1 Vorlesung Hydrologie I Fred Hattermann (Vertr. Prof. Axel Bronstert) Übung: Maik Heistermann Do Haus 12 SS 2014

Das gesamte Modul umfasst 9 LP: - VL/Ü Hydrologie - Mittelseminar Hydrologie - VL/Ü Gewässerhydraulik Modulprüfung ist eine Klausur zur Hydrologie. Teilnahmevoraussetzung dafür sind die Hausaufgaben in Gewässerhydraulik. Teilnahmevoraussetzungen: keine Modulbeschreibung für die Hydrologie potsdam.de/tl_files/studium/geoecology/bsc/Modulhandbuch_BSc_ pdf potsdam.de/tl_files/studium/geoecology/bsc/Modulhandbuch_BSc_ pdf

3 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

4 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

„Das Prinzip aller Dinge ist das Wasser. Aus Wasser ist alles und ins Wasser kehrt alles zurück“ (Thales von Milet, 600 v. Chr.) „panta rhei“ (griechisch πάντα ῥ ε ῖ, „Alles fließt“) -> Heraklit, ~520 v. Chr Einführung 1.1 Geschichte der Hydrologie

Einführung 1.1 Geschichte der Hydrologie Starke Verankerung in Religionen (Sintflut, Taufe, rituelle Waschungen) Fast alle frühen Hochkulturen entstanden an Flüssen oder in Flussdeltas Schon früh Probleme mit Wasserextremen, Versalzung, Erosion etc. Nilometer auf der Insel Roda in Kairo

Jahr v. Chr.kg/ha Gesamtertrag Verhältnis Weizen/Gerste 3500unbekannt1: : : nur Gerste Getreideanbau in Mesopotamien Bewässerung / Versalzung (Gerste ist salztoleranter als Weizen) Einführung 1.1 Geschichte der Hydrologie

Z.B. Rom: Auf lange Strecken wurden Druckleitungen vermieden (nur Gefälle - Aquädukte), auf kurzen Strecken gab es aber ein Druckleitungsnetz Einführung 1.1 Geschichte der Hydrologie

Einführung 1.1 Geschichte der Hydrologie 1674: Erste Abflussmessungen an der Seine durch Perrault und Edmé : Leonardo Da Vinci (verschiedene Studien zur Hydraulik) : Bernard Palissy (artesische Brunnen) : Pierre Perrault „De l‘orgines des fonaines“ 18. Jahrhundert: Weiterentwicklungen in der Regen- und in der Abflussmessung 1717: erste Abflussmessungen in Deutschland Dalton ( ): erste Wasserhaushaltsberechnungen und Definition des Verdunstungsgesetzes Darcy-Gesetz (-> Henry Darcy): Gesetzmäßigkeit der Strömungsmechanik

In Deutschland war der Begriff Hydrologie bis in die 1960er Jahre nicht klar definiert. Impuls kam 1963 aus dem Ausland -> „internationale Hydrologische Dekade“ (IHD) der UNESCO (1965 bis 1974). Hydrologie war laut DFG (Deutschen Forschungsgemeinschaft ) im Vergleich zu anderen Ländern in Deutschland völlig rückständig und bedarf für eine Mitarbeit in internationalen Rahmen besonderer Förderung. In den späten 1970er Jahren Studiengang Physische Geographie mit Vertiefung und Abschluss in Hydrologie an der Universität Freiburg ins Leben gerufen. Am 23. September 2011 fand in Koblenz die Gründungs- und erste Mitgliederversammlung der Deutschen Hydrologischen Gesellschaft (DHydroG) statt. Einführung 1.1 Geschichte der Hydrologie

11 Einführung 1.1 Definition von Hydrologie und Wasserwirschaft DIN 4049: Hydrologie: Wissenschaft vom Wasser, seinen Eigenschaften und seinen Erscheinungsformen auf und unter der Landoberfläche Wasserwirtschaft: Zielbewußte Ordnung aller menschlichen Einwirkungen auf das ober- und unterirdische Wasser Wasserkreislauf: Ständige Folge der Zustands- und Ortsänderungen des Wassers mit den Hauptkomponenten Niederschlag, Abfluß, Verdunstung und atmosphärischer Wassertransport

