Vorlesung Wasserwirtschaft & Hydrologie I

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

1 Vorlesung Wasserwirtschaft & Hydrologie I
Themen: Grundlagen der Verdunstung Bilanzierungsansätze Gebietsverdunstung Jährliche Schwankungen Verdunstungsmessung

2 Verdunstung Die Verdunstung setzt sich aus zwei Teilprozessen zusammen: Evaporation Transpiration Als Evoporation wird die Verdunstung über freien Wasserflächen (Seen) sowie von vegetationsfreien Landflächen bezeichnet. Bei der Transpiration handelt es sich um die Verdunstung über die Oberfläche von Pflanzen. Bei hydrologischen Modellierungen wird die Evapotranspiration (als Zusammenfassung beider Prozesse) abgebildet.

3 Evapotranspiration Die Evapotranspiration ist eine ausschlaggebende Größe bei folgenden Aufgabenstellungen: Wasserhaushaltsbilanzierungen Ermittlung des langjährigen Wasserdargebots Niederschlag - Abfluss Modellierungen Wachstums- und Ertragsmodelle der Land- und Forstwirtschaft Für diese Fragestellungen ist es notwendig, die (möglichst) exakte Größe der Evapotranspiration sowohl als Mittelwert für langan-haltende Prozessabbildungen sowie in hoher raumzeitlicher Auflösung zu bestimmen.

4 Boden Vegetation Standortbedingungen
Verdunstungsprozess Atmosphäre Verdunstung Wasserdargebot Energiedargebot Boden Vegetation Standortbedingungen Entscheidend für die Verdunstung sind: der Dampfdruckgradient das Wasserdargebot das Energiedargebot

5 Verdunstung aus der Wasserbilanz
P + - E +R W + - -R Wasserbilanz P + E + R + W = 0 P: Niederschlag E: Verdunstung R: Abflusshöhe (ober- und unterirdisch) W: Wasservorratsänderung

6 Verdunstung aus der Energiebilanz
Rn + - + H - + LE - + G - Energiebilanz Rn + H + G +LE = 0 R: Nettostrahlung H: fühlbarer Wärmestrom G: Bodenwärmestrom LE: latenter Wärmestrom

7 Einflussfaktoren für die Verdunstung
Abhängigkeit der Verdunstung Die Verdunstung ist physikalisch von folgenden Faktoren abhängig: der Differenz des Dampfdruckes an der Oberfläche und dem Dampfdruck der oberflächennahen Luft der Energie, die an der Oberfläche zur Verfügung steht der Menge des Wasserdampfes, die in der Luft transportiert wird der Menge des Wassers, das an der Oberfläche vorhanden ist oder dahin transportiert wird

8 Jährliche Verdunstungsverhältnisse
Die nachfolgende Tabelle gibt Aufschluss über das Verhältnis der jährlichen Verdunstung zum jährlichen Niederschlag in Abhängigkeit der Vegetation.

9 Evapotranspiration Es gilt: ETP  ETR
Bei den Angaben zur Verdunstung wird unterschieden zwischen Potentielle Verdunstung ETP Reale Verdunstung ETR Die potentielle Verdunstung ETP ist eine Rechengröße, die angibt, wie viel Wasser bei gegebenen meteorologischen Verhältnissen verdunsten würde, falls unbegrenzte Wassermengen zur Verfügung stehen. Die tatsächliche oder reale Verdunstung ETR wird bei den vorhandenen Wassermengen und klimatischen Bedingungen (beispielsweise per Lysimeter) gemessen. Es gilt: ETP  ETR

10 Jahreswerte der Verdunstung in Deutschland
100 200 300 400 500 600 700 800 Verdunstung in mm ETa Winter ETp Winter ETa Sommer ETp Sommer ETa Gesamtjahr ETp Gesamtjahr

11 Jahreszeitliche Schwankung der Verdunstung

12 Verdunstung im Bodenkörper
[%] 20 40 60 80 100 Perkolation Infiltration Evapotranspiration Welkepunkt Feldkapazität Maximale Bodenfeuchte [mm]

