v 2 ) * (1 ) * S R ] (4.7) T L 100 mit ETP PENMAN Tageswert der potenziellen Verdunstung nach PENMAN [mm/d] T Tagesmittel der Lufttemperatur in 2 m Höhe [ o C] R G Tagessumme der Globalstrahlung [J/cm 2 ] L Verdunstungsenthalpie (Verdunstungswärme) [J/cm 2 ], Werte s. Tabelle 4.5 v 2 Tagesmittel der Windgeschwindigkeit in 2 m Höhe [m/s] U Tagesmittel der relativen Luftfeuchte in 2 m Höhe [%] S R Verhältnis der astronomisch möglichen Sonnenscheindauer S O (s. z.b. Tabelle 4.6) zu der bei Tag und Nachtgleiche (S O / 12 h), S O [h]

56 Vorlesungsskript zur Lehrveranstaltung Grundlagen der Hydrologie und Hydrogeologie 55 Tabelle 4.5: Zusammenhang von Temperatur und Verdunstungsenthalpie Temperatur T [ C] Enthalpie L [J/cm 2 ] Temperatur T [ C] Enthalpie L [J/cm 2 ] Temperatur T [ C] Enthalpie L [J/cm 2 ] Temperatur T [ C] Enthalpie L [J/cm 2 ] Tabelle 4.6: Maximal mögliche tägliche Sonnenscheindauer [h/d] in Abhängigkeit von der geographischen Breite (Nordhalbkugel), bezogen auf die Monatsmitte Geogr. Breite Jan Feb Mrz Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez 46 n. Br. 9,2 10,3 11,9 13,5 1 15,7 15,3 14,1 12,6 10,9 9,6 8,6 47 n. Br. 9,0 10,3 11,9 13,6 15,1 15,8 15,5 14,2 12,6 10,9 9,4 8,5 48 n. Br. 8,8 10,2 11,9 13,6 15,2 16,0 15,6 14,3 12,6 10,9 9,3 8,3 49 n. Br. 8,7 10,2 11,9 13,7 15,3 16,2 15,8 14,4 12,7 10,8 9,2 8,2 50 n. Br. 8,6 10,2 11,9 13,8 15,4 16,4 15,9 14,5 12,7 10,8 9,1 8,1 51 n. Br. 8,5 10,1 11,9 13,9 15,5 16,5 16,1 14,6 12,7 10,8 9,0 8,0 52 n. Br. 8,3 10,0 11,9 13,9 15,7 16,7 16,3 14,6 12,7 10,7 8,9 7,8 53 n. Br. 8,2 9,9 11,9 14,0 15,9 16,9 16,4 14,8 12,7 10,6 8,7 7,6 54 n. Br. 8,0 9,9 11,9 14,1 16,1 17,1 16,6 14,9 12,7 10,6 8,6 7,4 55 n. Br. 7,9 9,8 11,9 14,2 16,2 17,3 16,7 1 12,7 10,6 8,5 7,3 astronomisch mögliche (maximale) Sonnenscheindauer auch berechenbar für Deutschland gilt näherungsweise: S o = 12,3 + sin ζ [4,3 + (ζ 51) / 6] (4.8) mit: ζ = 0,0172 * TG 1,39 (4.9) mit S o astronomisch mögliche Sonnenscheindauer [h/d] TG fortlaufender Tag des Jahres (1. Jan. = 1, 31. Dez. = 365) ζ geographische Breite [ n. Br.] Verdunstungsenthalpie L ebenfalls berechenbar (für T < 0 C: L = 283 J/cm 2 ): L = 249,8 0,242 T (für T 0 C) (4.10) mit L Verdunstungsenthalpie [J/cm 2 ] T durchschnittliche Tagesmitteltemperatur [ C]

57 Vorlesungsskript zur Lehrveranstaltung Grundlagen der Hydrologie und Hydrogeologie 56 Vorteile der PENMANFormel: genaueste empirische Formel Berücksichtigung der wesentlichen die Verdunstung beeinflussenden Parameter Nachteile der PENMANFormel: Formel setzt Kenntnis einer Vielzahl von Parametern voraus oftmals nicht alle notwendigen Parameter vorhanden Anwendung der PENMANFormel nicht möglich Handhabung komplizierter als bei anderen Formeln * TURCFormel: Einflussgrößen: Temperatur, Luftfeuchte und Globalstrahlung TURCFormel (für tägliche Werte der potenziellen Verdunstung): ETP TURC = 0,0031 * C * T * (R G + 209) / (T + 15) (4.11) mit: C = 1 + [(50 U) / 70] für U < 50 % (4.12) C = 1 für U 50 % (4.13) mit: ETP TURC Tageswert der potenziellen Verdunstung nach TURC [mm/d] T Tagesmittel der Lufttemperatur in 2 m Höhe [ C] R G Tagessumme der Globalstrahlung [J/cm 2 ] U Tagesmittel der relativen Luftfeuchte in 2 m Höhe [%] Vorteile der TURCFormel: für die meisten Anwendungsfälle ähnlich genau wie die PENMANFormel einfach in der Handhabung (vergleichsweise wenige Parameter) Nachteile der TURCFormel: nicht alle die Verdunstung beeinflussenden Größen enthalten (z.b. Windeinfluss) nicht anwendbar für Temperaturen < 0 C, ungenau für Temperaturen < 5 C TURCFormel liefert bei Anwendung unter mitteleuropäischen Bedingungen im Jahresmittel um 10 % zu geringe Werte Empfehlung des DVWK: Erhöhung der Werte um 10 % * IVANOVFormel: Einflussgrößen: Temperatur und Luftfeuchte IVANOVFormel (für tägliche Werte der potenziellen Verdunstung): ETP IVANOV = 3,6 * 10 5 * (25 + T) 2 (100 U) (4.14) mit ETP IVANOV Tageswert der potenziellen Verdunstung nach IVANOV [mm/d] T Tagesmittel der Lufttemperatur in 2 m Höhe [ C] U Tagesmittel der relativen Luftfeuchte in 2 m Höhe [%] Vorteile der IVANOVFormel: für geringe Temperaturen (T < 5 C) recht genau (anwendbar 25 C T 5 C) ähnlich einfach in der Handhabung wie die TURCFormel Nachteile der IVANOVFormel: nicht alle die Verdunstung beeinflussenden Größen enthalten (Wind und Strahlungseinflüsse)

58 Vorlesungsskript zur Lehrveranstaltung Grundlagen der Hydrologie und Hydrogeologie 57 * HAUDEFormel: Einflussgröße: Luftfeuchte (indirekt: Temperatur) HAUDEFormel (für tägliche Werte der potenziellen Verdunstung): ETP Haude = f [e s (T) * (1 U/100)] (4.15) mit ETP Haude potenzielle Evapotranspiration nach HAUDE [mm] T Lufttemperatur zum Messzeitpunkt 14:00 Uhr MEZ [ C] U relative Luftfeuchtigkeit zum Messzeitpunkt 14:00 Uhr MEZ [%] f monatsabhängiger HAUDEFaktor [mm/(hpa * d)], (vgl. Tabelle 4.7) e s Sättigungsdampfdruck der Luft über Wasser zum Messzeitpunkt 14:00 Uhr MEZ [hpa], e s temperaturabhängig (vgl. Bild 4.6 und Gleichungen 4.16 und 4.17) Tabelle 4.7: Monatsvariable HAUDEFaktoren f [mm/(hpa * d)] Jan Feb Mrz Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez f 0,22 0,22 0,22 0,29 0,29 0,28 0,26 0,25 0,23 0,22 0,22 0,22 Bild 4.6: Temperaturabhängige Sättigungsdampfdruckkurve Berechnung der Sättigungsdampfdruckkurve: e s = 6,11 * e (17,62 T / (243,12 + T)) für T 0 C (4.16) e s = 6,11 * e (22,46 T / (272,62 + T)) für T < 0 C (4.17) mit e s Sättigungsdampfdruck der Luft über Wasser [hpa] T Lufttemperatur zum Messzeitpunkt 14:00 Uhr MEZ [ C] Vorteile der HAUDEFormel: einfache Handhabung geringe Anforderungen an Datenmaterial Nachteil der HAUDEFormel: für Tageswerte der potenziellen Verdunstung recht ungenau

