Einführung in die Physische Geographie Teil Klima und Wasser 8. Wasser im Boden, Grundwasser, Evapotranspiration, Wasserbilanz im Ökosystem PD Dr. Otto Klemm Universität Bayreuth BITÖK Klimatologie, 95440 Bayreuth Tel.: 0921-55-5674; FAX: 0921-55-5799 email: klemm@bitoek.uni-bayreuth.de http://www.bitoek.uni-bayreuth.de/~Otto.Klemm Stand: 08/2000 Prof. Dr. Otto Klemm

Wasserhaushaltsgleichung Die allgemeinste Form der Wasserhaushaltsgleichung lautet: P Niederschlag (engl. „precipitation“) R Abfluss (engl. „runnoff“) E Evaporation S Speicherterm

Wasserhaushaltsgleichung Für Ökosysteme, Wassereinzugsgebiete, Städte und andere Einheiten kann jeweils die Wasserhaushaltsgleichung formuliert werden: Gin Grundwasserzufluss Gout Grundwasserabfluss ET Evapotranpiration Q Abfluss im Vorfluter Der Speicherterm kann hier als Änderung des Grundwasserspiegels interpretiert werden. Bild: Strahler & Strahler, 1997

Wasserhaushaltsgleichung Für spezielle Fragestellungen muss die Wasserhaushaltsgleichung weiter modifiziert werden. z.B. gilt für Untersuchungen an der Bodenoberfläche diese Wasserhaushaltsgleichung: I Infiltration RO Oberflächenabfluss Ein Speicherterm fällt hier weg, aber die ET für einen kleinen Raum zu bestimmen, ist sehr schwierig. Bild: Strahler & Strahler, 1997

Wasserhaushaltsgleichung Eine besondere Rolle in Wäldern spielt die Interzeption Interzeption ist die direkte Aufnahme von Niederschlag (Regen und auch Nebel) durch das Kronendach. Das interzipierte Wasser gelangt u.U. nicht auf den Boden, sondern evaporiert wieder. In der Wassrhaushaltsgleichung (und auch im Energiehaushalt von Waldökosystemen!) muss dieses Glied sehr sorgfältig betrachtet werden, denn: Die Interzeption kann einige Prozent des Wasserhaushaltes ausmachen. Die Interzeption wird mit „normaler“ Niederschlagsmesstechnik nur unzureichend erfasst.

Wasserbilanz Bundesrepublik Detuschland (1931 – 1960) Bilanzglied Wasserhöhe / mm Anteil / % Niederschlag 837 100 Verdunstung 519 62 Interzeption 82 10 Evaporation von Böden 47 6 Ecaporation von freien Wasserflächen 11 1 Transpiration 371 44 Wasserverbrauch 8 Abfluss 318 38 Oberflächenabfluss und Interflow 59 7 Grundwasserabfluss 260 31 nach: http://geo4.uibk.ac.at/users/georges/ue_hy03/sitzung05-03-page.pdf

Evapotranspiration ist die Summe aus Evaporation und Transpiration Evaporation: Verdunstung von einer freien Wasseroberfläche oder Bodenoberfläche Transpiration: Wasserabgabe durch Pflanzen in die Atmosphäre

Evaporation die Evaporation wird angetrieben durch: die Verfügbarkeit an verdampfbarem Wasser (z.B. freie Wasseroberflächen, gesättigte oder ungesättigte Bodenoberfläche) die Verfügbarkeit an Energie i.d.R. in Form von Strahlungsenergie) den Abtransport des in die Grenzschicht evaporierten Wasserdampfes (atmosphärische Turbulenz)

Bild: Lawrence and Dingman, 1994 Transpiration die Transpiration wird angetrieben durch den Öffnungszustand der Stomata Dieser wird bei unterschiedlichen Pflanzenarten unterschiedlich gesteuert. Wichtige Steuergrößen sind: : Wasserdampfdefizit Boden - Atmosphäre (hohe Transpiration bei wassergesättigtem Boden und gleichzeitig trockener Luft) Strahlung kurzwellige Einstrahlung Abtransport des in die Grenzschicht evaporierten Wasserdampfes (atmosphärische Turbulenz) Bild: Lawrence and Dingman, 1994

Evapotranspiration „Energieterm“ „Ventilationsterm“ Die Evapotranspiration zu bestimmen ist eine der großen Herausforderungen der Ökosystemforschung und Wasserwirtschaft. Viele unterschiedliche Verfahren, experimentell und aud Modellen basierend, wurden und erden angewendet. Hier werden nur 2 wichtige Verfahren vorgestellt: Das Penman - Verfahren hat „große Tradition“, es gibt unterschiedliche Varianten. Sogar die Herleitungen sind in der Literatur nicht einheitlich. Wiederum in Abhängigkeit von den aktuellen Randbedingungen können unterschiedliche Varianten vorteilhaft sein. Hier wird die Original-Version nach Penman (1948) vorgestellt (nach Arya, 1988): „Energieterm“ „Ventilationsterm“

