VL_Hydrologie_02
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SS 2014
Vorlesung
Hydrologie I
Dr. Fred Hattermann
Do 8.15-9.45
Haus 12
1
[email protected]
Inhalts- und Terminübersicht
1.
2.
3.
VL 10.04.14 Einführung
VL 17.04.14 Wasserkreislauf
VL 24.04.14 Strahlung
(1.5.14 Feiertag)
4.
5.
6.
VL 08.05.14 Komponenten und Prozesse
des Wasserkreislaufs
VL 15.05.14 Niederschlag I
VL 22.05.14 Niederschlag II
(29.05.14 Feiertag)
7.
2
VL 05.06.14 Verdunstung
Inhalts- und Terminübersicht
8.
9.
10.
11.
12.
13.
3
VL 12.06.14 Versickerung
VL 19.06.14 Infiltration
VL 26.06.14 Abfluss I
VL 03.07.14 Abfluss II
VL 10.07.14 Einheitsganglinie I
VL 17.07.14 Einheitsganglinie II
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:
N Q V S
4
Wasserkreislauf
Niderschlag
=
Verdunstung
Abfluss
+
+
Wasserkreislauf
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)
Wasserkreislauf
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)
8
Wasserkreislauf
2.1 Typische Skalen in der Hydrologie
Fläche
Ausdehnung
lokal
Hang
Einzugsgebiet
regional
kontinental
global
} mikro
}
}
meso
makro
1 m²
1 ha
1 – 10 000 km²
100 000 – 1 Mio km²
bis 10 Mio km²
bis 100 Mio km²
Zeit
9
Dauer
Auflösung
Ereignis
kurzfristig
1 – 1200h
1s – 1h
saisonal
mittelfristig
1200h – 1a
1h – 1d
kontinuierlich
langfristig
1 – 100 a
1d – 1a
Wasserkreislauf
2.1 Typische Skalen in der Hydrologie
Zusammenhang zwischen Raum- und
Zeitskalen in der Hydrologie (nach
Blöschl, 1996 und Niehoff, 2001)
Wasserkreislauf
2.2 Der globale Wasserkreislauf
2.2 Der Wasserkreislauf im globalen Maßstab
12
Datengrundlage: Endlicher 1991, S. 71.
Wasserkreislauf
2.2 Der globale Wasserkreislauf
http://bildungsserver.hamburg.de/wasserressourcen-nav/2182098/wasserressourcen.html
Daten nach UNESCO 2003
Wasserkreislauf
2.2 Der globale Wasserkreislauf
Niederschlag
14
Wasserkreislauf – Atmosphärischer Transfer
Wasserkreislauf
2.2 Der globale Wasserkreislauf
Mittlere
Temperatur
Wasserkreislauf
2.2 Der globale Wasserkreislauf
Pot. Verdunstung
Wasserkreislauf
2.2 Der globale Wasserkreislauf
Akt. Verdunstung
Wasserkreislauf
2.2 Der globale Wasserkreislauf - Abfluss
Wasserkreislauf
2.2 Der globale Wasserkreislauf
Rel. Feuchte
Wasserkreislauf
2.2 Der globale Wasserkreislauf
Schneemächtigkeit
21
Wasserkreislauf
2.2 Der globale Wasserkreislauf
Bodenfeuchte
22
Wasserkreislauf
2.2 Der globale Wasserkreislauf
Temperatursummen
Wasserkreislauf
2.2 Der globale Wasserkreislauf
Nettoprimärproduktion
Wasserkreislauf
2.2 Der globale Wasserkreislauf
Potentielle Vegetation
25
2.3 Wasserflüsse in der Mikroskala
(Betrachtungen am Punkt)
1. Freilandniederschlag
2. Bestandsniederschlag
3. Abropfender Niederschlag
4. Aufnahme von Bodenwasser durch
die Pflanzenwurzeln
5. Bodenevapotranspiration
6. Wurzelentzug
7. Transpiration der Pflanzen
8. Evapotranspiration von der
Pflanzenoberfläche
9. Makroporeninfiltration
10. Matrixinfiltration