59 Vorlesungsskript zur Lehrveranstaltung Grundlagen der Hydrologie und Hydrogeologie 58 * Abgleich der potenziellen Verdunstungswerte: mittels empirischer Formeln berechnete ETPWerte gelten nur für Grasvegetation und ebene Flächen für andere Vegetationsarten und für Hangflächen Abgleich notwendig Nutzungsabgleich: ETP Nutz. = k C * ETP (4.18) mit ETP Nutz. nutzungskorrigierter Wert der potenziellen Verdunstung [mm/d] ETP Wert der potenziellen Verdunstung nach empirischen Formeln [mm/d] k C Abgleichfaktor bezüglich der Nutzung des Standortes (Werte s. z.b. Tabelle 4.8) Tabelle 4.8: Monatsvariable Bestandskoeffizienten k C für verschiedene Pflanzenarten Pflanzenart Mrz Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Feb Mähweide Winterweizen Wintergerste Sommergerste Winterroggen Hafer Zuckerrüben Kartoffeln Winterraps 1,00 0,80 0,85 0,80 0,85 0,65 0,85 1,00 0,85 0,95 0,90 0,90 0,70 0,50 0,50 1,00 1,05 1,15 1,30 1,20 1,20 1,10 0,75 0,90 1,35 1,10 1,45 1,35 1,35 1,30 1,45 1,05 1,05 1,35 1,10 1,40 1,25 1,20 1,25 1,35 1,40 1,45 1,10 1,05 1,00 0,95 0,95 1,30 1,20 0,85 1,05 0,80 0,80 1,10 0,90 1,00 0,70 0,70 0,85 1,00 0,65 0,65 0,65 0,65 Expositions und Hangneigungsabgleich: ETP H = H * ETP (4.19) mit ETP H hangneigungs und expositionskorrigierter Wert der potenziellen Verdunstung [mm/d] H Hangneigungsfaktor [ ] (expositionsabhängig, vgl. Bild 4.7) Bild 4.7: Hangneigungsfaktoren für verschiedene Expositionen (nach JUNGHANS, 1969)

60 Vorlesungsskript zur Lehrveranstaltung Grundlagen der Hydrologie und Hydrogeologie 59 * Berechnung der Globalstrahlung aus Werten der Sonnenscheindauer: Messwerte der Globalstrahlung nicht immer vorhanden Berechnung von täglichen Werten der Globalstrahlung aus Werten der Sonnenscheindauer möglich: R G = R o [0,19 + 0,55 (S / S o )] (4.20) mit R G mittlere Tagessumme der Globalstrahlung [J/cm 2 ] R o extraterrestrische Strahlung [J/cm 2 ], s. Tabelle 4.9 bzw. Gleichung 4.21 S tatsächliche Sonnenscheindauer [h/d] S o astronomisch mögliche (maximal mögliche) Sonnenscheindauer [h/d], s. Tabelle 4.6 Tabelle 4.9: Extraterrestrische Strahlung [J/(cm 2 * d)] in Abhängigkeit von der geographischen Breite (Nordhalbkugel), bezogen auf die Monatsmitte Geogr. Breite Jan Feb Mrz Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez 46 n. Br n. Br n. Br n. Br n. Br n. Br n. Br n. Br n. Br n. Br Berechnung der extraterrestrischen Strahlung: R o = 245 [9,9 + 7,08 sin ζ + 0,18 (φ 51) (sin ζ 1)] (4.21) mit R o extraterrestrische Strahlung [J/cm 2 ] φ geographische Breite [ n. Br.] ζ analog Gleichung 4.9 * Beispiele für Anwendungsbereiche von empirischen Verdunstungsformeln: Berechnung der Verdunstung von Oberflächengewässern (Seen, Talsperren, Flüssen...) Berechnung der Verdunstung von Feuchtflächen (Flächen mit oberflächennahem Grundwasserspiegel) oft erster Schritt zur Berechnung der realen Verdunstung Berechnung der Verdunstung im Winterhalbjahr (Deutschland: ETR ETP) Verdunstungsberechnung beregneter Flächen Anwendungsbeispiele s. Übung 7 (Teilaufgabe c)

61 Vorlesungsskript zur Lehrveranstaltung Grundlagen der Hydrologie und Hydrogeologie Klimatische Wasserbilanz * Definition, Ziel der klimatischen Wasserbilanz: Definition: Gegenüberstellung von Niederschlag und potenzieller Verdunstung P ETP Ziel: Überblick über Überschuss und Defizitperioden * Methodik: Gegenüberstellung meist monatlicher Werte des Niederschlages und der potenziellen Verdunstung klimatische Wasserbilanzen sowohl in Form langjähriger mittlerer Monatsbilanzen als auch für konkrete Witterungsabschnitte (z.b. für ein Trockenjahr, Nassjahr, eine Trockenperiode) möglich Recherche und ggf. Aufbereitung (Korrektur) der Niederschlagswerte (DWD, eigene Messungen) Berechnung der potenziellen Verdunstung (z.b. durch die Anwendung empirischer Formeln Berechnung von P ETP Darstellung der Ergebnisse entweder in Tabellenform oder als Abbildung Beispiele für klimatische Wasserbilanzen s. Tabelle 4.10 sowie Bilder 4.8 und 4.9 Tabelle 4.10: Klimatische Wasserbilanz für den Raum Oschatz (alle Werte in mm) a) langjährige mittlere klimatische Wasserbilanz Jan Feb Mrz Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez Jahr P ETP Ü D b) klimatische Wasserbilanz für ein Trockenjahr Jan Feb Mrz Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez Jahr P ETP Ü D P Niederschlag (korrigiert) ETP potenzielle Verdunstung Ü Überschuss D Defizit Bild 4.8: Langjährige mittlere klimatische Wasserbilanz für den Raum Oschatz

62 Vorlesungsskript zur Lehrveranstaltung Grundlagen der Hydrologie und Hydrogeologie 61 Bild 4.9: Klimatische Wasserbilanz eines Trockenjahres für den Raum Oschatz Erstellen und Darstellen einer klimatischen Wasserbilanz s. Übung 7 (Teilaufgabe d) 4.6. Methoden zur Berechnung der realen Verdunstung * Ziele der Berechnung der realen Verdunstung: Berechnung der Grundwasserneubildung (Sickerwassermengen zum Grundwasser) meist langjährige Mittel der realen Verdunstung von Interesse Untersuchungen zum Bodenwasserhaushalt, zur Beregnungswürdigkeit landwirtschaftlicher Flächen, für Wachstums und Ertragsprognosen der Land und Forstwirtschaft aktuelle Werte der realen Verdunstung vgl. Bodenwasserhaushaltsmodellierung, s.u. Quantifizierung der Auswirkungen anthropogener Landnutzungsänderungen Teil numerischer Wetterprognose und Klimamodelle * TURCFormel zur Abschätzung der langjährigen mittleren realen Jahresverdunstung: Achtung!: keine sehr genaue Methode, lediglich Abschätzung ungefähre Jahreswerte keine Berücksichtigung verschiedener Bewuchs und Nutzungsarten, Bodenarten,... Basis: Datenreihen von 254 Einzugsgebieten aus allen Teilen der Welt Anwendung nicht auf Deutschland beschränkt Anwendung der TURCFormel s. Übung 9 (Teilaufgabe a) TURCFormel zur Abschätzung des langjährigen Jahreswertes der realen Verdunstung: ETR TURC = P / [0,9 + (P / I T ) 2 ] 0.5 (4.22) wobei I T = * T + 0,05 * T 3 (4.23) mit ETR TURC P T langjährig mittlerer Jahreswert der realen Verdunstung nach TURC [mm/a] langjährig mittlere Jahressumme des unkorrigierten Niederschlages [mm/a] langjähriges Jahresmittel der Lufttemperatur [ C]

63 Vorlesungsskript zur Lehrveranstaltung Grundlagen der Hydrologie und Hydrogeologie 62 * Berechnung langjähriger Mittelwerte der realen Verdunstung mittels BAGROVVerfahren: Anwendung der Wasserhaushaltsgleichung für wenig geneigtes Gelände (RO 0) Bestimmung der realen Verdunstung als Restglied der Wasserhaushaltsgleichung reale Verdunstung ETR = f Atmosphäre (Energiedargebot ETP, Feuchtedargebot P) Standortbedingungen Boden (Bodenart, Wasservorrat) Nutzung (Nutzungs und Pflanzenart) Umsetzung der allgemeinen Zusammenhänge BAGROVGleichung: d ETR ETR = 1 [ ] n (4.24) d P ETP mit ETR langjähriges Mittel der realen Jahresverdunstung [mm/a] ETP langjähriges Mittel der potenziellen Jahresverdunstung [mm/a] P langjährige korrigierte Jahresniederschlagsmenge [mm/a] n Effektivitätsparameter [ ] (standortabhängige Effektivität der realen Verdunstung, s.u.) Berücksichtigung des Energiedargebots (repräsentiert durch ETP) Berücksichtigung des Feuchtedargebots (repräsentiert durch P) Berücksichtigung der Standortbedingungen (repräsentiert durch n) Integration der BAGROVGleichung: ETR d ETR P = (4.25) 0 1 (ETR / ETP) n (alle Größen s. Gleichung 4.24) Ergebnis der numerischen Integration s. Bild 4.10 Bild 4.10: Graphische Umsetzung der BAGROVBeziehung (nach DYCK U.A., 1978)

