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1 Vorlesung Hydrologie I Dr. Fred Hattermann Do 8.15-9.45 Haus 12 SS 2014.

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Präsentation zum Thema: "1 Vorlesung Hydrologie I Dr. Fred Hattermann Do 8.15-9.45 Haus 12 SS 2014."—  Präsentation transkript:

1 1 Vorlesung Hydrologie I Dr. Fred Hattermann Do Haus 12 SS 2014

2 2 Inhalts- und Terminübersicht 1. VL Einführung 2. VL Wasserkreislauf 3. VL Strahlung ( Feiertag) 4. VL Komponenten und Prozesse des Wasserkreislaufs 5. VL Niederschlag I 6. VL Niederschlag II ( Feiertag) 7. VL Verdunstung

3 3 Inhalts- und Terminübersicht 8. VL Versickerung 9. VL Infiltration 10. VL Abfluss I 11. VL Abfluss II 12. VL Einheitsganglinie I 13. VL Einheitsganglinie II

4 4 Wasserkreislauf Wasserhaushaltsgleichung Grundsätzlich gilt über sehr lange Zeiträume für terrestrische Systeme: Niederschlag (N) = Abfluss (Q) + Verdunstung (V) Tatsächlich wird aber Wasser im System gespeichert (S), z.B. im Grundwasser, in der ungesättigten Zone und in den Oberflächengewässern:

5 Wasserkreislauf VerdunstungNiderschlag Abfluss = ++

6 Wasserkreislauf

7 Lokale Wasserbilanz in Potsdam: Niederschlag in Potsdam~600mm Verdunstung in Potsdam~500mm Der Rest (~100 mm) fließt über die Flüsse zum Meer Daraus folgt: eine Niederschlagsänderung von 10% des Niederschlags oder der Verdunstung entspricht ca. 50% des Abflusses. (25mm/a Niederschlag / Verdunstung entsprechen ~110m 3 /s Abfluss am Elbepegel Neu Darchau) Wasserhaushalt am Beispiel Potsdam

8 8 Wasserkreislauf 2.1 Typische Skalen in der Hydrologie Definition: „Skalen sind Größenklassen im Sinne von Raum- und Zeitbereichen, in denen unterschiedliche Arbeitsmethoden, Modelle und Lösungstechniken zur Ableitung dimensionsspezifischer Aussagen angewendet werden.“ (Steinhardt 1999)

9 9 Ausdehnung lokal1 m² Hang1 ha Einzugsgebiet1 – km² regional – 1 Mio km² kontinentalbis 10 Mio km² globalbis 100 Mio km² DauerAuflösung Ereigniskurzfristig1 – 1200h1s – 1h saisonalmittelfristig1200h – 1a1h – 1d kontinuierlichlangfristig1 – 100 a1d – 1a } } } meso mikro makro Fläche Zeit Wasserkreislauf 2.1 Typische Skalen in der Hydrologie

10 Zusammenhang zwischen Raum- und Zeitskalen in der Hydrologie (nach Blöschl, 1996 und Niehoff, 2001) Wasserkreislauf 2.1 Typische Skalen in der Hydrologie

11 11 Man kann zwei Wasserkreisläufe unterscheiden : 1. Meer - Atmosphäre - Meer 2. Meer - Atmosphäre - Land - Meer Wasserkreislauf 2.2 Der globale Wasserkreislauf

12 Der Wasserkreislauf im globalen Maßstab Datengrundlage: Endlicher 1991, S. 71. Wasserkreislauf 2.2 Der globale Wasserkreislauf

13 Daten nach UNESCO 2003 Wasserkreislauf 2.2 Der globale Wasserkreislauf

14 14 Wasserkreislauf 2.2 Der globale Wasserkreislauf Niederschlag

15 Wasserkreislauf – Atmosphärischer Transfer

16 Wasserkreislauf 2.2 Der globale Wasserkreislauf Mittlere Temperatur

17 Wasserkreislauf 2.2 Der globale Wasserkreislauf Pot. Verdunstung

18 Wasserkreislauf 2.2 Der globale Wasserkreislauf Akt. Verdunstung

19 Wasserkreislauf 2.2 Der globale Wasserkreislauf - Abfluss

20 Wasserkreislauf 2.2 Der globale Wasserkreislauf Rel. Feuchte

21 21 Wasserkreislauf 2.2 Der globale Wasserkreislauf Schneemächtigkeit

22 22 Wasserkreislauf 2.2 Der globale Wasserkreislauf Bodenfeuchte

23 Wasserkreislauf 2.2 Der globale Wasserkreislauf Temperatursummen

24 Wasserkreislauf 2.2 Der globale Wasserkreislauf Nettoprimärproduktion

25 25 Wasserkreislauf 2.2 Der globale Wasserkreislauf Potentielle Vegetation

26 2.3 Wasserflüsse in der Mikroskala (Betrachtungen am Punkt) 1.Freilandniederschlag 2.Bestandsniederschlag 3.Abropfender Niederschlag 4.Aufnahme von Bodenwasser durch die Pflanzenwurzeln 5.Bodenevapotranspiration 6.Wurzelentzug 7.Transpiration der Pflanzen 8.Evapotranspiration von der Pflanzenoberfläche 9.Makroporeninfiltration 10.Matrixinfiltration 11.Wasserbewegung in der Bodenmatrix 12.Interaktion Makroporensystem – Bodenmatrix 13.Muldenrückhalt

27 2.3 Wasserflüsse in der Mikroskala (Betrachtungen am Punkt) Grundsätzlich unterscheidet man zwischen vertikalen und horizontalen Prozessen: Vertikal: NiederschlagEvapotranspiration InfiltrationTranspiration PerkolationKapillaraufstieg Horizontal OberflächenabflussWolken Zwischenabfluss Abfluss im Gerinne Grundwasserabfluss

