Vorlesung Wasserwirtschaft & Hydrologie I

Präsentation zum Thema: "Vorlesung Wasserwirtschaft & Hydrologie I"—  Präsentation transkript:

1 Vorlesung Wasserwirtschaft & Hydrologie I
Themen:  Vorlesung 1 Hydrologie – was ist das ? Definitionen & Teilbereiche Angrenzende Wissenschaften Kennzahlen zum Wasservorkommen Hydrologische Modellierung Skalenbereiche der Modellierung

2 Lehrziele der Veranstaltung
erschaffen bewerten analysieren anwenden Sie beschreiben den Ablauf einer Modellierung mit eigenen Worten fachlich richtig. verstehen … und verstehen den natürlichen Wasserhaushalt / Wasserkreislauf. Sie verstehen das Grundprinzip wasserwirtschaftlicher Modelle. erinnern Sie kennen die unterschiedlichen Aufgabenbereiche der Hydrologie ... Sie kennen die Größenordnungen der unterschiedlichen Wasserressourcen.

3 Der Wasserkreislauf Quelle: Der Brockhaus Multimedial 2000 Niederschlag = Abfluss + Verdunstung + Speicheränderung Wasserhaushaltsgleichung

4 Definition zur Hydrologie
Die Hydrologie ist die Wissenschaft von den Erscheinungsformen des Wassers über auf und unter der Erdoberfläche sowie der Zirkulation des Wassers. (=> Wasserkreislauf) Die Hydrologie beschäftigt sich sowohl mit den quantitativen ökologischen und chemisch/physikalischen Eigenschaften und Wirkungen des Wassers, als auch den Wechselwirkungen des Wassers mit der Umwelt.

5 Die Aufgabenbereiche der Hydrologie
Systematische Analyse und Erforschung der Prozesse des Wasserkreislaufs Theoretische Hydrologie Erhebung, Analyse und Bereitstellung von Grundlagendaten Hydrometrie Erstellung von Modellen zur Simulation hydrologischer Prozesse Ingenieurhydrologie Modellierung des Wasserhaushalts Quantifizierung von Wasserressourcen Ermittlung von Extremabflüssen Bereitstellung hydrologischer Informationen für Planungs- und Bemessungsaufgaben Erstellung von Vorhersagen Operative Hydrologie

6 Hydrologie: eine multidisziplinäre Wissenschaft
Hydrosphäre Klimatologie Atmosphäre Biologie/Zoologie/Ökologie Biosphäre Erdoberfläche Pedosphäre Bodenkunde Geologie Lithosphäre

7 Hydrologie: Angrenzende Wissenschaften
Meteorologie: Die Meteorologie beschäftigt sich mit der Beobachtung, Beschreibung sowie Modellierung und Vorhersage von Klima- und Wetterphänomenen. Die meteorologischen Beobachtung und Messungen beziehen sich auf: Luftdruck Temperatur Feuchtigkeit Windrichtung und -geschwindigkeit Grad der Bewölkung, Wolkenhöhen und Sichtweiten Niederschlag (als Regen oder Schnee) Die Messungen erfolgen sowohl am Boden als auch in der (höheren) Atmosphäre.

8 Hydrologie: Angrenzende Wissenschaften
Hydrogeologie: Die Hydrogeologie ist sowohl ein Teilbereich der Wissenschaft der Hydrologie als auch der Geologie. Sie beschäftigt sich schwerpunktmäßig mit der Prozessabbildung für das Grundwasser und beschreibt die Vorgänge der Aufnahme, Speicherung und Abgabe von Wasser im Erdboden. Die Hydrogeologie wird oftmals als Teilbereich der quantitativen Hydrologie aufgefasst.

9 Hydrologie: Angrenzende Wissenschaften
Limnologie: Die Limnologie beschäftigt sich mit der Beschreibung der biologischen, physikalischen und chemischen Prozesse, die in Seen, Flüssen und Gewässern ablaufen. Im Fokus der limnologischen Forschung stehen die Lebewesen der Seen und Gewässer, die Beschreibung ihrer Interaktionen sowie die Darlegung des Stoffhaushaltes.