64 Vorlesungsskript zur Lehrveranstaltung Grundlagen der Hydrologie und Hydrogeologie 63 Ermittlung des Effektivitätsparameters n: a) Einflussgrößen auf n: Landnutzung (Nutzungsform) Bodenart Grundwasserflurabstand b) Nutzungsform: Einteilung der Nutzung des Gebietes in: Ackerland Waldflächen Gewässerflächen bebaute (versiegelte) Flächen s. topographische Karten, Messtischblätter, Luftbilder... c) Bodenart: Unterteilung in Hauptbodenarten entsprechend "Bodenkundlicher Kartieranleitung" in Sande (S), Schluffe (U), Lehme (L) und Tone (T) jeweils mit Unterbodenart s. Bodenschätzungskarten, Karten der forstlichen Standortkartierung, Karten der Landwirtschaft, eigene Untersuchungen d) mittlerer langjähriger Grundwasserflurabstand: Berücksichtigung des Wasseraufstieges aus dem Grundwasser infolge Kapillarität Aufstiegsmengen abhängig von der Bodenart und von der Tiefe der Pflanzenwurzeln s. Grundwasserflurabstandskarten, Karten der Grundwasserstände (sog. Hydroisohypsenpläne vgl. Vorlesung Hydrogeologie I) Im Ergebnis der Punkte b) bis d) untergliedert man das Untersuchungsgebiet in Hydrotope (Flächen mit vergleichbaren hydrologischen Eigenschaften). e) Arbeitsschritte bei der Abarbeitung des Verfahrens: (1) Unterteilung des Gesamtgebietes hinsichtlich verschiedener langjähriger mittlerer Gebietsniederschlagswerte (vgl. Abschnitt 3.4), ggf. Korrektur der Niederschlagswerte (2) Berücksichtigung von Wassermengen durch Beregnungsmengen W B (Beregnungsmengen sind zu den Werten des korrigierten Niederschlages zu addieren, vgl. Arbeitsschritt 10) (3) Ermittlung der langjährigen mittleren Verdunstung (vgl. Abschnitte 4.3 und 4.4) (4) Ermittlung der Landnutzung (5) Ermittlung der Bodenart (6) Ermittlung des mittleren langjährigen Grundwasserflurabstandes (7) Berechnung der mittleren langjährigen kapillaren Wasseraufstiegsmengen aus dem GW: Ermittlung der mittleren kapillaren Aufstiegshöhe z A : z A = z G z W (4.26) mit z A mittlere kapillare Aufstiegshöhe [dm] z G mittlerer langjähriger Grundwasserflurabstand [dm] z W mittlere jährliche effektive Wurzeltiefe [dm] s. Bild 4.11 z A ist Grundlage für die Ermittlung der täglichen kapillaren Aufstiegsmengen Werte täglicher kapillarer Aufstiegsmengen W K (d) in Abhängigkeit von z A und der Bodenart s. Tabelle 4.11 Werte in mm/d W K Werte aus Tabelle 4.11 gelten für alle Tage während der Wachstumszeit, an denen kein nennenswerter Niederschlag fällt (nur dann wirkt Kapillarität) in der BRD: bei landwirtschaftlichen Kulturen: d K = 45 d (Halmfrüchte) 90 d (Dauergrünland) bei Wald: d K = 90 d

65 Vorlesungsskript zur Lehrveranstaltung Grundlagen der Hydrologie und Hydrogeologie 64 Bild 4.11: Mittlere jährliche effektive Wurzeltiefe (aus DYCK, PESCHKE, 1995) Tabelle 4.11: Mittlere tägliche kapillare Aufstiegsmengen aus dem Grundwasser W d (d) für ausgewählte Bodenarten und verschiedene mittlere kapillare Aufstiegshöhen Tägliche kapillare Aufstiegsmengen W K (d) [mm/d] Mittlere kapillare Aufstiegshöhe z A [dm] Bodenart Sande: gs (Grobsand) ms (Mittelsand) fs (Feinsand) ls (lehmiger Sand) us (schluff. Sand) ts (toniger Sand) 1,5 0,5 3,0 0,2 1,2 3,0 0,1 0,5 1,5 3,5 2,0 0,2 0,7 2,0 1,0 0,1 0,3 1,5 3,0 0,7 0,2 0,8 2,0 0,4 0,1 0,3 1,0 0,2 0,1 0,5 0,1 0,1 0,2 Schluffe: U (Schluff) su (sandiger Schluff) tu (toniger Schluff) 4,5 3,0 3,5 3,5 2,5 2,0 2,0 1,5 1,0 1,0 0,7 0,5 0,5 0,3 0,2 0,2 0,1 Lehme: sl (sandiger Lehm) ul (schluffiger L.) tl (toniger Lehm) 2,5 3,5 1,2 2,0 4,5 0,7 1,3 2,5 0,5 0,8 2,5 0,3 0,5 2,0 0,2 0,3 1,5 0,2 0,2 0,8 0,1 0,1 0,4 0,1 0,2 0,1 Tone: generell (lt, T, ut) 4,0 2,0 1,1 0,7 0,5 0,4 0,4 0,3 0,2 0,2 0,1 0,1 0,1 Berechnung der mittleren jährlichen kapillaren Wasseraufstiegsmengen W K aus dem Grundwasser: W K = W K (d) * d K (4.27) mit W K mittlere jährliche kapillare Wasseraufstiegsmenge [mm/a] W K (d) tägliche kapillare Aufstiegsmenge [mm/d] d K Dauer des Kapillaraufstieges (Tage während der Wachstumszeit, an denen kein nennenswerter Niederschlag fällt, s.o.) [d]

66 Vorlesungsskript zur Lehrveranstaltung Grundlagen der Hydrologie und Hydrogeologie 65 (8) Berücksichtigung der mittleren jährlichen kapillaren Wasseraufstiegsmengen (so vorhanden) Addition zur mittleren langjährigen Niederschlagsmenge (ggf. korrigiert und unter Berücksichtigung von Beregnungsmengen) (9) Bestimmung des Effektivitätsparameters n: für Hydrotope mit forstlicher, landwirtschaftlicher, gärtnerischer Nutzung bzw. vegetationslosen Boden ohne Grundwassereinfluss (ohne kapillare Wasseraufstiegsmengen) in Abhängigkeit von der Bodenart mittels Bild 4.12 Bild 4.12: Nutzungsparameter n in Abhängigkeit von der Landnutzung und der Bodenart (aus DYCK, PESCHKE, 1995) im Falle forstlicher Nutzung kann bei Kenntnis des Baumalters eine detailliertere Bestimmung von n vorgenommen werden ( s. Bild 4.13) Bild 4.13: Nutzungsparameter n für forstliche Nutzung in Abhängigkeit von Bodenart und Baumalter BA (in Jahren), aus DYCK, PESCHKE (1995)

67 Vorlesungsskript zur Lehrveranstaltung Grundlagen der Hydrologie und Hydrogeologie 66 für Hydrotope mit forstlicher, landwirtschaftlicher, gärtnerischer Nutzung bzw. vegetationslosen Boden mit Grundwassereinfluss (mit Kapillarwassermengen): Ermittlung ebenfalls mittels Bild 4.12 (ggf. Bild 4.13) Erhöhung von n (wegen GWEinfluss höhere Effektivität der Verdunstung): um 20 % für W K (d) < 1,5 mm/d (vgl. Tabelle 4.11) um 50 % für W K (d) 1,5 mm/d für bebaute (versiegelte) Flächen: n = 0,1 (unabhängig von Grundwassereinfluss und Bodenart geringe Effektivität der Verdunstung, nur unmittelbar nach Niederschlag Verdunstung möglich) (10) Ermittlung des XWertes der BAGROVBeziehung (für Bild 4.10): X = (P korr + W K + W B ) / ETP (4.28) mit P korr langjähriger mittlerer (korrigierter) Jahresniederschlag [mm/a] W K mittlere jährliche kapillare Wasseraufstiegsmenge [mm/a] W B langjährige mittlere Beregnungsmengen [mm/a] ETP langjähriger mittlerer Wert der potenziellen Verdunstung [mm/a] (11) Ermittlung des YWertes der BAGROVBeziehung mittels Bild 4.10 (12) Ermittlung des langjährigen mittleren Wertes der realen Verdunstung: ETR = Y * ETP (4.29) mit ETR langjährige mittlere reale Jahresverdunstung [mm/a] Y YWert (Y = ETR / ETP aus Bild 4.10) ETP langjähriger mittlerer Wert der potenziellen Verdunstung [mm/a] (13) Ermittlung der mittleren realen Gebietsverdunstung: Abarbeitung der Arbeitsschritte (1) bis (12) für jede Teilfläche (Hydrotop) Wichtung der ETRWerte jedes Hydrotops entsprechend dem jeweiligen Flächenanteil und Berechnung der mittleren realen Gebietsverdunstung ETR m : n ETR m = 3 a i * ETR i (4.30) i=1 mit a i = A i / A (4.31) mit ETR m mittlere reale Gebietsverdunstung [mm/a] ETR i langjährige mittlere reale Jahresverdunstung des Hydrotops i [mm/a] a i Wichtung des Hydrotops i A i Fläche des Hydrotops i A Gesamtfläche des untersuchten Gebietes [gleiche Maßeinheit wie A i ] Anwendung des BAGROVVerfahrens s. Übung 9 (Teilaufgabe b) * überschlägliche Ermittlung mittlerer Monatswerte der realen Verdunstung: für überschlägige Betrachtungen: Aufteilung des langjährigen Mittels der realen Verdunstung auf Monatswerte s. Tabelle 4.12