12 Einführung

13 Einführung 1.1 Definition von Hydrologie und Wasserwirschaft Aufgaben der Wasserwirtschaft: 1. Bewässerung der Landwirtschaft 2. Wasserversorgung (Trinkwasser, Brauchwasser) 3. Abwasserbehandlung 4. Flussregulierung (Hochwasserschutz, Niedrigwasseraufhöhung, Renaturierung) 5. Melioration/Drainage 6. Wasserkraftnutzung 7. Schifffahrt 8. Fischereiwirtschaft 9. Erholung

Der Oberrhein bei Breisach Oberrhein nördlich von Basel (Isteiner Klotz) um 1800 (Gemälde von Peter Birrmann, Kunst- museum Basel) Wasserstraße Rhein nördlich Breisach Bronstert (2005) Einführung 1.1 Definition von Hydrologie und Wasserwirschaft

15 Einführung 1.1 Definition von Hydrologie und Wasserwirschaft Wasserwirtschaftliche Planung Dargebot Entscheidung Bedarf Verteilung Planung Bau, Betriebe

16 Trinkwasser- verbundsystem der Harz- wasserwerke Einführung 1.1 Definition von Hydrologie und Wasserwirschaft

Einführung 1.1 Definition von Hydrologie und Wasserwirtschaft

18 4. April 2013 Einführung 1.1 Definition von Hydrologie und Wasserwirschaft

% Uferfiltrat 10 % künstliche GW- Neubildung % natürliche GW- Neubildung 360 Mio. m³/a Grundwasserförderung, davon Rupelton Mergelschicht künstliche GW-Beubildung Uferfiltrat Einführung 1.1 Definition von Hydrologie und Wasserwirtschaft

20 Einführung 1.1 Definition von Hydrologie und Wassertwirschaft Aufgaben der Wasserwirtschaft: → Aufgaben teilweise komplimentär, teilweise divergierend → Integrierte überregionale Herangehensweise ist erforderlich → Mehrfachnutzung anstreben → Zukünftige Entwicklung von Wasserdargebot und -bedarf beachten

21 Einführung 1.2 Aufgaben der wasserwirtschaftlichen Planung Nationale Einrichtungen Gesetzgebung Das Wasserrecht umfaßt die Vorschriften, die zur rechtlichen Ordnung des Wasserhaushaltes erlassen sind. Es enthält Regeln für die Bewirtschaftung des in der Natur vorhandenen Wassers nach Menge und Güte. Seine Schwerpunkte sind der Schutz des Wassers vor Beeinträchtigung, Regelung über die Benutzung der Gewässer sowie Vorkehrungen gegen Gefahren, die vom Wasser drohen.

22 Einführung 1.2 Aufgaben der wasserwirtschaftlichen Planung BUND Aufgabe der Rahmengesetzgebung Verwaltung der bundeseigenen Anlagen: Bundeswasserstraßen, bundeseigene Häfen Rahmengesetzgebung nach Art. 75 Nr. 4 Wasserhaushaltsgesetz (WHG): Die Gewässer sind als Bestandteil des Naturhaushalts so zu bewirtschaften, daß sie dem Wohl der Allgemeinheit und im Einklang mit ihm auch dem Nutzen Einzelner dienen, und daß jede vermeidbare Beeinträchtigung unterbleibt §1a Abs. 1. WHG u.a.  Gesetz über die Umweltverträglichkeitsprüfung  Abwasserabgabengesetz  Wassersicherstellungsgesetz  Gesetz über die Umweltverträglichkeit von Wasch- und Reinigungsmitteln  Bundeswasserstraßengesetz

23 Einführung

24 Einführung 1.2 Aufgaben der wasserwirtschaftlichen Planung LAND  Aufgabe der Länder ist die Grundlagenbeschaffung, also insbesondere die Meßdienste für die darauf aufbauenden wasserwirtschaftlichen Planungen (Sammlung von Grundwasser- und Abflußdaten bezüglich Menge und Güte) sowie die Wahrnehmung der hoheitlich regelnden Verwaltung, insbesondere Zulassung und Überwachung.  Landeswassergesetze WASSERBEHÖRDEN - Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit: Abteilung WA: Wasserwirtschaft, Abfallwirtschaft, Bodenschutz - Umweltbundesamt: „Fachbereich II Gesundheitlicher Umweltschutz, Schutz der Okosysteme“ - Abt. II 2: Wasser - Abt. II 3: Trink- und Badebeckenwasserhygiene - Abt. II 4: Boden