11. Wasserbewegung in der
Bodenmatrix
12. Interaktion Makroporensystem –
Bodenmatrix
13. Muldenrückhalt
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
2.3 Wasserflüsse in der Mikroskala
Herleitung der Wasserhaushaltsgleichung
Niederschlag (Freiland ) I(t) [mm/Zeit]
Verdunstung:
Transpiration
+Evaporation
+Evapotranspiration
T=EV+TR+EVIZ
q0
qz
Interzeptionsverlust C [mm]
Bestandsniederschlag Inet
ΔSuz
q0+Δq0
Oberflächenabfluss
qz+Δqz
Zwischenabfluss
GW-Spiegel
Kontrollvolumen
qgw
ΔSgw
qgw+Δqgw
Grundwasserabfluss
undurchlässig
28
L*B
Massenerhaltung: Änderung der Wassermenge im
Kontrollvolumen = Differenzen der Flüsse
2.3 Wasserflüsse in der Mikroskala
Herleitung der Wasserhaushaltsgleichung
Massenerhaltung: Änderung der Wassermenge im
Kontrollvolumen = Differenzen der Flüsse
d
Suz SGW q0 qz qGW A I C ET
dt
S t q0 qz qGW A t I C ET
N
S
q0 qz qGW
A
A
A
A
N V
SR Q0 Qz QGW N V
29
V=-C-ET
Wasserhaushaltsgleichung
2.3 Wasserflüsse in der Mikroskala
Planetarischen Grenzschicht
up
Δp
Geschwindigkeit
des Windes
Δp = Dicke der Planetarischen
Grenzschicht
zr
u(z)
zr = Referenzmaßhöhe (10m)
30
(Reibungsschicht der Atmosphäre)
2.4 Wasserkreislauf am Hang
2.3 Wasserflüsse in der Landschaft
Heterogenität der Landschaft
2.5 Wasserflüsse in Einzugsgebieten
OF-Abfluss
Perkolation
GW-Neubildung
Interflow
Pflanzenaufnahme
Basi sabfluss
2.5 Wasserflüsse in Einzugsgebieten
Definition Einzugsgebiet
catchment AC
low permeable
high
permealbe
permeable
Das Einzugsgebiet ist das Gebiet bzw. die Fläche, aus
der ein Gewässersystem
seinen
Abfluss
bezieht.
rock
rock
Es ist grundsätzlich zu unterscheiden zwischen dem
oberirdischen und dem unterirdischen Einzugsgebiet.
control point
2.5 Wasserflüsse in Einzugsgebieten
Definition Einzugsgebiet
2.5 Wasserflüsse in Einzugsgebieten
Elemente eines Einzugsgebietes
Climate
Hydrology
Land use
Soils/
Geology/
Topography
Settlements/
Infrastructure
2.6 Wasserkreislauf in Deutschland
Mittlere Niederschläge und Niederschlagsänderungen
Acrobat-Dokument
Mean precipitation 1951-2003
Trend in precipitation 1951-2003
Data: Wodinski, Gerstengarbe and Werner, PIK Potsdam
2.6 Wasserkreislauf in Deutschland
Verdunstung und Abfluss als Mittel der Jahre 1961-1990
Aktuelle Verdunstung
Gesamtabfluss
GW-Neubildung
Huang et al. 2010
2.6 Wasserkreislauf in Deutschland
Die großen Flussgebiete
8°0'0"E
10°0'0"E
12°0'0"E
14°0'0"E
16°0'0"E
54°0'0"N
54°0'0"N
6°0'0"E
#
#
#
##
50°0'0"N
#
#
#
---
#
## #
#
#
-
#
#
50°0'0"N
#
-
-
#
-
#
6°0'0"E
8°0'0"E
10°0'0"E
12°0'0"E
14°0'0"E
48°0'0"N
#
#
#
#
#
#
-
-
-
48°0'0"N
#
#
-
-
52°0'0"N
##
-
#
52°0'0"N
#
- ---- ---
-
2.6 Wasserkreislauf in Deutschland
Saisonale Wasserflüsse im Elbeeinzugsgebiet
120.0
Avarage [mm]
100.0
Elbe
Evapotranspiration
80.0
60.0
Niederschag
40.0
Abfuss
20.0
0.0
1
2
3
4
5
6
7
month
8
9
10
11
12
2.6 Wasserkreislauf in Deutschland
Niederschlag ~ 790 mm
Verdunstung ~ 492 mm
Oberird.