13 Funktionale Zusammenhänge bei Sand-Böden
[%] 20 40 60 80 100 Infiltration Evapotranspiration Perkolation [mm/dm] 10 20 30 40 50 60 70 WP FK BMAX

14 Funktionale Zusammenhänge bei Lehm-Böden
[%] 20 40 60 80 100 Evapotranspiration Perkolation Infiltration [mm/dm] 10 20 30 40 50 60 70 WP FK BMAX

15 Funktionale Zusammenhänge bei Ton-Böden
[%] 20 40 60 80 100 Evapotranspiration Infiltration Perkolation [mm/dm] 10 20 30 40 50 60 70 WP FK BMAX

16 Verdunstung in städtischen Gebieten

17 Verdunstungsmessung Methoden der Verdunstungsermittlung
Die Messung der Verdunstung kann grundsätzlich über folgende Methoden vorgenommen werden: Wasserbilanzmethode Beispiele: Verdunstungskessel Lysimeter Wasserdampfstrommethode Energiebilanzmethode

18 Wägbare Lysimeteranlage
Bildquelle: DVWK Merkblatt 238 hV = hN - h - hS

19 Lysimeteranlage für Grünlandstandort
Bildquelle: ETH Zürich

20 Bildquelle: DVWK Merkblatt 238
Verdunstungsfloß Bildquelle: DVWK Merkblatt 238

21 Bildquelle: DVWK Merkblatt 238
Kannenmessung Bildquelle: DVWK Merkblatt 238

22 Spezifische Verdampfungswärme
Volumenkörper [1m³] 1 kg / m³ Wasserdampfdichte  1 kg / m² = 1l / m² Grundfläche [1m²] 1 mm 1 kg / m² = 1l / m² = 1mm Spezifische Verdampfungswärme zur Umwandlung von 1 kg Wasser in Wasserdampf

23 Verdunstungsmessung Dabei wird die Energiebilanz zur Ermittlung der Verdunstungshöhe herangezogen, indem der Verdunstungswärmestrom ermittelt wird. LE: latenter Wärmestrom Rn: Nettostrahlung H: fühlbarer Wärmestrom G: Bodenwärmestrom Der Tageswert der Verdunstung errechnet sich dann wie folgt:

24 Penman Formel ) e (E ν ζ) (1 Q ζ W - × + =
Die Formel von Penman gilt als die bekannteste und beste Näherungsformel für die potentielle Verdunstung. ) e (E ν ζ) (1 Q ζ W L - × + = hierbei sind: ξ = temperaturabhängiger Faktor Q = Strahlungsbilanz v = Einflussfaktor der Windgeschwindigkeit (EL-eL) = Sättigungsdefizit der Luft Die Penman Formel ist gültig für Flächen mit unbegrenzter Wasserzuführung (z.B. offene Wasserflächen)

25 Haude Formel Das Verfahren ermöglicht die Berechnung von Tages- und Monatswerten der potentiellen Evapotranspiration. eS(T) – e Sättigungsdefizit der Luft mit Wasserdampf in hPa zum Messzeitpunkt (14:30 MEZ) f zeitvarianter Haudefaktor

26 Turc Verfahren Auf der Basis der Messwerte der Lufttemperatur, der Sonnen-scheindauer und der relativen Luftfeuchte erfolgt bei diesem Ansatz die rechnerische Ermittlung von Tageswerten für die potentielle Evapotranspiration. Rg Globalstrahlung [J/cm²] T Tagesmittelwert der Lufttemperatur [C°] C Faktor in Abhängigkeit der mittleren Luftfeuchte Die Anwendung dieser Methode kann nicht bei negativen Tagestemperaturen erfolgen.

27 Wasserdampfstrommethode
Diese Methode (die für den praktischen Einsatz ungeeignet ist) ermit-telt die Verdunstungshöhe hV durch die direkte Messung der relativen Luftfeuchtigkeit in der Vertikalen sowie der Windgeschwindigkeit. Das Ergebnis ist nur belastbar, wenn die Messgrößen in hoher zeitlicher Detaillierung (kurze Messintervalle) vorliegen. Bildquellen: Thies Clima