Vorlesung Wasserwirtschaft & Hydrologie I Grundlagen der Verdunstung Bilanzierungsansätze Gebietsverdunstung Jährliche Schwankungen Verdunstungsmessung

erschaffen bewerten analysieren anwenden verstehen erinnern … und können die Verdunstung für unterschiedliche Bodenarten parametrieren. anwenden verstehen Sie verstehen den Unterschied zwischen Evaporation und Transpiration. Sie kennen unterschiedliche Verfahren zur Messung sowie zur Berechnung der Verdunstung. erinnern Sie kennen die Zusammenhänge zwischen den Bodenarten und der Verdunstung …

Verdunstung Die Verdunstung setzt sich aus zwei Teilprozessen zusammen: Evaporation Transpiration Als Evaporation 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. Evapotranspiration Bei hydrologischen Modellierungen wird die Evapotranspiration (als Zusammenfassung beider Prozesse) abgebildet. Bildzitat: Microsoft Corporation

Evapotranspiration 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 langanhaltende Prozessabbildungen sowie in hoher raumzeitlicher Auflösung zu bestimmen.

Verdunstungsprozess Atmosphäre Verdunstung Wasserdargebot Energiedargebot Boden Vegetation Standortbedingungen Entscheidend für die Verdunstung sind: der Dampfdruckgradient das Wasserdargebot das Energiedargebot

Verdunstung aus der Wasserbilanz + P - E +R + ∆W - -R Wasserbilanz 𝑷 + 𝑬 + 𝑹 +𝑾 = 𝟎 P: Niederschlag E: Verdunstung R: Abflusshöhe (ober- und unterirdisch) W: Wasservorratsänderung

Verdunstung aus der Energiebilanz + 𝑹 𝒏 - + H - - LE + + G - Energiebilanz 𝑹 𝒏 + 𝑯 + 𝑮 +𝑳𝑬 = 𝟎 R: Nettostrahlung H: fühlbarer Wärmestrom G: Bodenwärmestrom LE: latenter Wärmestrom

Einflussfaktoren für die Verdunstung 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

Jährliche Verdunstungsverhältnisse Die nachfolgende Tabelle gibt Aufschluss über das Verhältnis der jährlichen Verdunstung zum jährlichen Niederschlag in Abhängigkeit der Vegetation.

Evapotranspiration 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

Jahreszeitliche Schwankung der Verdunstung

Jahreswerte der Verdunstung in Deutschland 100 200 300 400 500 600 700 800 Verdunstung in mm ETa Winter ETp Winter ETa Sommer ETp Sommer ETa Gesamtjahr ETp Gesamtjahr

Verdunstung im Bodenkörper [%] 20 40 60 80 100 Infiltration Evapotranspiration Perkolation Welkepunkt Feldkapazität Maximale Bodenfeuchte [mm]

Funktionale Zusammenhänge bei Sand-Böden [%] 20 40 60 80 100 Evapotranspiration Infiltration Perkolation [mm/dm] 10 20 30 40 50 60 70 WP FK BMAX

Funktionale Zusammenhänge bei Lehm-Böden [%] 20 40 60 80 100 Evapotranspiration Infiltration Perkolation [mm/dm] 10 20 30 40 50 60 70 WP FK BMAX

Funktionale Zusammenhänge bei Ton-Böden [%] 20 40 60 80 100 Evapotranspiration Infiltration Perkolation [mm/dm] 10 20 30 40 50 60 70 WP FK BMAX

Verdunstung in städtischen Gebieten II III IV [mm] Niederschlag [hn] 588 Verdunstung [hv] 335 231 166 102 Grundwasserneubildung [ds] 208 117 118 99 Oberflächenabfluss [ha] 45 240 304 387 hn – hv – ha – ds = 0 Versiegelungsstufen I: 10 – 50 % Einfamilienhaus Siedlung II: 45 – 75 % Blockrandbebauung III: 70 – 90 % Städtische Bebauung IV: 85 – 100 % Innerstädtische Blockbaubweise

