Vorlesung Hydrologie I

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1 Vorlesung Hydrologie I
 SS 2015 Vorlesung Hydrologie I Dr. Fred Hattermann Do Haus 12 1

2 Inhalts- und Terminübersicht
1. VL Einführung 2. VL Wasserkreislauf 3. VL Strahlung 4. VL Komponenten und Prozesse des Wasserkreislaufs 5. VL Niederschlag I 6. VL Niederschlag II 7. VL Verdunstung

3 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

4 2. 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:

5 2. Wasserkreislauf Niderschlag = Abfluss Verdunstung + 5

6 2. Wasserkreislauf 6

7 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)

8 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)

9 } } } 2.1 Typische Skalen in der Hydrologie Fläche Ausdehnung lokal
1 m² Hang 1 ha Einzugsgebiet 1 – km² regional – 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

10 2.1 Typische Skalen in der Hydrologie
Zusammenhang zwischen Raum- und Zeitskalen in der Hydrologie (nach Blöschl, & Niehoff, 2001)

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

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

13 2.2 Der globale Wasserkreislauf
Daten nach UNESCO 2003

14 2.2 Der globale Wasserkreislauf
Niederschlag

15 Wasserkreislauf – Atmosphärischer Transfer

16 2.2 Der globale Wasserkreislauf
Mittlere Temperatur

17 2.2 Der globale Wasserkreislauf
Potentielle Verdunstung

18 2.2 Der globale Wasserkreislauf
Aktuelle Verdunstung

19 2.2 Der globale Wasserkreislauf - Abfluss

20 2.2 Der globale Wasserkreislauf
Relative Feuchte

21 2.2 Der globale Wasserkreislauf
Schneemächtigkeit

22 2.2 Der globale Wasserkreislauf
Bodenfeuchte

23 2.2 Der globale Wasserkreislauf
Temperatur (Summen)

24 2.2 Der globale Wasserkreislauf
Nettoprimärproduktion

25 2.2 Der globale Wasserkreislauf
Potentielle Vegetation

26 2.3 Wasserflüsse in der Mikroskala (Betrachtungen am Punkt)
Freilandniederschlag Bestandsniederschlag Abtropfender 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

27 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

28 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 Zwischenabfluss qz ΔSuz GW-Spiegel qgw+Δqgw qgw Kontrollvolumen ΔSgw Grundwasserabfluss undurchlässig L*B Massenerhaltung: Änderung der Wassermenge im Kontrollvolumen = Differenzen der Flüsse

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

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

31 2.4 Wasserkreislauf am Hang

32 2.5 Wasserflüsse in der Landschaft
Heterogenität der Landschaft

33 2.6 Wasserflüsse in Einzugsgebieten

34 2.6 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.

35 2.6 Wasserflüsse in Einzugsgebieten
Definition Einzugsgebiet

36 2.6 Wasserflüsse in Einzugsgebieten Elemente eines Einzugsgebiet
Settlements/ Infrastructure Soils/ Geology/ Topography Land use Hydrology Climate

37 2.7 Wasserkreislauf in Deutschland
Mittlere Niederschläge und Niederschlagsänderungen Acrobat-Dokument Mean precipitation Trend in precipitation Data: Wodinski, Gerstengarbe and Werner, PIK Potsdam

38 2.7 Wasserkreislauf in Deutschland
Verdunstung & Abfluss als Mittel der Jahre Aktuelle Verdunstung Gesamtabfluss GW-Neubildung Huang et al. 2010

39 2.7 Wasserkreislauf in Deutschland
Die großen Flussgebiete

40 2.7 Wasserkreislauf in Deutschland
Saisonale Wasserflüsse im Elbeeinzugsgebiet Elbe Evapotranspiration Niederschag Abfuss

41 2.7 Wasserkreislauf in Deutschland
Niederschlag ~ 790 mm Verdunstung ~ 492 mm Oberirdischer Abfluss ins Meer ~ 494 mm Zufluss von Oberliegern ~ 199 mm Wasserbilanz der Bundesrepublik Deutschland für die Periode mit Wasserbedarfs- und Wasserverbrauchszahlen des Jahres 1985 (nach Liebscher, 1985)

42 2.7 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.

43 2.7 Wasserkreislauf in Deutschland
Wasserverbrauch

44 2.7 Wasserkreislauf in Deutschland
Wasserverbrauch

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

46 2.7 Wasserkreislauf in Deutschland
Schema Änderung der Wasserflüsse  nur T-Anstieg Nur Temperaturanstieg Ohne Klimawandel

47 2.7 Wasserkreislauf in Deutschland
Änderung der Wasserflüsse im Elbeeinzugsgebiet

48 2.7 Wasserkreislauf in Deutschland
Änderung der Wasserflüsse im Elbeeinzugsgebiet

49 2.7 Wasserkreislauf in Deutschland
Änderung der Wasserflüsse im Rheineinzugsgebiet

50 2.7 Wasserkreislauf in Deutschland
Änderung der Wasserflüsse im Rheineinzugsgebiet

51 2.7 Wasserkreislauf in Deutschland
Änderung der Wasserflüsse im Donaueinzugsgebiet

52 2.7 Wasserkreislauf in Deutschland
Änderung der Wasserflüsse im Donaueinzugsgebiet

53 Inhalts- und Terminübersicht
1. VL Einführung 2. VL Wasserkreislauf 3. VL Strahlung 4. VL Komponenten und Prozesse des Wasserkreislaufs 5. VL Niederschlag I 6. VL Niederschlag II 7. VL Verdunstung

54 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

55 2.3 Wasserflüsse in der Mikroskala Planetarische 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