Evapotranspiration „Energieterm“ „Ventilationsterm“ ETpot potenzielle Evapotranspiration kg m-2 s-1 e* Sättigungs-Wasserdampfdruck hPa aktueller Wasserdampfdruck  = Steigung der Wasserdampfsättigungskurve hPa K-1  Psychrometerkonstante 0,667 hPa K-1 U horizontale Windgeschwindigkeit in Höhe z m s-1 f(U) „Transferkoeffizient für Wasserdampf“, in Analogie zum Diffusionskoeffizienten B Bodenwärmestrom W m-2 Qs Strahlungsbilanz L spez. Verdampfungswärme für Wasser 2.50 · 106 J kg-1 Für weitere Details siehe Voelesung Umweltmeteorologie und weiterführende Praktika

Evapotranspiration In einem anderen Ansatz wird für ein Einzugsgebiet die Verdunstung (aktuelle Evapotranspiration) als Restglied der Wasserhaushaltsgleichung berechnet: Annahmen: S = 0 Gin = Gout Probleme: Interzeption, Speicherterm, Grundwasserströme

Wasserbilanz Quelle: Goudie, 2002

Quelle: Strahler & Strahler, 2002 Grundwasserströmung Quelle: Strahler & Strahler, 2002

Darcy - Gleichung Im wassergesättigten Bereich des Untergrundes (Grundwasserkörper) lässt die die Strömung des Grundwassers mit der Darcy-Gleichung beschreiben: dies ist eine eindimensionale stationäre Form der Darcy-Gleichung qw Wassermenge, die pro Zeiteinheit durch einen Fließquerschnitt fließt m3 s-1 kf hydraulische Leitfähigkeit m s-1 H hydraulisches Potenzial m3 x Fließstrecke m http://water2.uibk.ac.at/de/pdf/0/grundwasser.pdf

Darcy - Gleichung die hydraulische Leitfähigkeit hängt sehr stark von der Körnung ab: weiterer Einflussfaktor ist die Porosität http://www.hydroskript.de/html/_index.html?page=/html/hykp1107.html

Quelle: Lawrence and Dingman, 1994 Grundwasserströmung Quelle: Lawrence and Dingman, 1994

Quelle: Lawrence and Dingman, 1994 Grundwasserströmung Quelle: Lawrence and Dingman, 1994

Wasserbewegung im ungesättigten Bereich im wasserungesättigten Bereich des Bodens findet auch Wasserbewegung statt. diese wird mit der Richardson-Gleichung beschrieben. Einflussgrößen sind: Matrixpotenzial (Kapillarkräfte) Gravitationspotenzial osmotisches Potenzial Wassergehalt räumliche Heterogenität http://water2.uibk.ac.at/de/pdf/0/grundwasser.pdf

gespannter Grundwasserleiter http://water2.uibk.ac.at/de/pdf/0/grundwasser.pdf

Wassergehalt http://www.hydroskript.de/html/_index.html

Wassergehalt Der pF-Wert ist der Logarithmus der Wasserspannung: pF = log ψm Der Permanente Welkepunkt (PWP) ist der Wassergehalt, bei dem die Pflanzen irreversibel welken (bei pF = 4,2; Totwasseranteil). Anders ausgedrückt, ist Wasser, das mit einem Unterdruckruck von bis zu 15 Atmosphären extrahiert werden kann, gerade noch pflanzenverfügbar. die Feldkapazität ist diejenige Wassermenge, die ein Boden maximal gegen die Schwerkraft zurückhalten kann (bei pF = 1,8). die nutzbare Feldkapazität ist die Feldkapazität abzüglich des Permanenten Welkepunktes. Die nutzbare Feldkapazität ist also das Wasser, das den Pflanzen für Aufnahme durch das Wurzelsystem zur Verfügung steht. http://water2.uibk.ac.at/de/pdf/0/grundwasser.pdf

Wassergehalt die sog. pF-WG-Kurve zeigt typischerweise eine ausgeprägte Hysterese: http://www.hydroskript.de/html/_index.html

Quelle: Lawrence and Dingman, 1994

Quelle: Strahler & Strahler, 2002

Quelle: Strahler & Strahler, 2002

Quelle: Strahler & Strahler, 2002