Vorlesung Hydrologie I  SS 2015 Vorlesung Hydrologie I Dr. Fred Hattermann Do 8.15-9.45 Haus 12 Hattermann@pik-potsdam.de 1

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 http://www.geo.uni- potsdam.de/tl_files/studium/geoecology/bsc/Modulhandbuch_BSc_2014- 03.pdf

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

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

Gliederung Vorlesung I 1. Einführung 1.1. Geschichte der Hydrologie 1.2. Definition von Hydrologie und Wasserwirtschaft 1.3. Aufgaben der wasserwirtschaftlichen Planung 1.4. Beispiele

1.1 Geschichte der Hydrologie „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 ῥεῖ, „Alles fließt“) -> Heraklit, ~520 v. Chr

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 http://de.wikipedia.org/wiki/Nilometer

Verhältnis Weizen/Gerste 1.1 Geschichte der Hydrologie Getreideanbau in Mesopotamien Bewässerung / Versalzung (Gerste ist salztoleranter als Weizen) Jahr v. Chr. kg/ha Gesamtertrag Verhältnis Weizen/Gerste 3500 unbekannt 1:1 2400 1:6 2100 1000 1:50 1700 700 nur Gerste http://de.wikipedia.org/wiki/Geschichte_der_Wassernutzung

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 http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Roman_aqueduct_Tarragona.jpg

1.1 Geschichte der Hydrologie 1674: Erste Abflussmessungen an der Seine durch Perrault und Edmé 1452-1519: Leonardo Da Vinci (verschiedene Studien zur Hydraulik) 1510-1590: Bernard Palissy (artesische Brunnen) 1611-1680: Pierre Perrault „De l‘orgines des fonaines“ 18. Jahrhundert: Weiterentwicklungen in der Regen- und in der Abflussmessung 1717: erste Abflussmessungen in Deutschland Dalton (1766-1844): erste Wasserhaushaltsberechnungen und Definition des Verdunstungsgesetzes Darcy-Gesetz (-> Henry Darcy): Gesetzmäßigkeit der Strömungsmechanik

1.1 Geschichte der Hydrologie 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.

1.2 Definition von Hydrologie und Wasserwirtschaft 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

1.2 Definition von Hydrologie und Wasserwirtschaft

1.2 Definition von Hydrologie und Wasserwirtschaft Aufgaben der Wasserwirtschaft: Bewässerung der Landwirtschaft Wasserversorgung (Trinkwasser, Brauchwasser) Abwasserbehandlung Flussregulierung (Hochwasserschutz, Niedrigwasseraufhöhung, Renaturierung) Melioration/Drainage Wasserkraftnutzung Schifffahrt Fischereiwirtschaft Erholung

1.2 Definition von Hydrologie und Wasserwirtschaft Der Oberrhein bei Breisach Oberrhein nördlich von Basel (Isteiner Klotz) um 1800 (Gemälde von Peter Birrmann, Kunst- museum Basel) 1820 Wasserstraße Rhein nördlich Breisach 1870 1990 Bronstert (2005)

1.2 Definition von Hydrologie und Wasserwirtschaft Wasserwirtschaftliche Planung Entscheidung Planung Bau, Betriebe Dargebot Verteilung Bedarf

1.2 Definition von Hydrologie und Wasserwirtschaft Trinkwasserverbundsystem der Harzwasserwerke

1.2 Definition von Hydrologie und Wasserwirtschaft

1.2 Definition von Hydrologie und Wasserwirtschaft

1.2 Definition von Hydrologie und Wasserwirtschaft Rupelton Mergelschicht künstliche GW-Neubildung Uferfiltrat 50-60 % Uferfiltrat 10 % künstliche GW- Neubildung 30-40 % natürliche GW- Neubildung 360 Mio. m³/a Grundwasserförderung, davon:

1.2 Definition von Hydrologie und Wasserwirtschaft

1.2 Definition von Hydrologie und Wasserwirtschaft Aufgaben der Wasserwirtschaft: → Aufgaben teilweise komplementär, teilweise divergierend → Integrierte überregionale Herangehensweise ist erforderlich → Mehrfachnutzung anstreben → Zukünftige Entwicklung von Wasserdargebot und -bedarf beachten

1.3 Aufgaben der wasserwirtschaftlichen Planung 1.2.1 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.

1.3 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

1.3 Aufgaben der wasserwirtschaftlichen Planung

1.3 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

1.3 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)

1.3 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

1.3 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: Ökologie, Naturschutz, Wasser

1.3 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

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

1.3 Aufgaben der wasserwirtschaftlichen Planung 1.2.2 Internationale Einrichtungen Europäische Union Seit dem 14. Sept. 2001 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

1.3 Aufgaben der wasserwirtschaftlichen Planung EU-Wasserrahmenrichtlinie: Richtlinie zur Schaffung eines Ordnungsrahmens 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: http://ec.europa.eu/environment/water/water-framework Zeitplan:

1.3 Aufgaben der wasserwirtschaftlichen Planung

1.3 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: http://ec.europa.eu/environment/water/flood_risk/key_docs.htm Zeitplan:

1.3 Aufgaben der wasserwirtschaftlichen Planung

1.3 Aufgaben der wasserwirtschaftlichen Planung 1.2.2.2 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 ...

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

1.4 Beispiele 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)

1.4 Beispiele

1.4 Beispiele Aralsee

1.4 Beispiele

1.4 Beispiele Quelle: NASA 2002

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

1.4 Beispiele

1.4 Beispiele Zollenspieker Schmilka

1.4 Beispiele

1.4 Beispiele (Fischer 2006)

1.3 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 4049-1, Ausgabe: 1992-12, 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

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

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

1. Einführung

1. Einführung