Grundlagen der Hydrologie
Das Thema befasst sich mit dem Studien-Inhalt der Vorlesung Grundlagen der Hydrologie. Es umfasst unter andrem die Themen: Niedrig-, Hochwasser, Einzugsgebiete, Bodenwasser und einige mehr.
Das Thema befasst sich mit dem Studien-Inhalt der Vorlesung Grundlagen der Hydrologie. Es umfasst unter andrem die Themen: Niedrig-, Hochwasser, Einzugsgebiete, Bodenwasser und einige mehr.
NM7Q
In jedem Jahr das kleinste 7 Tage Mittel
Wie entstehen Seen?
Graphik aus der Vorlesung
Welche Einzugsgebietseigenschaften bewirken eine Erhöhung der Niedrigwasserabflussspende?
Entleerung der Speicher
Unter welchen Bedingungen bildet sich Niederschlag?
Wasserverfügung, hohe Energiezufuhr, hohes Sättigungsdefizit
Was gibt es bei Abflussdaten kritisch zu prüfen?
Fehlermöglichkeiten, kontinuität der Messungen, Wo gemessen wurde
Welche Daten zeigen Abfluss-Informationssysteme?
Veränderung des Wasserstandes in Abhängigkeit der Zeit
Warum ist Infiltration wichtig?
Beeinflusst maßgeblich alle Komponenten des Wasserkreislaufs
Hydraulisches Potential
Gravitationspotential + Matrixpotential
Welches Konzept verbirgt sich hinter dem Taggradverfahren (auch: Temperaturindex Verfahren genannt)?
Taggradverfahren Modell
• Einschichtmodell
• Input: Lufttemperatur, Niederschlag, Albedo, (evtl plus Luftfeuchte und Windgeschwindigkeit)
• Tagesgradansatzmit Albedofaktor für Schmelze
M = a * (T0- Tgrenz) * delta t /24
Einfluss der Vorfeuchte auf Infiltration
Hohe Vorfeuchte: recht langsame Infiltration
Geringe Vorfeuchte: nach bestimmter Zeit schnelle Infiltration
grünes Wasser
Regenwasser, das auf Ackerflächen verdunstet um die Produktion von Feldfrüchten zu ermöglichen
HOF1
Sofrotiger Oberflächenabfluss als Folge von Infiltrationshemmnissen
HOF2
Leicht verzögerter Oberflächenabfluss als Folge von Infiltrationshemmnissen
SOF1
Sofortiger Oberflächenabfluss als Folge sich schnell sättigender Flächen
SOF2
Verzögerter Oberflächenabfluss als Folge sich sättigender Flächen
SOF3
Stark verzögerter Oberflächenabfluss als Folge sich langsam sättigender Flächen
SSF1
Rascher Abfluss im Boden
SSF2
Verzögerter Abfluss im Boden
SSF3
stark verzögerter Abfluss im Boden
DP
Tiefensickerung in geologische Schichten
Wie kann Bestandsniederschlag gemessen werden?
lange Regenrinnen um die heterogenität der Kronen zu erfassen
Feldkapazität
Maximale Haftwassermenge, die ein natürlich gelagerter Boden 2-3Tage nach längerer Regenperiode (Sättigung) gegen die Gravitation zurückhält
Orographische Niederschläge
Aufsteigen feuchter Luftmassen am Gebirge -> Abkühlung und Kondensation
Unterschidliche Dauer und Intensität
Welche Mixistypen gibt es, warum und wann mischt sich Seewasser?
Holomiktisch: kalt monomiktisch (Nur im Sommer zirkulierend), dimiktish (Vollzirkulation im Herbst und Frühling), warm monomiktisch (nur im Winter), oligomiktisch (seltene Vollzirkulation)
Meromiktisch: nie in Vollzirkulation
Warum: Temperatur unterschied + Windeinwirkung
Permanenter Welkepunkt
Wassermenge, die noch im Boden ist, wenn die Turgenz der Pflanze nach Wasserzufuhr im Anschluss an eine Trockenperiode nicht wiederkehrt.
Welche Typen von Feuchtgebieten gibt es?
Wie unterscheiden sie sich?