68 Vorlesungsskript zur Lehrveranstaltung Grundlagen der Hydrologie und Hydrogeologie 67 Tabelle 4.12: Mittlere prozentuale Aufteilung der Mittelwerte der realen Verdunstung auf Monate (abgeleitet aus Lysimeterbeobachtungen, gültig für Tieflandgebiete Deutschlands) Vegetation Jan Feb Mrz Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez flurfernes Grundwasser, unberegnet: Getreide Hackfrucht Fruchtfolge (2/3 Getreide, 1/3 Hackfr.) Gras, Dauergrünland unbewachsener Boden (Sand) Wald flurfernes Grundwasser, beregnet: Acker (lehmiger Sand) flurnahes Grundwasser: Acker, Wald * Berechnung aktueller Werte der realen Verdunstung (Tageswerte, aktuelle Monatswerte): Anwendung von Bodenwasserhaushaltsmodellen ( s. Bild 4.14 sowie Skript Hydrologie 2) Methodik: Berechnung der Anteile Evaporation und Transpiration, Wichtung nach Pflanzenbedeckungsgrad Berechnungsgleichung (Entzugsmodell nach KOITZSCH): ETR = ETP [a * r T (Θ) * f T (z) + (1 a) * r E (Θ) * f E (z)] (4.32) mit ETR reale Evapotranspiration [mm], Anteile: ER (reale Evaporation) und TR (reale Transpiration) ETP potenzielle Evapotranspiration [mm], Anteile: EP (pot. Evaporation), TP (pot. Transpiration) a Vegetationsbedeckungsgrad [ ] r T (Θ) BodenfeuchteReduktionsfunktion der Transpiration (r E (Θ) analog für die Evaporation) f T (z) tiefenabhängige EntzugsDichteFunktion der Transpiration (f E (z) analog für die Evaporation) BodenfeuchteReduktionsfunktion r(θ) Evaporation Transpiration Tiefenabhängige EntzugsDichteFunktion f(z) Evaporation Transpiration Θ min min. Wassergehalt Θ WP Welkepunkt Θ d krit. Wassergehalt ( 0,5... 0,8 Θ FC ) Θ FC Feldkapazität Θ S Sättigung Bild 4.14: Beispiel der Verdunstungsmodellierung in einem Bodenwasserhaushaltsmodell (aus DUNGER, 1985)

69 Vorlesungsskript zur Lehrveranstaltung Grundlagen der Hydrologie und Hydrogeologie Interzeptionsverdunstung Interzeption = Vorgang, bei dem Niederschlag an Pflanzenoberflächen aufgefangen und vorübergehend gespeichert wird zeitverzögertes Abfließen des gespeicherten Wassers am Stamm Abtropfen des Niederschlages (von der Vegetation) Verdunsten eines Teils des durch Interzeption gespeicherten Wassers Interzeption ist Verlustgröße für den Bodenwasserhaushalt, für die Abflussbildung und Grundwasserneubildung Verluste durch Interzeptionsverdunstung im Jahresmittel für Nadelbäume ca % des Niederschlages, für Laubbäume im Sommer ca %, im Winter ca %) Interzeption für wasserhaushaltliche Untersuchungen nicht vernachlässigbar Zusammenwirken der Teilprozesse der Interzeption s. Bild 4.15 P P d P t P st I g I v I r Freilandniederschlag (über dem Pflanzenbestand) direkt durchfallender Niederschlag (kein Kontakt mit der Vegetation) von der Vegetationsoberfläche abtropfender Niederschlag Stammabfluss Interzeptionsgewinn (durch abgesetzten bzw. abgefangenen Niederschlag) Interzeptionsverlust (Niederschlag, der nicht den Boden erreicht) Interzeptionsspeicherhöhe (oft auch mit S bezeichnet) Bild 4.15: Zusammenwirken der Teilprozesse der Interzeption (aus BAUMGARTNER, LIEBSCHER, 1990)

70 Vorlesungsskript zur Lehrveranstaltung Grundlagen der Hydrologie und Hydrogeologie 69 * Haupteinflussgrößen auf die Interzeption: meteorologische Faktoren: Niederschlag (Dauer, Höhe, Intensität, zeitliche Verteilung, Art) Windgeschwindigkeit potenzielle Verdunstung Vegetationsfaktoren: Vegetationsart (Wald, landwirtschaftliche Kulturen) Vegetationsbedeckungsgrad Vegetationsalter jahreszeitliche Entwicklung * messtechnische Erfassung der Interzeption: vergleichende Niederschlagsmessungen über und unterhalb des Vegetationsdaches (für Wald relativ unkompliziert, für landwirtschaftliche Kulturen kompliziert) * Methodik der Interzeptionsermittlung: Ermittlung des maximalen (potenziellen) Interzeptionsspeichervermögens S max Ermittlung des realen Interzeptionsspeichervermögens S Berechnung der Interzeptionsverdunstung Ermittlung des Niederschlages, der die Bodenoberfläche erreicht * Ermittlung des maximalen Interzeptionsspeichervermögens: für Wald: Verwendung des maximalen Speichervermögens S max (Werte für verschiedene Waldarten, ermittelt aus Messungen s. Tabelle 4.13) Tabelle 4.13: Werte des maximalen Speichervermögens S max für verschiedene Waldtypen Waldtyp Nadelwald Laubwald bei zusätzlicher Kraut und Strauchschicht unterhalb des Baumbestandes Kahlschlag S max [mm] für landwirtschaftliche Kulturen: Verwendung des maximalen Blattflächenindex BFI max Blattflächenindex: Verhältnis von Blattfläche zu Bodenoberfläche Maß für die Üppigkeit der Vegetation (u.a. in der Landwirtschaft gebräuchlicher Parameter) Blattflächenindizes BFI max für verschiedene landwirtschaftliche Kulturen s. Tabelle 4.14 * Ermittlung des realen Interzeptionsspeichervermögens: reales Interzeptionsspeichervermögen für Nadelwald: Überlagerung von Nadelwuchs und Nadelabwurf reales Interzeptionsspeichervermögen S vorrangig abhängig von: Baumart Lebensalter anthropogenen Schädigungen bzw. extremen klimatischen Einflüssen mittlerer jahreszeitlicher Verlauf von S für Nadelbäume s. Bild 4.16

71 Vorlesungsskript zur Lehrveranstaltung Grundlagen der Hydrologie und Hydrogeologie 70 Tabelle 4.14: Blattflächenindizes BFI max für verschiedene landwirtschaftliche Kulturen Pflanzenart BFI max [ ] Quelle Zuckerrüben 3,5 3,8 6,0 HOYNINGENHUENE (1983) BOUMAN ET AL. (1992) Futterrüben 4,9 5,1 HOYNINGENHUENE (1983) Hafer 2,5 HOYNINGENHUENE (1983) Kartoffeln 5,2 HOYNINGENHUENE (1983) Wintergerste 10,0 BOUMAN ET AL. (1992) Winterroggen, Winterweizen 7,0 BOUMAN ET AL. (1992) Raps 6,0 GEISLER (1983) Silomais 10,0 GEISLER (1983) Mais: 4 Pflanzen/m 2 12 Pflanzen/m 2 32 Pflanzen/m 2 1,2 3,5 8,0 10,0 HOYNINGENHUENE (1983) HOYNINGENHUENE (1983) HOYNINGENHUENE (1983) Gras: spärlich üppig 1,0 SCHROEDER, BERGER (2004) SCHROEDER, BERGER (2004) Sträucher 4,0 8,0 SCHROEDER, BERGER (2004) Bild 4.16: Jahreszeitlicher Gang der realen Interzeptionsspeicherkapazität für Nadelwald (aus DUNGER, 2006) Entwicklungsstadien: Stadium I: Überlagerung von Nadelabwurf und Maiwuchs (Mai/Juni) Stadium II: Gleichgewicht zwischen Nadelwachstum und Nadelabwurf (Juli/August) Stadium III: ausschließlich Nadelabwurf (SeptemberApril) reales Interzeptionsspeichervermögen für Laubwald: Methodik ähnlich wie bei Nadelwald mittlerer jahreszeitlicher Verlauf von S für Laubwald s. Bild 4.17 Entwicklungsstadien: Stadium I: Mobilisierungsphase Stadium II: Wachstumsphase Stadium III: Depositionsphase (Laubabwurf) Stadium IV: Ruhephase

