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Einführung in die Physische Geographie Prof. Dr. Otto Klemm Teil Klima und Wasser 8. Wasser im Boden, Grundwasser, Evapotranspiration, Wasserbilanz im.

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Präsentation zum Thema: "Einführung in die Physische Geographie Prof. Dr. Otto Klemm Teil Klima und Wasser 8. Wasser im Boden, Grundwasser, Evapotranspiration, Wasserbilanz im."—  Präsentation transkript:

1 Einführung in die Physische Geographie Prof. Dr. Otto Klemm Teil Klima und Wasser 8. Wasser im Boden, Grundwasser, Evapotranspiration, Wasserbilanz im Ökosystem

2 Wasserhaushaltsgleichung Die allgemeinste Form der Wasserhaushaltsgleichung lautet: PNiederschlag (engl. precipitation) RAbfluss (engl. runnoff) EEvaporation S Speicherterm

3 Wasserhaushaltsgleichung Für Ökosysteme, Wassereinzugsgebiete, Städte und andere Einheiten kann jeweils die Wasserhaushaltsgleichung formuliert werden: G in Grundwasserzufluss G out Grundwasserabfluss ETEvapotranpiration QAbfluss im Vorfluter Der Speicherterm kann hier als Änderung des Grundwasserspiegels interpretiert werden. Bild: Strahler & Strahler, 1997

4 Wasserhaushaltsgleichung Für spezielle Fragestellungen muss die Wasserhaushaltsgleichung weiter modifiziert werden. z.B. gilt für Untersuchungen an der Bodenoberfläche diese Wasserhaushaltsgleichung: IInfiltration RORO Oberflächenabfluss Ein Speicherterm fällt hier weg, aber die ET für einen kleinen Raum zu bestimmen, ist sehr schwierig. Bild: Strahler & Strahler, 1997

5 Wasserhaushaltsgleichung Eine besondere Rolle in Wäldern spielt die Interzeption Interzeption ist die direkte Aufnahme von Niederschlag (Regen und auch Nebel) durch das Kronendach. Das interzipierte Wasser gelangt u.U. nicht auf den Boden, sondern evaporiert wieder. In der Wassrhaushaltsgleichung (und auch im Energiehaushalt von Waldökosystemen!) muss dieses Glied sehr sorgfältig betrachtet werden, denn: Die Interzeption kann einige Prozent des Wasserhaushaltes ausmachen. Die Interzeption wird mit normaler Niederschlagsmesstechnik nur unzureichend erfasst.

6 Wasserbilanz Bundesrepublik Detuschland (1931 – 1960) nach: BilanzgliedWasserhöhe / mmAnteil / % Niederschlag Verdunstung51962 Interzeption8210 Evaporation von Böden476 Ecaporation von freien Wasserflächen 111 Transpiration37144 Wasserverbrauch81 Abfluss31838 Oberflächenabfluss und Interflow 597 Grundwasserabfluss26031

7 Evapotranspiration Evapotranspiration ist die Summe aus Evaporation und Transpiration Evaporation: Verdunstung von einer freien Wasseroberfläche oder Bodenoberfläche Transpiration: Wasserabgabe durch Pflanzen in die Atmosphäre

8 die Evaporation wird angetrieben durch: Evaporation die Verfügbarkeit an verdampfbarem Wasser (z.B. freie Wasseroberflächen, gesättigte oder ungesättigte Bodenoberfläche) die Verfügbarkeit an Energie i.d.R. in Form von Strahlungsenergie) den Abtransport des in die Grenzschicht evaporierten Wasserdampfes (atmosphärische Turbulenz)

9 die Transpiration wird angetrieben durch den Öffnungszustand der Stomata Dieser wird bei unterschiedlichen Pflanzenarten unterschiedlich gesteuert. Wichtige Steuergrößen sind: : Transpiration Wasserdampfdefizit Boden - Atmosphäre (hohe Transpiration bei wassergesättigtem Boden und gleichzeitig trockener Luft) Strahlung kurzwellige Einstrahlung Abtransport des in die Grenzschicht evaporierten Wasserdampfes (atmosphärische Turbulenz) Bild: Lawrence and Dingman, 1994