– Seen, Weiher, Flachwasserbereiche
– Tümpel, Periodische Weiher
– Hochmoore (offen oder waldbestanden)
– Niedermoore, Sümpfe
– Feuchtwiesen
– Quell- und Hangmoore
– Auen (Riparian Zones)
Unterschiede in ihrer Enstehung, Vegetation, Böden und ihrer Hydrologie
Bodenluft
gasförmige Phase des Bodens, meist mit Wasserdampf gesättigt
Verengungsquellen
Verengung des Gesteins oder verminderte Durchlässigkeit des Grundwasserleiter-querschnitts. (Absteigende Quelle)
Erklären sie den Unterschied zwischen „potentieller Verdunstung“ und „aktueller Verdunstung“
Epot: Ist die Verdunstung die bei genügend Wasser nachschub stattfinden kann
Eakt: Ist die Verdunstung die bei gegebenen Begebenheiten aktuell stattfindet
Nennen und beschreiben sie ein einfaches, datenbasiertes, hydrologisches Modell.
- INPUTS/OUTPUTS:
– Flüsse von Masse, Energie oder Information über Systemgrenzen hinweg - MODELLPARAMETER
– (Normalerweise zeit-invariate, d.h. konstante) Werte, welche konzeptionelle oder aggregierte Systemeigenschaften repräsentieren - ZUSTANDSGRÖßEN
– Zeitlich veränderliche und (räumlich/zeitlich) gemittelte Mengen von Masse, Energie oder Information, welche im Modellsystem gespeichert sind
Evaporation
Direkte Verdunstung von freier Bodenobrfläche und über Wasser, unter Ausschluss biologisch physiologischer Prozesse
Feuchtadiabatischer Temperaturgradient
Wie beim adiabatischen nur bleibt die Energie im kondesnierten Wasser enthalten
6-7°C / 1000m
Einzugsgebietsformen (gedrungen, langezogenes), Abflussganglinie
Gedrungenes EZG: kurze Konzentrationszeit des Direktabflusses
Langezogenes EZG: hohe Konzentrationszeit des Direktabflusses
Hochmoore
Hydrologie: N einzige Quelle für Wasser
Boden: rein organisch und nährstoffarm, sauer
Vegetation: Kraut und Strauchvegetation, Büsche, Bäume, kein Nährstoffinput durch GW: fleischfressende Pflanzen
Potential
Energiezustand des Wassers, Arbeit um Einheitsmenge Wasser von Punkt A nach Punkt B zu bewegen
Wo bekommt man in Deutschland Abflussdaten?
- Landesämter (in Deutschland)
– LUBW (wird heute als Auftragsarbeit an Ingenieurbüros vergeben) - Bundesämter (Bundeswasserstrassen)
- Forschungsinstitute und Universitäten
Welche hydrologischen Prozesse beeinflussen Zeit und Höhe des Niedrigwasserabflusses?
Evaporation, Speicherfüllung, Klima (Trockenperiode), Interzeption
Adiabatischer Temperaturgradient
Zustandsänderung ohne Wärmeaustausch; Aufsteigende Luft -> abnehmender Druck -> Ausdehnung -> innere Energie des Luftpackets nimmt ab -> Temp. sinkt
9,8 °C / 1000m
Wie kann man Infiltration messen?
Doppelringinfiltrometer: Misst Infiltrationsrate für ein konstantes (oder sich änderndes) Wasserpotential
Disk oder Infiltrometer: Design zur Messung ungesättigten hydraulischen Eigenschaften von Böden. Wasser infiltriert mit geringerer Rate als beim Überstau
Beregnung
Probleme bei der Niederschlagsmessung
- Wind -> steigende Windgeschwindigkeit -> es wird weniger gesammelt
- Evapotranspiration und Benetzung (Probleme bei der Analyse der Spurenstoffe)
- Spritzwasser
- Splash Effekt
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Cartes-fiches
Wie kann Bestandsniederschlag gemessen werden?
lange Regenrinnen um die heterogenität der Kronen zu erfassen
Feldkapazität
Maximale Haftwassermenge, die ein natürlich gelagerter Boden 2-3Tage nach längerer Regenperiode (Sättigung) gegen die Gravitation zurückhält
Orographische Niederschläge
Aufsteigen feuchter Luftmassen am Gebirge -> Abkühlung und Kondensation
Unterschidliche Dauer und Intensität
Welche Mixistypen gibt es, warum und wann mischt sich Seewasser?