72 Vorlesungsskript zur Lehrveranstaltung Grundlagen der Hydrologie und Hydrogeologie 71 Laubwaldtypen hinsichtlich der zeitlichen Zuordnung der Entwicklungsstadien: Frühentwickler (z.b. Birke, Linde, Weide, Kastanie) bzw. Spätentwickler (z.b. Buche, Eiche) Bild 4.17: Jahreszeitlicher Gang der realen Interzeptionsspeicherkapazität für Laubwald (aus DUNGER, 2006) Berücksichtigung des Alters des Baumbestandes (Einteilung in 4 Wuchsklassen): Jungwuchs (bis zum Beginn des Kronenschlusses): S = 0,315 S max Dickung (< 5 cm mittlerer Brusthöhendurchmesser): S = 0,6 S max Stangenholz (< 20 cm Brusthöhendurchmesser): S = 0,8 S max Altholz ( 20 cm Brusthöhendurchmesser): S = S max Berücksichtigung anthropogener und extremer klimatischer Einflüsse: keine Beeinflussung: S = S max geringe Beeinflussung: S = 0,9 S max spürbare Beeinflussung: S = 0,7 S max starke Beeinflussung: S = 0,4 S max reales Interzeptionsspeichervermögen für landwirtschaftliche Kulturen: mittlerer jahreszeitlicher Verlauf des Blattflächenindex BFI ausgewählter Kulturen s. Bild 4.18 * Berechnung der Interzeptionsverdunstung: Verwendung empirischer Gleichungen auf der Grundlage von Experimenten für Wald: EI = S (1 e P/S ) + 0,05 * P (4.33) mit EI reale Interzeptionsverdunstung [mm] S realer Interzeptionsspeicher [mm] P Niederschlagsmenge [mm] für landwirtschaftliche Kulturen (Randbedingungen: EI MIN = 0 für BFI = 0, EI MAX = P): EI = 0,42 + 0,245 P + 0,2 BFI 0,0111 P 2 + 0,0271 P BFI 0,0109 BFI 2 für P < P GRENZ (4.34) EI = 0, ,498 BFI 0,00575 BFI 2 für P > P GRENZ (4.35) wobei Grenzniederschlag P GRENZ = 11,05 + 1,223 BFI (4.36) mit BFI Blattflächenindex [ ], alle anderen Größen s. Gleichung 4.33

73 Vorlesungsskript zur Lehrveranstaltung Grundlagen der Hydrologie und Hydrogeologie 72 Bild 4.18: Jahreszeitlicher Gang der Blattflächenindizes für verschiedene Kulturpflanzen (nach HOYNINGEN HUENE, 1983) * Ermittlung des Niederschlages, der die Bodenoberfläche erreicht: Anwendung der einfachen Bilanzgleichung: P B = P EI (4.37) mit P B Bestandsniederschlag (Niederschlag, der die Bodenoberfläche erreicht) [mm] P Freilandniederschlag [mm] EI Interzeptionsverdunstung [mm] * Bedeutung der Interzeption für den Stoffhaushalt: Aufnahme/Verlagerung von Luftschadstoffen infolge Interzeption besonders für Waldflächen wesentlich höher als für Freiflächen (Auskämmen/Abfangen von Niederschlag) gilt insbesondere für die mit Säureeintrag verbundenen Anionen Cl, NO 3 und SO 4 (quantitative Untersuchungen s. Bild 4.19: hoher Anteil abgesetzter/abgefangener Niederschläge 1982) Bild 4.19: Jahresdeposition von SO 4 in kg/ha im Freilandniederschlag, von Buchen und Fichtenbeständen im Reinhardswald (Hessen) für 1982 und 1983 (aus BRECHTEL u.a., 1986) Anwendung von Methoden zur Interzeptionsspeicher und verdunstungsberechnung s. Übung 10

74 Vorlesungsskript zur Lehrveranstaltung Grundlagen der Hydrologie und Hydrogeologie Abfluss und Durchfluss 5.1. Definitionen, Abflusskomponenten * Abfluss: Wasservolumen, das pro Zeiteinheit ein Einzugsgebiet ober und unterirdisch durch den Ausflussquerschnitt verlässt ( s. Bild 5.1) Maßeinheiten: mm/a, mm/d, l/(s * km 2 ) * Durchfluss: Wasservolumen, das pro Zeiteinheit einen definierten oberirdischen Fließquerschnitt (Durchflussquerschnitt, Pegel), z.b. Flussquerschnitt durchfließt ( s. ebenfalls Bild 5.1) Maßeinheiten: m 3 /s, l/s Bild 5.1: Abfluss und Durchfluss an einem Fließquerschnitt (aus DYCK, PESCHKE, 1995) * Abflusskomponenten ( s. Bild 5.2): Direktabfluss: Oberflächenabfluss (Landoberflächenabfluss) RO: Bildung an der Bodenoberfläche hypodermischer Abfluss (bodeninnerer, lateraler Abfluss, Zwischenabfluss) RH: Bildung in der Aerationszone (wasserungesättigten Bodenzone) an wasserstauenden Schichten Basisabfluss: Grundwasserabfluss RG: Bildung in der gesättigten Grundwasserzone Bild 5.2: Zusammensetzung einer Abflussganglinie aus den Komponenten Oberflächenabfluss RO, hypodermischer Abfluss RH und Grundwasserabfluss RG (nach BAUMGARTNER, LIEBSCHER, 1990)

75 Vorlesungsskript zur Lehrveranstaltung Grundlagen der Hydrologie und Hydrogeologie 74 * Teilvorgänge des Abflussprozesses: Abflussbildung in den Einzugsgebieten (vorrangig an die Prozesse der Infiltration und Versickerung gebunden, vgl. Abschnitt 5.6.3) Abflusskonzentration im Gewässernetz der Abflussbildungsgebiete (vgl. Abschnitt 5.7) Abflussverlauf in den Wasserläufen (vgl. Abschnitt 5.7) * Methoden zur Durchflussbestimmung: Messmethoden (s. Abschnitt 5.2) über die Umrechnung von gemessenen Wasserständen (s. Abschnitt 5.4) für überschlägige Abschätzungen: Berechnung (s. Abschnitte 5.3 und 5.7) 5.2. Messung des Durchflusses Überblick über häufig angewendete Verfahren * Überblick: s. Tabelle 5.1 Tabelle 5.1: Überblick über gebräuchliche Messverfahren zur Durchflussbestimmung Messverfahren Gefäßmessung Messwehr Venturikanal (Hydrometrischer) Messflügel Schwimmermessung Tracermessung (Verdünnungsmessung) Ultraschallmessung Elektromagnetische Messung Anwendungen für sehr kleine Durchflüsse (einige wenige l/s) für kleine und mittlere Durchflüsse (max. 3 m 3 /s) analog Messwehr, Einsatz auch bei stark verschmutztem Wasser großer Messbereich (einige l/s... einige 100 m 3 /s) Einsatz bei geringen Turbulenzen und geringer Verkrautung nur für Abschätzung der Fließgeschwindigkeit für kleine und mittlere Durchflüsse (l/s... wenige m 3 /s) Einsatz auch bei starken Turbulenzen (Gebirge) und im Falle starker Verkrautung möglich analog Messflügel Messbereich analog Messflügel Einsatz auch bei starken Turbulenzen und starker Verkrautung * Kurzbeschreibung der am meisten angewendeten Verfahren (außer Messwehr, Flügel und Tracermessung diese werden ausführlicher dargestellt): Gefäßmessung : direkte Messmethode bei kleineren Wassermengen (< 5 l/s) Registrierung der Wassermenge pro Zeiteinheit mittels skaliertem Messeimer und Stoppuhr Anwendung: bei Quellschüttungs und Drainageauslaufmessungen im Falle der Durchflussmessung von kleinen Rinnsalen während des Pumpversuches (vgl. Vorlesung Hydrogeologie I) bei geringer Förderleistung