28 28 Verdunstung: Transpiration +Evaporation +Evapotranspiration T=EV+TR+EV IZ Kontrollvolumen Bestandsniederschlag I net Zwischenabfluss GW-Spiegel Grundwasserabfluss Niederschlag (Freiland ) I(t) [mm/Zeit] Interzeptionsverlust C [mm] Oberflächenabfluss qzqz q0q0 q gw qz+Δqzqz+Δqz q gw +Δq gw q0+Δq0q0+Δq0 ΔS gw ΔS uz L*B undurchlässig Massenerhaltung: Änderung der Wassermenge im Kontrollvolumen = Differenzen der Flüsse 2.3 Wasserflüsse in der Mikroskala Herleitung der Wasserhaushaltsgleichung

29 29 Massenerhaltung: Änderung der Wassermenge im Kontrollvolumen = Differenzen der Flüsse Wasserhaushaltsgleichung NV=-C-ET 2.3 Wasserflüsse in der Mikroskala Herleitung der Wasserhaushaltsgleichung

30 30 Geschwindigkeit des Windes upup u (z) ΔpΔp Δp = Dicke der Planetarischen Grenzschicht (Reibungsschicht der Atmosphäre) zrzr z r = Referenzmaßhöhe (10m) 2.3 Wasserflüsse in der Mikroskala Planetarischen Grenzschicht

31 2.4 Wasserkreislauf am Hang

32 2.3 Wasserflüsse in der Landschaft Heterogenität der Landschaft

33 2.5 Wasserflüsse in Einzugsgebieten

34 control point contour line slope line crestline = watershed rock permeable high permealbe low permeable catchment A C 2.5 Wasserflüsse in Einzugsgebieten Definition Einzugsgebiet Das Einzugsgebiet ist das Gebiet bzw. die Fläche, aus der ein Gewässersystem seinen Abfluss bezieht. Es ist grundsätzlich zu unterscheiden zwischen dem oberirdischen und dem unterirdischen Einzugsgebiet.

35 2.5 Wasserflüsse in Einzugsgebieten Definition Einzugsgebiet

36 Settlements/ Infrastructure Soils/ Geology/ Topography Land use Hydrology Climate 2.5 Wasserflüsse in Einzugsgebieten Elemente eines Einzugsgebietes

37 Acrobat-Dokument Data: Wodinski, Gerstengarbe and Werner, PIK Potsdam Mean precipitation Trend in precipitation Wasserkreislauf in Deutschland Mittlere Niederschläge und Niederschlagsänderungen

38 Aktuelle Verdunstung Gesamtabfluss GW-Neubildung Huang et al Wasserkreislauf in Deutschland Verdunstung und Abfluss als Mittel der Jahre

39 2.6 Wasserkreislauf in Deutschland Die großen Flussgebiete

40 2.6 Wasserkreislauf in Deutschland Saisonale Wasserflüsse im Elbeeinzugsgebiet Evapotranspiration Niederschag Abfuss Elbe

41 Wasserkreislauf in Deutschland Wasserbilanz der Bundesrepublik Deutschland für die Periode mit Wasserbedarfs- und Wasserverbrauchszahlen des Jahres 1985 (nach Liebscher(1985)) Niederschlag ~ 790 mm Verdunstung ~ 492 mm Zufluss von Oberliegern ~ 199 mm Oberird. Abfluss ins Meer ~ 494 mm

42 NutzungMrd. Kubikmeter pro JahrProzent Landwirtschaft0,1 Wärmekraftwerke für die öffentliche Versorgung 24,813,2 Bergbau und Verarbeitendes Gewerbe 7,84,1 Öffentliche Wasserversorgung 5,42,9 Ungenutzt150,079,8 Potentielles Wasserdargebot 188,1100 Wasserdargebot und Wassernutzung in Deutschland (2001). Daten nach Statistisches Bundesamt. 2.6 Wasserkreislauf in Deutschland Wasserverbrauch

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45 45 Datengrundlage: Endlicher 1991, S. 71. Wasserkreislauf 2.2 Der globale Wasserkreislauf Der Wasserkreislauf wird durch den (solaren) Energieinput gesteuert!

46 46 Ohne Klimawandel Nur Temperaturanstieg 2.6 Wasserkreislauf in Deutschland Schema der Änderung der Wasserflüsse -> nur T-Anstieg

47 2.6 Wasserkreislauf in Deutschland Änderung der Wasserflüsse im Elbeeinzugsgebiet

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49 2.6 Wasserkreislauf in Deutschland Änderung der Wasserflüsse im Rheineinzugsgebiet

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51 2.6 Wasserkreislauf in Deutschland Änderung der Wasserflüsse im Donaueinzugsgebiet

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53 53 Inhalts- und Terminübersicht 1. VL Einführung 2. VL Wasserkreislauf 3. VL Strahlung ( Feiertag) 4. VL Komponenten und Prozesse des Wasserkreislaufs 5. VL Niederschlag I 6. VL Niederschlag II ( Feiertag) 7. VL Verdunstung

54 54 Inhalts- und Terminübersicht 8. VL Versickerung 9. VL Infiltration 10. VL Abfluss I 11. VL Abfluss II 12. VL Einheitsganglinie I 13. VL Einheitsganglinie II

55 55 Windgeschwindigkeiten für geringe Höhen (bis ca. 20m) z z0z0 d u Pflanzenhöhe u* = Schubspannungsgeschwindigkeit ӕ = 0,4 ; Karman-Konstante d = Verdrängungshöhe z 0 = Rauhigkeitsparameter ӕ bzw. ӕ 2.3 Wasserflüsse in der Mikroskala Planetarischen Grenzschicht


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