Methoden der Verdunstungsermittlung Verdunstungsmessung Methoden der Verdunstungsermittlung Die Messung der Verdunstung kann grundsätzlich über folgende Methoden vorgenommen werden: Wasserbilanzmethode Beispiele: Verdunstungskessel, Lysimeter Wasserdampfstrommethode Energiebilanzmethode

Wägbare Lysimeteranlage hV = hN - h - hS Bildzitat: DVWK Merkblatt 238

Lysimeteranlage für Grünlandstandort Bildzitat: ETH Zürich Bildzitat: ETH Zürich

Verdunstungsfloß Bildzitat: DVWK Merkblatt 238

Kannenmessung Bildzitat: DVWK Merkblatt 238

Spezifische Verdampfungswärme Volumenkörper [1m³] 1 kg / m³ Wasserdampfdichte  1 kg / m² = 1l / m² Grundfläche [1m²] 1 mm 1 kg / m² = 1l / m² = 1mm Spezifische Verdampfungswärme zur Umwandlung von 1 kg Wasser in Wasserdampf 𝐿 ∗ = 2,498 −0,00242𝑇 ∗ 10 6 𝐽 𝑘𝑔 𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖𝑒=𝐴𝑟𝑏𝑒𝑖𝑡

Verdunstungsmessung Dabei wird die Energiebilanz zur Ermittlung der Verdunstungshöhe herangezogen, indem der Verdunstungs-wärmestrom ermittelt wird. −𝐿𝐸= 𝑅 𝑛 +𝐻+𝐺 LE: latenter Wärmestrom Rn: Nettostrahlung H: fühlbarer Wärmestrom G: Bodenwärmestrom Der Tageswert der Verdunstung errechnet sich dann wie folgt: ℎ 𝑣 = 𝐿𝐸 𝐿 𝑚𝑚 𝐿=28,9−0,028∗𝑇 [ 𝑊 𝑚 2 𝑚𝑚 ]

Penman Formel Die Formel von Penman gilt als die bekannteste und beste Näherungsformel für die potentielle Verdunstung. 𝑊=ξ∗Q+(1−ξ)∗ν( 𝐸 𝐿 − 𝑒 𝐿 ) hierbei sind: ξ: temperaturabhängiger Faktor Q: Strahlungsbilanz V: Einflussfaktor der Windgeschwindigkeit (EL-eL): Sättigungsdefizit der Luft Die Penman Formel ist gültig für Flächen mit unbegrenzter Wasserzuführung (z.B. offene Wasserflächen)

Haude Formel Das Verfahren ermöglicht die Berechnung von Tages- und Monatswerten der potentiellen Evapotranspiration. 𝐸𝑇 𝑃𝐻𝐻𝑎𝑢𝑑𝑒 =𝑓∗ 𝑒 𝑠 𝑇 −𝑒 14 [ 𝑚𝑚 𝑑 ] eS(T) – e: Sättigungsdefizit der Luft mit Wasserdampf in hPa zum Messzeitpunkt (14:30 MEZ) F: zeitvarianter Haudefaktor

Turc Verfahren Auf der Basis der Messwerte der Lufttemperatur, der Sonnenscheindauer und der relativen Luftfeuchte erfolgt bei diesem Ansatz die rechnerische Ermittlung von Tageswerten für die potentielle Evapotranspiration. 𝐸𝑇 𝑝𝑇𝑢𝑟𝑐 =0,0031∗𝐶∗ 𝑅 𝑔 +209 ∗ 𝑇 𝑇+15 Rg: 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.

Wasserdampfstrommethode Diese Methode (die für den praktischen Einsatz ungeeignet ist) ermittelt die Verdunstungshöhe hV 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. Bildzitat: Brune Bildzitat: Nauticexpo

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