76 Vorlesungsskript zur Lehrveranstaltung Grundlagen der Hydrologie und Hydrogeologie 75 Venturikanal: Einschnitt im Gewässer, bestehend aus 3 Teilbereichen ( s. auch Bild 5.3): Einlauf bzw. Beruhigungsteil Diffusor (Einschnürungsteil) Nachlaufstrecke Bild 5.3: Messprinzip des Venturikanals (aus DYCK, PESCHKE, 1995) lediglich Messung des Wasserspiegels h o notwendig Berechnungsformel: Q = (2/3) 3/2 * C * C v * (g * b * h o 3/2 ) 0,5 (5.1) mit Q Durchfluss [m 3 /s] C Reibungsbeiwert (0.95 < C < 1.00) C v Geschwindigkeitsbeiwert (1.00 < C v < 1.30) g Gravitationskonstante [m/s 2 ] (g = 9.81 m/s 2 ) b Breite an der schmalsten Stelle im Diffusor [m] Oberwassertiefe [m] h o Erhöhung der Fließgeschwindigkeit im Bereich des Venturikanals keine Gefahr des Absetzens von mitgeführten Partikeln (kein Verlanden) Einsatz vor allem bei Abwasser verwendete Materialien: meist Beton, manchmal glasfaserverstärkte Kunststoffrinnen Messbereich: 10 l/s... 3 m 3 /s (max. 5 m 3 /s) Schwimmermessung: Messung der Fließgeschwindigkeit in der Strommitte des Gewässers mittels Schwimmer Messung der maximalen Fließgeschwindigkeit Berechnung der Fließgeschwindigkeit nach dem WegZeitGesetz: v o = s / t (5.2) mit v o Geschwindigkeit an der Oberfläche in der Mitte des Gewässers [m/s] s Fließweg [m] t Fließzeit [s] Problem: maximale Fließgeschwindigkeit v o mittlere Fließgeschwindigkeit v ( vgl. auch Bild 5.4)

77 Vorlesungsskript zur Lehrveranstaltung Grundlagen der Hydrologie und Hydrogeologie 76 Schwimmermessungen liefern nur groben Anhaltswerte (Fehler z.t. > 15 %) Umrechnung von v o auf v mittels Koeffizienten möglich ( s. Tabelle 5.2) Bild 5.4: Fließgeschwindigkeit und Fließquerschnitt (nach DYCK, PESCHKE, 1995) Tabelle 5.2: Koeffizienten für die Umrechnung von v o auf v Mittlere Gewässertiefe [cm] Koeffizient 0,66 0,68 0,70 0,72 0,74 0,76 0,77 0,78 0,79 0,80 Berechnung des Durchflusses aus mittlerer Fließgeschwindigkeit und Fließquerschnitt: Q = v * A (5.3) mit Q Durchfluss [m 3 /s] v mittlere Fließgeschwindigkeit [m/s] A Durchflussfläche [m 2 ] Ultraschallmessung: Schallwellen breiten sich mit der Strömung schneller aus als gegen die Strömung Messprinzip s. Bild 5.5 (Anordnung mehrerer Messstrecken übereinander mittlere Fließgeschwindigkeit) Berechnung des Durchflusses analog Gleichung 5.3 Bild 5.5: Anordnung des Gerätesystems bei der Ultraschallmessung (aus DYCK, PESCHKE, 1995)

78 Vorlesungsskript zur Lehrveranstaltung Grundlagen der Hydrologie und Hydrogeologie Durchflussmessung mittels Messwehr Methodik: Einbau eines Messwehres (Messblende) in das Fließprofil des Vorfluters ( s. Bild 5.6) Aufstau des Wassers oberhalb des Messwehrs Materialien: abhängig von Belastung (Größe, Fließgeschwindigkeit) Kunststoffe verzinktes Stahlblech Beachte: Abdichtung des Messwehres zum Untergrund (Verhinderung der Um und Unterströmung) scharfkantige Wehrkante (Abrisskante) Belüftung (vgl. Bild 5.6) vollständiger Überfall, keine Beeinflussung des Wasserstandes im Oberwasser durch das Unterwasser (kein Rückstau, vgl. Bild 5.6) Bild 5.6: Abhängigkeit der Überlaufmenge (Durchflussmenge Q): von der Wehrform ( s. Bild 5.7): Dreieckswehr (THOMSONWehr): bis ca. 100 l/s anwendbar Rechteckwehr (PONCELETWehr): bis ca. 1 m 3 /s (max. 3 m 3 /s) anwendbar von der Überfallhöhe h (vgl. Bilder 5.6 und 5.7) vom Überfallbeiwert μ (materialabhängig s. Eichwerte der Hersteller) Prinzip des Messwehrs (nach SCHRÖDER u. a., 1994) Berechnungsgleichungen für den Durchfluss Q: Bild 5.7: Dreieckswehr (links) und Rechteckwehr (rechts), nach DYCK, PESCHKE (1995) Dreieckswehr: Q = 8/15 μ (2 g) 0,5 * tan (α/2) * h 5/2 (5.4) mit Q Durchfluss [m 3 /s] μ Überfallbeiwert [ ] (Herstellerangabe: μ = 0,578 für α = 90 o ) α Ausschnittwinkel [ o ] h Überfallhöhe [m], Messung im Abstand L 4 h vor dem Wehr g Gravitationskonstante [m/s 2 ] (g = 9,81 m/s 2 )

79 Vorlesungsskript zur Lehrveranstaltung Grundlagen der Hydrologie und Hydrogeologie 78 Rechteckwehr: Q = 2/3 μ (2 g) 0,5 * b * h 3/2 (5.5) mit μ Überfallbeiwert [ ] (Eichangaben des Herstellers, meist gilt für μ: 0,61 μ 0,65, μberechnung s. auch Gleichung 5.6) b Wehrbreite [m] (alle anderen Größen s. Gleichung 5.4) 1 h μ = 0,615 [ 1 + ] [ 1 + 0,5 ( ) ] (5.6) 1000 h + 1,6 h + w mit μ Überfallbeiwert [ ] h Überfallhöhe [m], Gültigkeit für 0,025 m h 0,80 m und h/w 1 w Höhe des Wehreinschnitts über Gewässersohle [m] (s. Bild 5.7), Gültigkeit für w 0,3 m Auswertung einer Wehrmessung (Dreieckswehr) s. Übung 11 (Teilaufgabe a) Durchflussermittlung mittels hydrometrischem Messflügel * Messprinzip: Unterteilung des Fließquerschnitts in mehrere vertikale Lamellen ( vgl. Bilder 5.4 und 5.8) Ermittlung von Durchflussfläche und Fließgeschwindigkeit einer jeden Lamelle ( s. Bild 5.9) Messung der Lamellenfließgeschwindigkeit in definierten Tiefen mittels Messflügel ( s. Bild 5.10) genaueste und meistangewendete Methode bei größeren Durchflüssen (Q > 100 l/s) b Breite des Fließquerschnittes b i Lamellenbreite t l Tiefe am linken Lamellenrand t Tiefe in der Lamellenmitte Tiefe am rechten Lamellenrand t r Bild 5.8: Unterteilung des Fließquerschnitts in vertikale Lamellen Bild 5.9: Algorithmus der Durchflussermittlung in Fließgerinnen mittels Messflügel

80 Vorlesungsskript zur Lehrveranstaltung Grundlagen der Hydrologie und Hydrogeologie 79 Bild 5.10: Messflügel (Bildquelle: Firma Ott) * Ermittlung der punktuellen Fließgeschwindigkeit: Fließgeschwindigkeit v am Messpunkt = f (Umdrehungsanzahl n der Flügelschraube des Messflügels) Umrechnung der Umdrehungsanzahl in Fließgeschwindigkeit mittels Flügelgleichung: v = v o + b * n (5.7) mit v v o b n Fließgeschwindigkeit [m/s] Anlaufgeschwindigkeit [m/s] Flügelkonstante (Eichangabe des Herstellers) Impulsrate (Umdrehungsgeschwindigkeit) [meist Umdrehungen/min] Ermittlung von Anlaufgeschwindigkeit und Flügelkonstante durch Eichung (jeder Messflügel wird vor Verkauf im speziellen Eichkanälen getestet und geeicht), Beispiel s. Bild 5.11 Bild 5.11: Beispiel für eine Eichkurve eines Messflügels * Ermittlung der mittleren Fließgeschwindigkeit v m der Lamelle i (v m,i ) : Fließgeschwindigkeit = f (Tiefe) hohe Fließgeschwindigkeiten: nahe der Gewässeroberfläche geringe Fließgeschwindigkeiten: nahe dem Gewässergrund Messung der Fließgeschwindigkeit in verschiedenen Tiefen in der Mitte einer jeden Lamelle notwendig Anzahl der Messpunkte abhängig von Gewässertiefe: ein bzw. einige wenige vertikale Messpunkte bei geringer Gewässertiefe, viele Messpunkte bei großer Gewässertiefe

