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Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Vorlesung Wasserwirtschaft & Hydrologie I Themen: Vorlesung 4 Grundlagen der Verdunstung Bilanzierungsansätze Gebietsverdunstung.

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1 Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Vorlesung Wasserwirtschaft & Hydrologie I Themen: Vorlesung 4 Grundlagen der Verdunstung Bilanzierungsansätze Gebietsverdunstung Jährliche Schwankungen Verdunstungsmessung

2 Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Die Verdunstung setzt sich aus zwei Teilprozessen zusammen: Evaporation Transpiration Als Evoporation wird die Verdunstung über freien Wasserflächen (Seen) sowie von vegetationsfreien Landflächen bezeichnet. Bei der Transpiration handelt es sich um die Verdunstung über die Oberfläche von Pflanzen. Bei hydrologischen Modellierungen wird die Evapotranspiration (als Zusammenfassung beider Prozesse) abgebildet. Verdunstung

3 Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Die Evapotranspiration ist eine ausschlaggebende Größe bei folgenden Aufgabenstellungen: Wasserhaushaltsbilanzierungen Ermittlung des langjährigen Wasserdargebots Niederschlag - Abfluss Modellierungen Wachstums- und Ertragsmodelle der Land- und Forstwirtschaft Für diese Fragestellungen ist es notwendig, die (möglichst) exakte Größe der Evapotranspiration sowohl als Mittelwert für langan- haltende Prozessabbildungen sowie in hoher raumzeitlicher Auflösung zu bestimmen. Evapotranspiration

4 Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Atmosphäre Wasserdargebot Energiedargebot Boden Vegetation Standortbedingungen Verdunstung Entscheidend für die Verdunstung sind: der Dampfdruckgradient das Wasserdargebot das Energiedargebot Verdunstungsprozess

5 Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken P + -R +R W + - Wasserbilanz P + E + R +  W = 0 P: Niederschlag E: Verdunstung R: Abflusshöhe (ober- und unterirdisch)  W: Wasservorratsänderung - E Verdunstung aus der Wasserbilanz

6 Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken RnRn + -+H - + LE - + G - Energiebilanz R n + H + G +LE = 0 R: Nettostrahlung H: fühlbarer Wärmestrom G: Bodenwärmestrom LE: latenter Wärmestrom Verdunstung aus der Energiebilanz

7 Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Abhängigkeit der Verdunstung Die Verdunstung ist physikalisch von folgenden Faktoren abhängig: der Differenz des Dampfdruckes an der Oberfläche und dem Dampfdruck der oberflächennahen Luft der Energie, die an der Oberfläche zur Verfügung steht der Menge des Wasserdampfes, die in der Luft transportiert wird der Menge des Wassers, das an der Oberfläche vorhanden ist oder dahin transportiert wird Einflussfaktoren für die Verdunstung

8 Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Die nachfolgende Tabelle gibt Aufschluss über das Verhältnis der jährlichen Verdunstung zum jährlichen Niederschlag in Abhängigkeit der Vegetation. Jährliche Verdunstungsverhältnisse

9 Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Bei den Angaben zur Verdunstung wird unterschieden zwischen Potentielle Verdunstung ETP Reale Verdunstung ETR Die potentielle Verdunstung ETP ist eine Rechengröße, die angibt, wie viel Wasser bei gegebenen meteorologischen Verhältnissen verdunsten würde, falls unbegrenzte Wassermengen zur Verfügung stehen. Die tatsächliche oder reale Verdunstung ETR wird bei den vorhandenen Wassermengen und klimatischen Bedingungen (beispielsweise per Lysimeter) gemessen. Es gilt: ETP  ETR Evapotranspiration

10 Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Verdunstung in mm ETa Winter ETp Winter ETa Sommer ETp Sommer ETa Gesamtjahr ETp Gesamtjahr Jahreswerte der Verdunstung in Deutschland

11 Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Jahreszeitliche Schwankung der Verdunstung