25 Einführung 1.2 Aufgaben der wasserwirtschaftlichen Planung WASSERBEHÖRDEN - Bundesministerium für Forschung und Bildung (BMBF) - Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft und Verbraucherschutz (BMELV): - Biologische Bundesanstalt für Land- und Forstwirtschaft - Bundesministerium für Verkehr: Abteilung WS: Wasserstraßen und Schifffahrt - Bundesanstalt für Wasserbau (BAW) - Bundesanstalt für Gewässerkunde (BfG) - Bundesamt für Schifffahrt und Hydrographie (BSH) - Wasser- und Schifffahrtsdirektionen - Wasser- und Schifffahrtsämter - Deutscher Wetterdienst (DWD) - Bundesministerium für Wirtschaft (BMW): - Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe (BGR) - Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM)

26 Einführung 1.2 Aufgaben der wasserwirtschaftlichen Planung Länderbeispiel Baden-Württemberg Oberste Wasserbehörde: Umweltministerium Baden-Württemberg Fachdienststelle: Landesamt für Umweltschutz, Messungen und Naturschutz Baden-Württemberg (LUBW) Höhere Wasserbehörde: Regierungspräsidien (Karlsruhe, Freiburg, Tübingen, Stuttgart) Untere Wasserbehörde: Stadt- und Landkreise, Amt für Umweltschutz Technische Fachbehörde: Ämter für Wasserwirtschaft und Bodenschutz (ab Juli 1995 Landratsämter und Flußbaudirektionen) Kommunen und Wasserverbände (Selbstverwaltung) Neue Bundesländer z.B. Sachsen-Anhalt  Ministerien für Umwelt und Naturschutz  Landesamt für Umweltschutz (LAU)  Bezirksregierung Staatliches Amt für Umweltschutz

27 Einführung 1.2 Aufgaben der wasserwirtschaftlichen Planung Z.B. Brandenburg Ministerium für Ländliche Entwicklung, Umwelt und Verbraucherschutz (MLUV) mit der zuständigen Abteilung: - Abt. 6: Wasser- und Bodenschutz - Ref 61: Grundsatzfragen Wasser- und Bodenschutzangelegenheiten - Ref 62: Wasserwirtschaft und Gewässerschutz - Ref 63: Wasserversorgung, Abwasserbehandlung, Schuldenmanagement, Altlasten - Ref 64: Hochwasserschutz, Wasserbau, Gewässerunterhaltung - Ref 65: Boden und Umweltgeologie Landesumweltamt (LUA) Brandenburg ist eine wissenschaftlich-technische Landesoberbehörde, die der Dienst- und Fachaufsicht des MLUV untersteht. Die Dienststelle befindet sich in Potsdam mit Aussenstellen in Cottbus und Frankfurt/Oder. Zuständige Abteilung ist: - Abt. ONW: Okologie, Naturschutz, Wasser

28 Einführung 1.2 Aufgaben der wasserwirtschaftlichen Planung Berlin: Senatsverwaltung für Gesundheit, Umwelt und Verbraucherschutz: - Abt II: Integrativer Umweltschutz: - IID Gewässerschutz - IIE Wasserwirtschaft, Wasserrecht, Geologie Andere Bundesländer z.B. Niedersachsen / Nordrhein-Westfalen: Umweltministerium/Ministerium für Umwelt, Raumordnung und Landwirtschaft Landesamt für Ökologie/Wasser- und Abfall (LAWA) Bezirksregierungen/Regierungspräsident Staatliche Ämter für Wasser und Abfall (StAWA)/Wasser und Abfallwirtschaft

Einführung 1.2 Aufgaben der wasserwirtschaftlichen Planung Wer hat das Sagen? DFG-Forschergruppe „Internationale Verwaltung. Entstehung und Entwicklung von Verwaltungsmustern und ihr Einfluss auf die internationale Politikgestaltung“