81 Vorlesungsskript zur Lehrveranstaltung Grundlagen der Hydrologie und Hydrogeologie 80 Berechnungsgleichungen: Einpunktmessung: v m,i = v 0,4 t (5.8) Zweipunktmessung: v m,i = 1/2 (v 0,2 t + v 0,8 t ) (5.9) Dreipunktmessung: v m,i = 1/3 (v 0,2 t + v 0,5 t + v 0,8 t ) (5.10) Sechspunktmessung: v m,i = 1/10 (v o + 2 v 0,2 t + 2 v 0,4 t + 2 v 0,6 t + 2 v 0,8 t + v s ) (5.11) mit v m,i v o v s v 0,2 t mittlere Lamellenfließgeschwindigkeit [m/s] Fließgeschwindigkeit kurz unterhalb der Gewässeroberfläche [m/s] Fließgeschwindigkeit kurz oberhalb der Gewässersohle [m/s] Fließgeschwindigkeit [m/s] in 20 % der Gewässertiefe über der Sohle (v 0,4 t... v 0,8 t analog) * Ermittlung der Lamellendurchflussfläche A i : A i = t m,i * b i (5.12) mit A i Lamellendurchflussfläche [m 2 ] t m,i mittlere Lamellentiefe [m] b i Lamellenbreite [m] wobei: t l + 2 t + t r t m,i = (5.13) 4 mit t m,i mittlere Lamellentiefe [m] t l Gewässertiefe am linken Lamellenrand [m] t r Gewässertiefe am rechten Lamellenrand [m] t Gewässertiefe in der Lamellenmitte [m] Lamellenbreite: meistens: als konstant über die gesamte Gewässerbreite festgelegt selten: Variation (größere Lamellenbreite in Ufernähe wegen geringer Fließgeschwindigkeit und kleinere Lamellenbreite in der Strommitte wegen großer Fließgeschwindigkeit) Lamellenanzahl: bei Flüssen 5 10 bei Bächen und Kanälen 3 5 bei kleinen Gräben, kleinen Bächen oder kleinen Kanälen * Berechnung des Lamellendurchflusses Q i : Q i = v m,i * A i = v m,i * t m,i * b i (5.14) (Symbole analog Gleichungen 5.8 bis 5.12) * Berechnung des Gesamtdurchflusses Q: n Q = 3 Q i (5.15) i=1 mit Q Gesamtdurchfluss des Fließgewässers [m 3 /s] Q i Lamellendurchfluss der iten Lamelle [m 3 /s] n Lamellenanzahl [ ] Auswertung von Messflügelmessungen s. Übungen Hydrogeologie I

82 Vorlesungsskript zur Lehrveranstaltung Grundlagen der Hydrologie und Hydrogeologie Tracermessung (Verdünnungsmethode) * Methodik des Tracereinsatzes in Fließgewässern: Prinzip der Tracermethode (Verdünnungsmethode) s. Bild 5.12 Eingabe einer Lösung meist stabiler (vereinzelt radioaktiver) Substanzen Verdünnung der injizierten Lösung infolge des Durchflusses im Fließgewässer Registrierung der Tracerkonzentration in einiger Entfernung vom Injektionspunkt Messung von Tracerkonzentration und menge an der Injektions und Registrierungsstelle Berechnung von Fließgeschwindigkeit und Durchflussmenge Fließrichtung Bild 5.12: Anwendungsprinzip der Tracermethode in Fließgewässern (nach MAIDMENT, 1992) * Anwendungsfälle, Vor und Nachteile der Tracermethode: Anwendung in solchen Fällen, in denen andere Durchflussmessmethoden (Messwehr, Messflügel, Gefäßmessung) versagen: in sehr kleinen Bächen mit geringer Wassertiefe (und ggf. geringem Fließgefälle) bei sehr großen Fließgeschwindigkeiten (Gebirge, Hochwasserperioden) in Bergbächen mit stark turbulentem Fließverhalten (hohes Gefälle, Steinblöcke) in Vorflutern mit hohem Sedimenttransport bzw. starker Uferverkrautung Vorteile der Tracermethode: einfach in der Anwendung, Berechnung und Interpretation benötigt weniger Zeit als die meisten anderen Methoden (einige Minuten... 1 Stunde) schnelle Änderungen des Abflusses (z.b. während eines Hochwasserereignisses) erfassbar Nachteile der Tracermethode: viele Fehlermöglichkeiten (z.b. keine vollständige Durchmischung des Tracers im Bach bzw. Flusswasser, Tracerverluste durch Adsorption, Untergrundinfiltration bzw. Verdunstung) große Tracermengen bei hohen Durchflussmengen notwendig teuer ökologische Risiken Behördengenehmigungen notwendig * Anforderungen an Tracermaterialien: hohe Löslichkeit im Bach bzw. Flusswasser auch bei geringen Temperaturen kaum natürliches Vorkommen des Tracers im Oberflächenwasser keine Umwandlung im Oberflächenwasser, keine Traceraufnahme durch das Sediment, durch Pflanzen oder Tiere einfache, preiswerte Tracermessbarkeit keine Gefährdung von Mensch und Tier durch den Tracereinsatz (Injektionskonzentration)

83 Vorlesungsskript zur Lehrveranstaltung Grundlagen der Hydrologie und Hydrogeologie 82 * gebräuchliche Tracersubstanzen: hauptsächlich (für Oberflächenwasser) verwendet: Salze (Natriumchlorid, Kaliumchlorid, Lithiumsalze) Fluoreszenztracer weitere Tracersubstanzen: radioaktive (z.b. 134 J, 82 Br, 198 Au, 24 Na) und stabile Isotope (z.b. 15 N, 2 H, 18 O) Detergenzien ("Weich und Weißmacher") biologische Tracermaterialien (Bakterien, Sporen und Pollen) * Kurzcharakteristik der hauptsächlich verwendeten Tracersubstanzen: Salztracer: Anwendung aus ökologischer Sicht unbedenklich, wenn folgende Maximalkonzentrationen in Oberflächengewässern nicht überschritten werden: 10 g/l für Natriumchlorid 5 g/l für Kaliumchlorid relativ hohe Wasserlöslichkeiten: NaCl: 359 g/l bei 20 C KCl: 342 g/l bei 20 C Tracermessung mittels Messung der Chloridkonzentration bzw. durch Messung der elektrischen Leitfähigkeit Fluoreszenztracer (Uranin, Fluoreszin): Vorteile: hohes Färbevermögen, hohe Messempfindlichkeit, billig Nachteile: phwertabhängigkeit der Fluoreszenz, labiles Adsorptions und Oxidationsverhalten radioaktive und stabile Isotope, Sporen, Bakterien, Pollen: analog Grundwassereinsatz vgl. Vorlesungen Modul Hydrogeologie * Bestimmung von Fließgeschwindigkeit und Durchfluss mittels Tracermethode (Beispiel s. Übung 11, Teilaufgabe b): Bestimmung der mittleren Fließgeschwindigkeit: Bestimmung der Abstandsgeschwindigkeit durch Messen von Entfernung zwischen Injektionsund Registrierungspunkt und Zeitmessung: v a = Δs / Δt (5.16) mit v a Abstandsgeschwindigkeit [m/s] Δs Entfernung Injektionspunkt Registrierungspunkt [m] Δt Zeit zwischen Tracerinjektion und Tracerankunft am Registrierungspunkt [s] wobei Δt = t 50% t o (5.17) mit t o Zeitpunkt der Tracereingabe am Injektionspunkt t 50% Zeitpunkt, zu dem 50 % der Tracermenge am Registrierungspunkt angekommen sind (s. Bild 5.13) Tracereingabe in Form eines Momentimpulses (Stoßimpuls, s. Bild 5.13) oder als Eingabe mit konstanter Tracerkonzentration (Stufenfunktion, s. Bild 5.14)

84 Vorlesungsskript zur Lehrveranstaltung Grundlagen der Hydrologie und Hydrogeologie 83 Bild 5.13: Tracereingabe in Form eines Momentanimpulses Bild 5.14: Tracereingabe mit konstanter Tracerkonzentration Durchflussermittlung: Durchflussberechnung ist abhängig von der Form der Tracereingabe (s. Bilder 5.13 und 5.14) für den Fall der Tracereingabe als Momentimpuls: V * (C 1 ) V * (C 1 ) Q = = (5.18) t E t E I C 2 (t) dt C 0 3 (C 2 (t i ) C 0 ) * Δt t s i=t s mit Q Durchfluss [l/s] V injiziertes Tracervolumen am Injektionspunkt [l] C 1 Tracerkonzentration am Injektionspunkt [mg/l] C 2 Tracerkonzentration am Registrierungspunkt [mg/l] C 0 Hintergrundtracerkonzentration im Fließgewässer [mg/l] t S Beginn der Tracerankunft am Registrierungspunkt (s. Bild 5.13) [s] t E Ende der Tracerankunft am Registrierungspunkt (s. Bild 5.13) [s] t i Zeitintervall i [s] Δt Zeitdifferenz zwischen 2 Tracerkonzentrationsmessungen am Registrierungspunkt [s] für den Fall der Tracereingabe mit konstanter Tracerkonzentration: C 1 C 2 Q = * Q C (5.19) C 2 C 0 mit Q C konstante Tracerinjektionsrate am Injektionspunkt [l/s] (alle anderen Größen s. Gleichung 5.18)