12 Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken WelkepunktFeldkapazitätMaximale Bodenfeuchte [mm] [%] Perkolation Infiltration Evapotranspiration Verdunstung im Bodenkörper

13 Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken [%] Funktionale Zusammenhänge bei Sand-Böden [mm/dm] WPFKBMAX Perkolation Evapotranspiration Infiltration

14 Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken [%] Funktionale Zusammenhänge bei Lehm-Böden [mm/dm] Perkolation Infiltration WPFKBMAX Evapotranspiration

15 Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken [%] Funktionale Zusammenhänge bei Ton-Böden [mm/dm] Perkolation Evapotranspiration Infiltration WPFKBMAX

16 Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Verdunstung in städtischen Gebieten

17 Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Die Messung der Verdunstung kann grundsätzlich über folgende Methoden vorgenommen werden: Wasserbilanzmethode Wasserdampfstrommethode Energiebilanzmethode Beispiele: Verdunstungskessel Lysimeter Methoden der Verdunstungsermittlung Verdunstungsmessung

18 Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Bildquelle: DVWK Merkblatt 238 h V = h N - h h - hShS Wägbare Lysimeteranlage

19 Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Lysimeteranlage für Grünlandstandort Bildquelle: ETH Zürich

20 Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Bildquelle: DVWK Merkblatt 238 Verdunstungsfloß

21 Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Bildquelle: DVWK Merkblatt 238 Kannenmessung

22 Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Volumenkörper [1m³] 1 kg / m³ Wasserdampfdichte  1 kg / m² = 1l / m² 1 kg / m² = 1l / m² = 1mm 1 mm Grundfläche [1m²] Spezifische Verdampfungswärme zur Umwandlung von 1 kg Wasser in Wasserdampf Spezifische Verdampfungswärme

23 Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Dabei wird die Energiebilanz zur Ermittlung der Verdunstungshöhe herangezogen, indem der Verdunstungswärmestrom ermittelt wird. Der Tageswert der Verdunstung errechnet sich dann wie folgt: Verdunstungsmessung LE: latenter Wärmestrom R n : Nettostrahlung H: fühlbarer Wärmestrom G: Bodenwärmestrom

24 Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Die Formel von Penman gilt als die bekannteste und beste Näherungsformel für die potentielle Verdunstung. hierbei sind: ξ = temperaturabhängiger Faktor Q = Strahlungsbilanz v = Einflussfaktor der Windgeschwindigkeit (E L -e L ) = Sättigungsdefizit der Luft Die Penman Formel ist gültig für Flächen mit unbegrenzter Wasserzuführung (z.B. offene Wasserflächen) )e(Eνζ)(1QζW LL  Penman Formel

25 Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Das Verfahren ermöglicht die Berechnung von Tages- und Monatswerten der potentiellen Evapotranspiration. e S (T) – e Sättigungsdefizit der Luft mit Wasserdampf in hPa zum Messzeitpunkt (14:30 MEZ) f zeitvarianter Haudefaktor Haude Formel

26 Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Auf der Basis der Messwerte der Lufttemperatur, der Sonnen- scheindauer und der relativen Luftfeuchte erfolgt bei diesem Ansatz die rechnerische Ermittlung von Tageswerten für die potentielle Evapotranspiration. R g Globalstrahlung [J/cm²] T Tagesmittelwert der Lufttemperatur [C°] C Faktor in Abhängigkeit der mittleren Luftfeuchte Die Anwendung dieser Methode kann nicht bei negativen Tagestemperaturen erfolgen. Turc Verfahren

27 Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Diese Methode (die für den praktischen Einsatz ungeeignet ist) ermit- telt die Verdunstungshöhe h V durch die direkte Messung der relativen Luftfeuchtigkeit in der Vertikalen sowie der Windgeschwindigkeit. Das Ergebnis ist nur belastbar, wenn die Messgrößen in hoher zeitlicher Detaillierung (kurze Messintervalle) vorliegen. Bildquellen: Thies Clima Wasserdampfstrommethode


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