Abfluss ins
Meer
~ 494 mm
Zufluss von
Oberliegern
~ 199 mm
Wasserbilanz der Bundesrepublik Deutschland für die Periode 1961-1990 mit
Wasserbedarfs- und Wasserverbrauchszahlen des Jahres 1985 (nach Liebscher(1985))
41
2.6 Wasserkreislauf in Deutschland
Wasserverbrauch
Nutzung
Mrd. Kubikmeter pro Jahr
Prozent
Landwirtschaft
0,1
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.
2.6 Wasserkreislauf in Deutschland
Wasserverbrauch
2.6 Wasserkreislauf in Deutschland
Wasserverbrauch
Wasserkreislauf
2.2 Der globale Wasserkreislauf
Der Wasserkreislauf wird durch den (solaren)
Energieinput gesteuert!
45
Datengrundlage: Endlicher 1991, S. 71.
2.6 Wasserkreislauf in Deutschland
Schema der Änderung der Wasserflüsse -> nur T-Anstieg
Abfluss [m3 s-1]
Nur Temperaturanstieg
Ohne Klimawandel
Jan.
Mär.
Mai
Jul.
Sep.
Nov.
46
2.6 Wasserkreislauf in Deutschland
Änderung der Wasserflüsse im Elbeeinzugsgebiet
2.6 Wasserkreislauf in Deutschland
Änderung der Wasserflüsse im Elbeeinzugsgebiet
2.6 Wasserkreislauf in Deutschland
Änderung der Wasserflüsse im Rheineinzugsgebiet
2.6 Wasserkreislauf in Deutschland
Änderung der Wasserflüsse im Rheineinzugsgebiet
2.6 Wasserkreislauf in Deutschland
Änderung der Wasserflüsse im Donaueinzugsgebiet
2.6 Wasserkreislauf in Deutschland
Änderung der Wasserflüsse im Donaueinzugsgebiet
Inhalts- und Terminübersicht
1.
2.
3.
VL 10.04.14 Einführung
VL 17.04.14 Wasserkreislauf
VL 24.04.14 Strahlung
(1.5.14 Feiertag)
4.
5.
6.
VL 08.05.14 Komponenten und Prozesse
des Wasserkreislaufs
VL 15.05.14 Niederschlag I
VL 22.05.14 Niederschlag II
(29.05.14 Feiertag)
7.
53
VL 05.06.14 Verdunstung
Inhalts- und Terminübersicht
8.
9.
10.
11.
12.
13.
54
VL 12.06.14 Versickerung
VL 19.06.14 Infiltration
VL 26.06.14 Abfluss I
VL 03.07.14 Abfluss II
VL 10.07.14 Einheitsganglinie I
VL 17.07.14 Einheitsganglinie II
2.3 Wasserflüsse in der Mikroskala
Planetarischen Grenzschicht
Windgeschwindigkeiten für geringe Höhen (bis ca. 20m)
u* = Schubspannungsgeschwindigkeit
ӕ = 0,4 ; Karman-Konstante
z
d = Verdrängungshöhe
z0 = Rauhigkeitsparameter
z0
Pflanzenhöhe
d
u
u
55
u*
ӕ
ln
z
z0
bzw.
u*
ӕ
zd
ln
z0