Vorlesung Hydrologie I   SS 2014 Vorlesung Hydrologie I Dr. Fred Hattermann Do 8.15-9.45 Haus 12 Hattermann@pik-potsdam.de 1 1

Inhalts- und Terminübersicht 1. VL 10.04.14 Einführung 2. VL 17.04.14 Wasserkreislauf 3. VL 24.04.14 Strahlung (1.5.14 Feiertag) 4. VL 08.05.14 Komponenten und Prozesse des Wasserkreislaufs 5. VL 15.05.14 Niederschlag I 6. VL 22.05.14 Niederschlag II (29.05.14 Feiertag) 7. VL 05.06.14 Verdunstung 2

Inhalts- und Terminübersicht 8. VL 12.06.14 Versickerung 9. VL 19.06.14 Infiltration 10. VL 26.06.14 Abfluss I 11. VL 03.07.14 Abfluss II 12. VL 10.07.14 Einheitsganglinie I 13. VL 17.07.14 Einheitsganglinie II 3

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

Wasserkreislauf Niderschlag = Abfluss Verdunstung + + 5

Wasserkreislauf 6

Wasserhaushalt am Beispiel Potsdam 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 ~110m3/s Abfluss am Elbepegel Neu Darchau)

Wasserkreislauf 2.1 Typische Skalen in der Hydrologie 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) 8

} } } Wasserkreislauf 2.1 Typische Skalen in der Hydrologie Fläche Ausdehnung lokal 1 m² Hang 1 ha Einzugsgebiet 1 – 10 000 km² regional 100 000 – 1 Mio km² kontinental bis 10 Mio km² global bis 100 Mio km² } mikro } meso } makro Zeit Dauer Auflösung Ereignis kurzfristig 1 – 1200h 1s – 1h saisonal mittelfristig 1200h – 1a 1h – 1d kontinuierlich langfristig 1 – 100 a 1d – 1a 9

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

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

Wasserkreislauf 2.2 Der globale Wasserkreislauf 2.2 Der Wasserkreislauf im globalen Maßstab 12 Datengrundlage: Endlicher 1991, S. 71.

Wasserkreislauf 2.2 Der globale Wasserkreislauf http://bildungsserver.hamburg.de/wasserressourcen-nav/2182098/wasserressourcen.html Daten nach UNESCO 2003

Wasserkreislauf 2.2 Der globale Wasserkreislauf Niederschlag 14

Wasserkreislauf – Atmosphärischer Transfer

Wasserkreislauf 2.2 Der globale Wasserkreislauf Mittlere Temperatur

Wasserkreislauf 2.2 Der globale Wasserkreislauf Pot. Verdunstung

Wasserkreislauf 2.2 Der globale Wasserkreislauf Akt. Verdunstung

Wasserkreislauf 2.2 Der globale Wasserkreislauf - Abfluss

Wasserkreislauf 2.2 Der globale Wasserkreislauf Rel. Feuchte

Wasserkreislauf 2.2 Der globale Wasserkreislauf Schneemächtigkeit 21

Wasserkreislauf 2.2 Der globale Wasserkreislauf Bodenfeuchte 22

Wasserkreislauf 2.2 Der globale Wasserkreislauf Temperatursummen

Wasserkreislauf 2.2 Der globale Wasserkreislauf Nettoprimärproduktion

Wasserkreislauf 2.2 Der globale Wasserkreislauf Potentielle Vegetation 25

2.3 Wasserflüsse in der Mikroskala (Betrachtungen am Punkt) Freilandniederschlag Bestandsniederschlag Abropfender Niederschlag Aufnahme von Bodenwasser durch die Pflanzenwurzeln Bodenevapotranspiration Wurzelentzug Transpiration der Pflanzen Evapotranspiration von der Pflanzenoberfläche Makroporeninfiltration Matrixinfiltration Wasserbewegung in der Bodenmatrix Interaktion Makroporensystem – Bodenmatrix Muldenrückhalt

2.3 Wasserflüsse in der Mikroskala (Betrachtungen am Punkt) Grundsätzlich unterscheidet man zwischen vertikalen und horizontalen Prozessen: Vertikal: Niederschlag Evapotranspiration Infiltration Transpiration Perkolation Kapillaraufstieg Horizontal Oberflächenabfluss Wolken Zwischenabfluss Abfluss im Gerinne Grundwasserabfluss

2.3 Wasserflüsse in der Mikroskala Herleitung der Wasserhaushaltsgleichung Niederschlag (Freiland ) I(t) [mm/Zeit] Verdunstung: Transpiration +Evaporation +Evapotranspiration T=EV+TR+EVIZ Interzeptionsverlust C [mm] Bestandsniederschlag Inet q0+Δq0 q0 Oberflächenabfluss qz+Δqz qz ΔSuz Zwischenabfluss GW-Spiegel qgw+Δqgw qgw Kontrollvolumen ΔSgw Grundwasserabfluss undurchlässig L*B Massenerhaltung: Änderung der Wassermenge im Kontrollvolumen = Differenzen der Flüsse 28

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

2.3 Wasserflüsse in der Mikroskala Planetarischen Grenzschicht up Geschwindigkeit des Windes Δp Δp = Dicke der Planetarischen Grenzschicht (Reibungsschicht der Atmosphäre) u(z) zr zr = Referenzmaßhöhe (10m) 30

2.4 Wasserkreislauf am Hang

2.3 Wasserflüsse in der Landschaft Heterogenität der Landschaft

2.5 Wasserflüsse in Einzugsgebieten

2.5 Wasserflüsse in Einzugsgebieten Definition Einzugsgebiet control point contour line slope line crestline = watershed rock permeable high permealbe low permeable catchment AC 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.

