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Vorlesung Hydrologie I Dr. Fred Hattermann Do 8.15-9.45 Haus 12 SS 2015 1.

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

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

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

4 2. 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: 4

5 VerdunstungNiderschlag Abfluss = + 2. Wasserkreislauf 5

6 6

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 7

8 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) 2.1 Typische Skalen in der Hydrologie 8

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 } 2.1 Typische Skalen in der Hydrologie 9

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

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

12 Datengrundlage: Endlicher 1991, S Der globale Wasserkreislauf 12

13 Daten nach UNESCO Der globale Wasserkreislauf 13

14 Niederschlag 2.2 Der globale Wasserkreislauf 14

15 Wasserkreislauf – Atmosphärischer Transfer 15

16 Mittlere Temperatur 2.2 Der globale Wasserkreislauf 16

17 Potentielle Verdunstung 2.2 Der globale Wasserkreislauf 17

18 Aktuelle Verdunstung 2.2 Der globale Wasserkreislauf 18

19 2.2 Der globale Wasserkreislauf - Abfluss 19

20 Relative Feuchte 2.2 Der globale Wasserkreislauf 20

21 Schneemächtigkeit 2.2 Der globale Wasserkreislauf 21

22 Bodenfeuchte 2.2 Der globale Wasserkreislauf 22

23 Temperatur (Summen) 2.2 Der globale Wasserkreislauf 23

24 Nettoprimärproduktion 2.2 Der globale Wasserkreislauf 24

25 Potentielle Vegetation 2.2 Der globale Wasserkreislauf 25

26 1.Freilandniederschlag 2.Bestandsniederschlag 3.Abtropfender 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 2.3 Wasserflüsse in der Mikroskala (Betrachtungen am Punkt) 26

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

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 28

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

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 Planetarische Grenzschicht 30

31 2.4 Wasserkreislauf am Hang 31

32 2.5 Wasserflüsse in der Landschaft Heterogenität der Landschaft 32

33 2.6 Wasserflüsse in Einzugsgebieten 33

34 control point contour line slope line crestline = watershed rock permeable high permealbe low permeable catchment A C 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. 2.6 Wasserflüsse in Einzugsgebieten Definition Einzugsgebiet 34

35 2.6 Wasserflüsse in Einzugsgebieten Definition Einzugsgebiet 35

36 Settlements/ Infrastructure Soils/ Geology/ Topography Land use Hydrology Climate 2.6 Wasserflüsse in Einzugsgebieten Elemente eines Einzugsgebiet 36

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

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

39 2.7 Wasserkreislauf in Deutschland Die großen Flussgebiete 39

40 Evapotranspiration Niederschag Abfuss Elbe 2.7 Wasserkreislauf in Deutschland Saisonale Wasserflüsse im Elbeeinzugsgebiet 40

41 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 Oberirdischer Abfluss ins Meer ~ 494 mm 2.7 Wasserkreislauf in Deutschland 41

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. 2.7 Wasserkreislauf in Deutschland Wasserverbrauch 42

43 2.7 Wasserkreislauf in Deutschland Wasserverbrauch 43

44 2.7 Wasserkreislauf in Deutschland Wasserverbrauch 44

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

46 Ohne Klimawandel Nur Temperaturanstieg 2.7 Wasserkreislauf in Deutschland Schema Änderung der Wasserflüsse  nur T-Anstieg 46

47 2.7 Wasserkreislauf in Deutschland Änderung der Wasserflüsse im Elbeeinzugsgebiet 47

48 2.7 Wasserkreislauf in Deutschland Änderung der Wasserflüsse im Elbeeinzugsgebiet 48

49 2.7 Wasserkreislauf in Deutschland Änderung der Wasserflüsse im Rheineinzugsgebiet 49

50 2.7 Wasserkreislauf in Deutschland Änderung der Wasserflüsse im Rheineinzugsgebiet 50

51 2.7 Wasserkreislauf in Deutschland Änderung der Wasserflüsse im Donaueinzugsgebiet 51

52 2.7 Wasserkreislauf in Deutschland Änderung der Wasserflüsse im Donaueinzugsgebiet 52

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

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

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 Planetarische Grenzschicht 55


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