10 Evapotranspiration EnergietermVentilationsterm Die Evapotranspiration zu bestimmen ist eine der großen Herausforderungen der Ökosystemforschung und Wasserwirtschaft. Viele unterschiedliche Verfahren, experimentell und aud Modellen basierend, wurden und erden angewendet. Hier werden nur 2 wichtige Verfahren vorgestellt: Das Penman - Verfahren hat große Tradition, es gibt unterschiedliche Varianten. Sogar die Herleitungen sind in der Literatur nicht einheitlich. Wiederum in Abhängigkeit von den aktuellen Randbedingungen können unterschiedliche Varianten vorteilhaft sein. Hier wird die Original-Version nach Penman (1948) vorgestellt (nach Arya, 1988) :

11 Evapotranspiration EnergietermVentilationsterm Für weitere Details siehe Voelesung Umweltmeteorologie und weiterführende Praktika ET pot potenzielle Evapotranspirationkg m -2 s -1 e*Sättigungs-WasserdampfdruckhPa e*aktueller WasserdampfdruckhPa = Steigung der WasserdampfsättigungskurvehPa K -1 Psychrometerkonstante0,667 hPa K -1 Uhorizontale Windgeschwindigkeit in Höhe zm s -1 f(U)Transferkoeffizient für Wasserdampf, in Analogie zum Diffusionskoeffizienten m s -1 BBodenwärmestromW m -2 QsQs StrahlungsbilanzW m -2 Lspez. Verdampfungswärme für Wasser 2.50 · 106 J kg -1

12 Evapotranspiration In einem anderen Ansatz wird für ein Einzugsgebiet die Verdunstung (aktuelle Evapotranspiration) als Restglied der Wasserhaushaltsgleichung berechnet: Annahmen: S = 0 G in = G out Probleme: Interzeption, Speicherterm, Grundwasserströme

13 Wasserbilanz Quelle: Goudie, 2002

14 Grundwasserströmung Quelle: Strahler & Strahler, 2002

15 Darcy - Gleichung Im wassergesättigten Bereich des Untergrundes (Grundwasserkörper) lässt die die Strömung des Grundwassers mit der Darcy-Gleichung beschreiben: dies ist eine eindimensionale stationäre Form der Darcy-Gleichung qwqw Wassermenge, die pro Zeiteinheit durch einen Fließquerschnitt fließt m 3 s -1 kfkf hydraulische Leitfähigkeitm s -1 H hydraulisches Potenzialm3m3 xFließstreckem

16 Darcy - Gleichung die hydraulische Leitfähigkeit hängt sehr stark von der Körnung ab: weiterer Einflussfaktor ist die Porosität

17 Grundwasserströmung Quelle: Lawrence and Dingman, 1994

18 Grundwasserströmung Quelle: Lawrence and Dingman, 1994

19 Wasserbewegung im ungesättigten Bereich im wasserungesättigten Bereich des Bodens findet auch Wasserbewegung statt. diese wird mit der Richardson-Gleichung beschrieben. Einflussgrößen sind: Matrixpotenzial (Kapillarkräfte) Gravitationspotenzial osmotisches Potenzial Wassergehalt räumliche Heterogenität

20 gespannter Grundwasserleiter

21 Wassergehalt

22 Wassergehalt die Feldkapazität ist diejenige Wassermenge, die ein Boden maximal gegen die Schwerkraft zurückhalten kann (bei pF = 1,8). die nutzbare Feldkapazität ist die Feldkapazität abzüglich des Permanenten Welkepunktes. Die nutzbare Feldkapazität ist also das Wasser, das den Pflanzen für Aufnahme durch das Wurzelsystem zur Verfügung steht. Der pF-Wert ist der Logarithmus der Wasserspannung: pF = log ψ m Der Permanente Welkepunkt (PWP) ist der Wassergehalt, bei dem die Pflanzen irreversibel welken (bei pF = 4,2; Totwasseranteil). Anders ausgedrückt, ist Wasser, das mit einem Unterdruckruck von bis zu 15 Atmosphären extrahiert werden kann, gerade noch pflanzenverfügbar.

23 Wassergehalt die sog. pF-WG-Kurve zeigt typischerweise eine ausgeprägte Hysterese:

24 Quelle: Lawrence and Dingman, 1994

25 Quelle: Strahler & Strahler, 2002

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