30 Einführung 1.2 Aufgaben der wasserwirtschaftlichen Planung Internationale Einrichtungen Europäische Union Seit dem 14. Sept gilt in den Staaten der Europäischen Union die EU- Wasserrahmenrichtlinie: Richtlinie des Rates zur Schaffung eines Ordnungsrahmens für Maßnahmen der Gemeinschaft im Bereich der Wasserpolitik - Wasserrahmenrichtlinie (WRRL)  Bewirtschaftungspläne für ganze Flusseinzugsgebiete  den Schutz und die Verbesserung der aquatischen Ökosysteme  die Förderung einer nachhaltigen Nutzung der Wasserressourcen  eine stetige Verringerung der Gewässerverschmutzung durch gefährliche Stoffe entsprechend den Meeresschutzabkommen  eine Verminderung der ökologischen Auswirkungen von Hochwasser und Dürren

31 Einführung 1.2 Aufgaben der wasserwirtschaftlichen Planung EU-Wasserrahmenrichtlinie: Richtlinie zur Schaffung eines Ordnungs- rahmens für Maßnahmen der Gemeinschaft im Bereich Wasserpolitik Ziel:Erhaltung und Verbesserung der Qualität aquatischer Lebensräume und des Grundwassers ->guter ökologischer und chemischer Zustand Inkrafttreten: Dezember 2000 Links: Zeitplan:

33 Einführung 1.2 Aufgaben der wasserwirtschaftlichen Planung EU-Hochwasserrichtlinie: Richtlinie über die Bewertung und das Management von Hochwasserrisiken Ziel:Verringerung der hochwasserbedingten Risiken für Menschen, Eigentum und Umwelt Inkrafttreten: November 2007 Links: Zeitplan:

35 Einführung 1.2 Aufgaben der wasserwirtschaftlichen Planung Andere Internationale Einrichtungen und Programme  WMO  UNESCO: IHP, OHP  International Geosphere and Biosphere Programm (IGBP)  World Climate Research Program (WCRP)  International Decade for Natural Disaster Reduction (IDNDR)  verschiedene internationale Einrichtungen zur Bewirtschaftung großer Flußgebiete ...

Beispiele Nicht genug Wasser: Sommer 2003 Nicht genug Wasser „Badlands“ in Spanien Wasserqualität: Albenblüte Zu viel Wasser: Elbe-Hochwasser 2013 Zu wenig Wasser Sommer 2002

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) Beispiele

39 Beispiele Aralsee

40 Beispiele

41 Quelle: NASA 2002 Beispiele

42. Quelle: 2011 Münchener Rückversicherungs-Gesellschaft, Geo Risks Research, NatCatSERVICE –January 2011 Geophysikalische Ereignisse Erdbeben, Vulkanausbrüche Meteorologische Ereignisse Tropische Stürme, Winterstürme, Hagel, Tornados, Unwetter Hydrologische Ereignisse Sturzflut, Flussüberschwemmungen, Sturmflut, Erdrutsch Klimatologische Ereignisse Hitze- Kältewelle, Waldbrand, Dürre

Beispiele

Schmilka Zollenspieker

(Fischer 2006) Beispiele

48 Einführung 1.2 Aufgaben der wasserwirtschaftlichen Planung 1.3 Allgemeine Literatur zu Hydrologie und Wasserwirtschaft Baumgartner, A. & Liebscher, H.J. (1996): Allgemeine Hydrologie: quantitative Hydrologie, 2. Auflage; Borntraeger, Berlin Bretschneider, Lecher, Schmidt (Herausgeber) (1993): Taschenbuch der Wasserwirtschaft, 7. Auflage; Parey Verlag, Berlin Deutsches Institut für Normung (1992): DIN , Ausgabe: , Hydrologie; Grundbegriffe. Beuth Verlag, Köln Dingman, S.L. (1994): Physical Hydrology; Macmillan Publishing Company, New York Dyck, S. & Peschke, G. (1995): Grundlagen der Hydrologie, 3. Auflage; Verlag für Bauwesen, Berlin Eagelson, P.S. (1970): Dynamic Hydrology; Mc Graw Hill, New York Maidment, D.R. (1993): Handbook of Hydrology; McGraw-Hill, New York Maniak, U. (1997): Hydrologie und Wasserwirtschaft. Eine Einführung für Ingenieure, 4. Auflage; Springer, Berlin Ward, R.C. & Robinson, M. (1990): Principles of Hydrology, 3. Auflage; McGraw- Hill, London

49 Einführung

50 Einführung