85 Vorlesungsskript zur Lehrveranstaltung Grundlagen der Hydrologie und Hydrogeologie Berechnung von Fließgeschwindigkeit und Durchfluss mittels einfacher Fließformeln für vereinfachende Betrachtungen bzw. im Rahmen der Planung von Entwässerungsgräben kann die Ermittlung der Fließgeschwindigkeit durch die Anwendung empirischer Fließformeln erfolgen in der Praxis am meisten angewendet: Fließformel nach Manning und Strickler (Näherungslösung): v = k St * (r hy ) 2/3 * (I E ) 1/2 (5.20) mit v Fließgeschwindigkeit [m/s] k St Rauhigkeitsbeiwert nach Manning/Strickler [m 1/3 /s] (Werte s. Tabelle 5.3) r hy hydraulischer Radius [m] (r hy = A/l u Fließquerschnitt/benetzter Umfang s. Bild 5.15) I E hydraulisches Gefälle [m/m] Bild 5.15: Darstellung zum Verständnis des hydraulischen Radius Tabelle 5.3: Rauhigkeitsbeiwerte nach Manning/Strickler Baustoff Art, Form, Zustand k St [m 1/3 /s] Stahl Rohre, sehr glatt, neu Rohre, verkrustet und verrostet, alt Asphalt Werkkanäle aus Walzgussasphalt Kanäle aus Asphaltbeton Asphaltzement Auskleidungen 100 Beton Zementglattstrich Beton mit Stahlschalung Beton, geglättet grobe Betonauskleidung, alter Beton Mauerwerk Ziegelmauerwerk, gut gefugt Mauerwerk, normal Naturstein Fels Erde Haussteinquader sorgfältiges Bruchsteinmauerwerk normales Bruchsteinmauerwerk grobes Bruchsteinmauerwerk Felsausbrüche, sorgfältig bearbeitet mittelgrober Felsausbruch grober Felsausbruch roher Felsausbruch, mit Sohle aus Beton festes, feines Material Fein bis Mittelkies Grobkies grobes, scholliges Material mit groben Steinen ausgelegt Erdkanäle und Gräben, stark bewachsen natürliche Flussbetten mit fester Sohle natürliche Flussbetten mit mäßiger Geschiebeführung natürliche Flussbetten mit starker Geschiebeführung natürliche Flussbetten, Ufer verkrautet natürliche Flussbetten mit Geröll Wildbäche mit grobem Geröll im Ruhezustand Wildbäche mit grobem Geröll in Bewegung

86 Vorlesungsskript zur Lehrveranstaltung Grundlagen der Hydrologie und Hydrogeologie WasserstandsDurchflussBeziehung Wasserstandsmessung * Wasserstand: Höhe des Wasserspiegels eines Oberflächengewässers über einer festen Bezugshöhe (Pegelnull PN) s. Bild 5.16 PN einnivelliert, PN muss nicht Niveau Gewässersohle entsprechen ( vgl. Bild 5.16) PN darf sich während der Betriebszeit des Pegels bezüglich Höhe nicht verschieben Gefahr vorhanden während Hochwasser (Erosion, Unterspülung) und Eisstand stabiler Unterbau Bild 5.16: Wasserstand und Pegelnull (nach DYCK, PESCHKE, 1995) * nichtregistrierende Messgeräte: Lattenpegel ( s. Bild 5.17): einfachste Form der Wasserstandsmessung (diskontinuierlich) Montage vertikal bzw. entsprechend Uferneigung Messgenauigkeit: 1 cm Messung i.d.r. täglich einmal (7.00 Uhr MEZ), Ausnahme: z.b. Hochwasserereignisse im Falle hoher Wasserstandsunterschiede (Niedrig/Hochwasser): Verwendung von Staffelpegeln ( s. Bild 5.18) Bild 5.17: Lattenpegel (DYCK, PESCHKE, 1995) Bild 5.18: Staffelpegel (nach SINGH, 1992) Hochwasserpegel (Maximumpegel): Messung des Maximalwasserstandes während eines Hochwasserereignisses Konstruktion s. Bild 5.19: skalierter Pegelstab aus Kork innerhalb eines Pegelrohres Aufwärtsbewegung des Korkstabes während eines Hochwasserereignisses Fixierung beim maximalen Wasserstand Ablesen nach dem Hochwasser

87 Vorlesungsskript zur Lehrveranstaltung Grundlagen der Hydrologie und Hydrogeologie 86 Bild 5.19: Hochwasserpegel (Maximumpegel), nach SINGH (1992) * registrierende Pegel: mechanischer Schwimmerschreibpegel: Konstruktionsprinzip s. Bild 5.20 Bewegung eines Schwimmers bei Wasserspiegeländerungen kontinuierliche Aufzeichnung analoge bzw. digitale Transformation der Schwimmerbewegungen (Datenübertragung möglich) Positionierung des Schwimmers nicht direkt im Fließgewässer (Beschädigung/Blockieren infolge Hochwasser oder Eisgang möglich), sondern in einem Pegelhaus ( s. Bild 5.21) zu jedem Schreibpegel gehört ein Lattenpegel (zu Kontroll und Justierungszwecken) Bild 5.20: Schwimmerschreibpegel Bild 5.21: Schreibpegelstation mit Pegelhaus (aus DYCK, PESCHKE, 1995) Druckluftpegel: Aufbau und Messprinzip s. Bild 5.22 weder Schwimmerschacht noch Verbindungsrohr notwendig, dafür jedoch Druckluftflasche zuverlässige Messung auch bei starker Feststoffführung Gas(gegen)druck ist direktes Maß für den Wasserstand Datenerfassung/aufzeichnung in größerer Entfernung vom Messpunkt möglich Nachteil: Messungenauigkeiten (Druckverlust) bei Undichtheiten

88 Vorlesungsskript zur Lehrveranstaltung Grundlagen der Hydrologie und Hydrogeologie 87 1 Druckflasche 2 Druckminderer 3 Regelarmatur 4 Schauglas 5 Druckmanometer 6 AnalogDigitalWandler 7 Elektronikbaustein 8 Fernübertragung 9 Datenspeicher Bild 5.22: Aufbau eines Druckluftpegels (nach DYCK, PESCHKE, 1995) Darstellung der WasserstandsDurchflussBeziehung für jeden Fließquerschnitt (Messpegel) gilt: W = f (Q) (5.21) mit W Wasserstand [cm ü. PN Pegelnull] Q Durchfluss [m 3 /s] Beispiel für eine WasserstandsDurchflussBeziehung s. Bild 5.23 Bild 5.23: WasserstandsDurchflussBeziehung für den Pegel Bad Blankenburg (Schwarza), nach DYCK, PESCHKE (1995) Grundlage: zeitgleiche Wasserstands und Durchflussmessungen Durchflusstafel (s. Tabelle 5.4) Tabelle 5.4: Wasserstands und Durchflussmessungen für den Pegel Bad Blankenburg (Schwarza) Nr. Messdatum W [cm] b [m] h [m] h max [m] A [m 2 ] v [m/s] Q [m 3 /s] ,1 12,0 10,0 12,0 14,0 12,0 20,0 20,0 20,0 14,0 0,62 0,21 0,13 0,30 0,30 0,24 0,57 1,00 1,16 0,36 1,21 0,32 0,26 0,48 0,52 0,40 0,88 1,44 1,62 0,50 8,81 2,52 1,30 3,63 4,26 2,82 11,42 20,10 23,20 5,11 1,54 0,67 0,47 0,98 0,92 0,71 1,45 1,93 2,05 1,03 13,6 1,68 0,62 3,59 4,32 2,20 16,6 38,8 47,7 5,26

89 Vorlesungsskript zur Lehrveranstaltung Grundlagen der Hydrologie und Hydrogeologie 88 analytisch lassen sich WasserstandsDurchflussBeziehungen ( vgl. Bild 5.23) mittels Potenzfunktion beschreiben: Q = a (W b) n (5.22) mit a, b und n Formparameter Gleichung 5.22 gilt meist nur für bestimmte W bzw. QBereiche Ursachen (Änderungen des Durchflussprofils in Abhängigkeit von der Höhe des Durchflusses vgl. auch Bild 5.24): Niedrigwasserrinne Ausuferung im Hochwasserbereich Umflut und Überflutung bei Hochwasser Gültigkeitsbereiche für Gleichung 5.22 angeben! Bild 5.24: Künstliches Fließprofil mit zwei Durchflussbereichen (aus DYCK U. A., 1975) Gültigkeitsgrenzen durch Auftragen der WQBeziehung im doppeltlogarithmischen Papier ermittelbar ( vgl. Bild 5.25) Bild 5.25: Durchflusskurve für den Pegel Bad Blankenburg/Schwarza (in doppeltlogarithmischer Darstellung), nach DYCK, PESCHKE (1995) Schlussfolgerungen: Flügelmessung nur einige Male im Jahr notwendig zur Überprüfung und ggf. Korrektur der WQBeziehung (besonders im Hoch und Niedrigwasserbereich) für tägliche Beobachtungen (Routinebeobachtungen) Messung des Wasserstandes ausreichend