10 Die globale Wasser Perspektive
=> Gesamtwasservolumen: 1,4 Mrd km3 => Süßwasseraufkommen: Mio km³ Von Liter ist (potentiell) nur 1 Liter für menschliche Nutzungen verfügbar. Globales Angebot an Frischwasser: km³ verfügbar sind jedoch nur km³ Bildquelle : Ramsar

11 Die globale Wasser Perspektive
Der Wasserbedarf vervierfachte sich zwischen 1940 – 1990, während sich die Bevölkerung “nur” verdoppelte. Nutzungsanteile des weltweiten Wasserverbrauchs: Private Haushalte 9 % Industrie 19 % Landwirtschaft 67 % Verdunstung in Großstaudämmen 5 % 30 – 40 % der weltweiten Nahrungs-mittelproduktion ist abhängig von Bewässerung. Bildquelle : Ramsar

12 Die nationale Wasserbilanz
BMBFLink Quelle: BMBF

13 Wasserkreislauf UNEP Link
Text der UNEP Seite ( The water cycle The water cycle consists of precipitation, vapour transport, evaporation, evapo-transpiration, infiltration, groundwater flow and runoff. Figure 1 explains the global water cycle, illustrating how nearly 577,000 km3 of water circulates through the cycle each year. A table of estimated residence times shows the approximate times that water resources exist as biospheric water, atmospheric water and so on. The world’s surface water is affected by varying levels of precipitation, evaporation and runoff, in different regions. Figure 2 illustrates the different rates at which these processes affect the major regions of the world, and the resulting uneven distribution of freshwater. Water is transported in various forms within the hydrologic cycle. Shiklomanov in Gleick (1993) estimates that each year about 502,800 km3 of water evaporates over the oceans and seas, 90% of which (458,000 km3) returns directly to the oceans through precipitation, while the remainder (44,800 km3) falls over land. With evapo-transpiration and evaporation totalling about 74,200 km3, the total volume in the terrestrial hydrologic cycle is about 119,000 km3. Around 35% of this, or 44,800 km3, is returned to the oceans as run-off from rivers, groundwater and glaciers. A considerable portion of river flow and groundwater percolation never reaches the ocean, having evaporated in internal runoff areas or inland basins which lack outlets to the ocean. However, some groundwater that bypasses the river systems reaches the oceans. Annually the hydrologic cycle circulates nearly 577,000 km3 of water (Gleick, 1993). Quelle: UNEP

14 Süßwasser Ressourcen pro Kontinent
UNEP Link Text von der UNEP Seite ( Freshwater resources: volume by continent Glaciers and ice caps cover about 10% of the world’s landmass. These are concentrated in Greenland and Antarctica and contain 70% of the world’s freshwater. Unfortunately, most of these resources are located far from human habitation and are not readily accessible for human use. According to the United States Geological Survey (USGS), 96% of the world’s frozen freshwater is at the South and North Poles, with the remaining 4% spread over 550,000 km2 of glaciers and mountainous icecaps measuring about 180,000 km3 (UNEP, 1992; Untersteiner, 1975; WGMS, 1998, 2002). Groundwater is by far the most abundant and readily available source of freshwater, followed by lakes, reservoirs, rivers and wetlands. Analysis indicates that:  Groundwater represents over 90% of the world’s readily available freshwater resource (Boswinkel, 2000). About 1.5 billion people depend upon groundwater for their drinking water supply (WRI, UNEP, UNDP, World Bank, 1998).  The amount of groundwater withdrawn annually is roughly estimated at km3, representing about 20% of global water withdrawals (WMO, 1997).  A comprehensive picture of the quantity of groundwater withdrawn and consumed annually around the world does not exist. Most freshwater lakes are located at high altitudes, with nearly 50% of the world’s lakes located in Canada alone. Many lakes, especially those in arid regions, become salty through evaporation, which concentrates the inflowing salts. The Caspian Sea, the Dead Sea, and the Great Salt Lake are among the world’s major salt lakes. Rivers form a hydrologic mosaic, with an estimated 263 international river basins covering 45.3% (231,059,898 km2) of the earth’s land surface, excluding Antarctica (UNEP, Oregon State University et al., in preparation). The total volume of water in the world’s rivers is estimated at 2,115 km3 (Groombridge and Jenkins, 1998). Quelle: UNEP

15 Erneurbares Süßwasseraufkommen
UNEP Link Text von der UNEP Seite ( Renewable surface water produced internally It is difficult to determine the amount of renewable water produced internally from the total renewable water resources (external and internal). However the FAO gives a rather precise definition of this indicator. Internal Renewable Water Resources (IRWR) includes:  Average precipitation: long-term double average over space and time of the precipitation falling on the country in a year.  Surface water produced internally: long-term average annual volume of surface water generated by direct runoff from endogenous precipitation.  Groundwater produced internally: long-term annual average groundwater recharge, generated from precipitation within the boundaries of the country (estimated by the annual infiltration rate (in arid countries) or river base flow (in humid countries).  Overlap between surface water and groundwater: part of the renewable water resources common to both surface water and groundwater. It is equal to groundwater drainage into rivers (typically, base flow of rivers) minus seepage from rivers into aquifers.  Total internal renewable water resources: long-term average annual flow of rivers and recharge of aquifers generated from endogenous precipitation. Double counting of surface water and groundwater resources is avoided by deducting the overlap from the sum of the surface water and groundwater resources. Quelle: UNEP