2.5 Wasserflüsse in Einzugsgebieten Definition Einzugsgebiet

2.5 Wasserflüsse in Einzugsgebieten Elemente eines Einzugsgebietes Settlements/ Infrastructure Soils/ Geology/ Topography Land use Hydrology Climate

2.6 Wasserkreislauf in Deutschland Mittlere Niederschläge und Niederschlagsänderungen Acrobat-Dokument Mean precipitation 1951-2003 Trend in precipitation 1951-2003 Data: Wodinski, Gerstengarbe and Werner, PIK Potsdam

2.6 Wasserkreislauf in Deutschland Verdunstung und Abfluss als Mittel der Jahre 1961-1990 Aktuelle Verdunstung Gesamtabfluss GW-Neubildung Huang et al. 2010

2.6 Wasserkreislauf in Deutschland Die großen Flussgebiete

2.6 Wasserkreislauf in Deutschland Saisonale Wasserflüsse im Elbeeinzugsgebiet Evapotranspiration Niederschag Abfuss

2.6 Wasserkreislauf in Deutschland Niederschlag ~ 790 mm Verdunstung ~ 492 mm Oberird. Abfluss ins Meer ~ 494 mm Zufluss von Oberliegern ~ 199 mm Wasserbilanz der Bundesrepublik Deutschland für die Periode 1961-1990 mit Wasserbedarfs- und Wasserverbrauchszahlen des Jahres 1985 (nach Liebscher(1985)) 41

2.6 Wasserkreislauf in Deutschland Wasserverbrauch Nutzung Mrd. Kubikmeter pro Jahr Prozent Landwirtschaft 0,1 Wärmekraftwerke für die öffentliche Versorgung 24,8 13,2 Bergbau und Verarbeitendes Gewerbe 7,8 4,1 Öffentliche Wasserversorgung 5,4 2,9 Ungenutzt 150,0 79,8 Potentielles Wasserdargebot 188,1 100 Wasserdargebot und Wassernutzung in Deutschland (2001). Daten nach Statistisches Bundesamt.

2.6 Wasserkreislauf in Deutschland Wasserverbrauch

2.6 Wasserkreislauf in Deutschland Wasserverbrauch

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

2.6 Wasserkreislauf in Deutschland Schema der Änderung der Wasserflüsse -> nur T-Anstieg Nur Temperaturanstieg Ohne Klimawandel

2.6 Wasserkreislauf in Deutschland Änderung der Wasserflüsse im Elbeeinzugsgebiet

2.6 Wasserkreislauf in Deutschland Änderung der Wasserflüsse im Elbeeinzugsgebiet

2.6 Wasserkreislauf in Deutschland Änderung der Wasserflüsse im Rheineinzugsgebiet

2.6 Wasserkreislauf in Deutschland Änderung der Wasserflüsse im Rheineinzugsgebiet

2.6 Wasserkreislauf in Deutschland Änderung der Wasserflüsse im Donaueinzugsgebiet

2.6 Wasserkreislauf in Deutschland Änderung der Wasserflüsse im Donaueinzugsgebiet

Inhalts- und Terminübersicht 1. VL 10.04.14 Einführung 2. VL 17.04.14 Wasserkreislauf 3. VL 24.04.14 Strahlung (1.5.14 Feiertag) 4. VL 08.05.14 Komponenten und Prozesse des Wasserkreislaufs 5. VL 15.05.14 Niederschlag I 6. VL 22.05.14 Niederschlag II (29.05.14 Feiertag) 7. VL 05.06.14 Verdunstung 53

Inhalts- und Terminübersicht 8. VL 12.06.14 Versickerung 9. VL 19.06.14 Infiltration 10. VL 26.06.14 Abfluss I 11. VL 03.07.14 Abfluss II 12. VL 10.07.14 Einheitsganglinie I 13. VL 17.07.14 Einheitsganglinie II 54

2.3 Wasserflüsse in der Mikroskala Planetarischen Grenzschicht Windgeschwindigkeiten für geringe Höhen (bis ca. 20m) u* = Schubspannungsgeschwindigkeit ӕ = 0,4 ; Karman-Konstante d = Verdrängungshöhe z0 = Rauhigkeitsparameter z z0 Pflanzenhöhe d u bzw. ӕ ӕ 55