16 Systemtheorie Eingangsgröße Niederschlag Systemoperation Modell
[zeitvariant] Niederschlag N(t) Systemoperation Modell Ausgangsgröße [zeitvariant] Abfluss Q(t)

17 Die Phasen der NA - Modellierung
Niederschlagsbildung Niederschlagsentstehung als Regen oder Schnee Niederschlagsverteilung Räumliche Verteilung des Niederschlags Abflussbildung Ermittlung des abfluss- wirksamen Niederschlags Abflusskonzentration Translation und Retention Wellenablauf Flood Routing im Gewässer

18 Niederschlagsverteilung

19 Die Niederschlagsverteilung
Quelle: DWD

20 Die Abflussbildung Niederschlag Evaporation abflusswirksamer
Interzeption abflusswirksamer Niederschlag Effektiver Niederschlag Infiltration Evapotranspiration Bodenfeuchte- speicher Perkolation Grundwasserzufluss Grundwasser- speicher

21 Die funktionalen Zusammenhänge bei der Bodenfeuchtesimulation
[%] 20 40 60 80 100 Perkolation Infiltration Evapotranspiration Welkepunkt Feldkapazität Maximale Bodenfeuchte [mm]

22 Kalibrierung von NA - Modellen
Niederschlag [mm/h] [m³/s] Gerechneter Abfluss Gemessener Abfluss

23 Die Datenbasis für NA - Modelle
Teilgebiete Bodendaten Nutzungen NA Modell Speicherdaten NA Modell Gerinnedaten Zeitflächen- Funktionen Digitale Geländedaten Zeitreihen Niederschläge Verdunstung Temperatur Abflüsse

24 GIS Anwendung für NA - Modelle
Teilgebiete Speicher Boden Zeitflächen Nutzungen Gerinne Zeitreihen DGM Teileinzugsgebiete

25 GIS Anwendung für NA - Modelle
Teilgebiete Speicher Boden Zeitflächen Nutzungen Gerinne Zeitreihen DGM Digitale Bodenkarte

26 GIS Anwendung für NA - Modelle
Teilgebiete Speicher Boden Zeitflächen Nutzungen Gerinne Zeitreihen DGM Landnutzung und Versiegelung

27 GIS Anwendung für NA - Modelle
Teilgebiete Speicher Boden Zeitflächen Nutzungen Gerinne Zeitreihen DGM Digitales Geländemodell DGM 25 DGM mit ATKIS Daten

28 Gewinnung von digitalen Höhendaten
Quelle: Topscan Quelle: Topscan

29 Die Hauptzahlen des Abflusses
Niedrigwasserabflüsse NNQ5 niedrigster Niedrigwasserabfluss NQ Niedrigwasserabfluss MNQ mittlerer Niedrigwasserabfluss Mittelwasserabflüsse MQ Mittlerer Abfluss Hochwasserabflüsse MHQ mittlerer Hochwasserabfluss HQX Hochwasserabfluss HHQ höchster Hochwasserabfluss

30 NA Modellierung zur Ausweisung von Überschwemmungsgebieten

31 Die operationelle Hochwasservorhersage
Quelle: MOZ

32 Information von Satellitensystemen

33 Information von Satellitensystemen
Quelle: DWD

34 Austauschzeiten im Wasserkreislauf
Atmosphärenwasser ~10 Tage Flusswasser ~16 Tage Wasser der ungesättigten Bodenzone ~1 Jahr Grundwasser ~1400 Jahre Wasser der Weltmeere ~2500 Jahre Die Austauschzeiten ergeben sich aus dem Quotienten des jeweiligen Gesamtvolumens und dem Abfluss Q: t= V/Q. Die Angaben sollen lediglich zur Abschätzung der Größenordnung dienen.

35 Skalenbereiche bei hydrologischen Prozessen
MakroskaligeAbbildungen Flächeneinheit > 1000 km² Längeneinheit > 30 km MesoskaligeAbbildungen Flächeneinheit > 0,1 km²   1000 km² Längeneinheit > 100 m   30 km MikroskaligeAbbildungen Flächeneinheit > 1000 m²   0,1 km² Längeneinheit > 3 m   100 m

36 Skalen und Modelle Monte Carlo Modelle Erkenntnis Prozess Modelle
Stochastische Modelle Regelbasierte Modelle Monte Carlo Modelle Empirische Verfahren Statistische Verfahren Neuronale Netze Prozess Modelle Fuzzy Modelle Wissen Information Raumskala Makroskala [> 1000 km2] Mesoskala [0,1 bis 1000 km2] Spitzenabfluss [m³/s] Abflussvolumen [m3]