Holomiktisch: kalt monomiktisch (Nur im Sommer zirkulierend), dimiktish (Vollzirkulation im Herbst und Frühling), warm monomiktisch (nur im Winter), oligomiktisch (seltene Vollzirkulation)
Meromiktisch: nie in Vollzirkulation
Warum: Temperatur unterschied + Windeinwirkung
Permanenter Welkepunkt
Wassermenge, die noch im Boden ist, wenn die Turgenz der Pflanze nach Wasserzufuhr im Anschluss an eine Trockenperiode nicht wiederkehrt.
Welche Typen von Feuchtgebieten gibt es?
Wie unterscheiden sie sich?
– Seen, Weiher, Flachwasserbereiche
– Tümpel, Periodische Weiher
– Hochmoore (offen oder waldbestanden)
– Niedermoore, Sümpfe
– Feuchtwiesen
– Quell- und Hangmoore
– Auen (Riparian Zones)
Unterschiede in ihrer Enstehung, Vegetation, Böden und ihrer Hydrologie
Bodenluft
gasförmige Phase des Bodens, meist mit Wasserdampf gesättigt
Verengungsquellen
Verengung des Gesteins oder verminderte Durchlässigkeit des Grundwasserleiter-querschnitts. (Absteigende Quelle)
Erklären sie den Unterschied zwischen „potentieller Verdunstung“ und „aktueller Verdunstung“
Epot: Ist die Verdunstung die bei genügend Wasser nachschub stattfinden kann
Eakt: Ist die Verdunstung die bei gegebenen Begebenheiten aktuell stattfindet
Nennen und beschreiben sie ein einfaches, datenbasiertes, hydrologisches Modell.
- INPUTS/OUTPUTS:
– Flüsse von Masse, Energie oder Information über Systemgrenzen hinweg - MODELLPARAMETER
– (Normalerweise zeit-invariate, d.h. konstante) Werte, welche konzeptionelle oder aggregierte Systemeigenschaften repräsentieren - ZUSTANDSGRÖßEN
– Zeitlich veränderliche und (räumlich/zeitlich) gemittelte Mengen von Masse, Energie oder Information, welche im Modellsystem gespeichert sind
Evaporation
Direkte Verdunstung von freier Bodenobrfläche und über Wasser, unter Ausschluss biologisch physiologischer Prozesse
Feuchtadiabatischer Temperaturgradient
Wie beim adiabatischen nur bleibt die Energie im kondesnierten Wasser enthalten
6-7°C / 1000m
Einzugsgebietsformen (gedrungen, langezogenes), Abflussganglinie
Gedrungenes EZG: kurze Konzentrationszeit des Direktabflusses
Langezogenes EZG: hohe Konzentrationszeit des Direktabflusses
Hochmoore
Hydrologie: N einzige Quelle für Wasser
Boden: rein organisch und nährstoffarm, sauer
Vegetation: Kraut und Strauchvegetation, Büsche, Bäume, kein Nährstoffinput durch GW: fleischfressende Pflanzen
Potential
Energiezustand des Wassers, Arbeit um Einheitsmenge Wasser von Punkt A nach Punkt B zu bewegen
Wo bekommt man in Deutschland Abflussdaten?
- Landesämter (in Deutschland)
– LUBW (wird heute als Auftragsarbeit an Ingenieurbüros vergeben) - Bundesämter (Bundeswasserstrassen)
- Forschungsinstitute und Universitäten
Welche hydrologischen Prozesse beeinflussen Zeit und Höhe des Niedrigwasserabflusses?
Evaporation, Speicherfüllung, Klima (Trockenperiode), Interzeption
Adiabatischer Temperaturgradient
Zustandsänderung ohne Wärmeaustausch; Aufsteigende Luft -> abnehmender Druck -> Ausdehnung -> innere Energie des Luftpackets nimmt ab -> Temp. sinkt
9,8 °C / 1000m
Wie kann man Infiltration messen?
Doppelringinfiltrometer: Misst Infiltrationsrate für ein konstantes (oder sich änderndes) Wasserpotential
Disk oder Infiltrometer: Design zur Messung ungesättigten hydraulischen Eigenschaften von Böden. Wasser infiltriert mit geringerer Rate als beim Überstau
Beregnung
Probleme bei der Niederschlagsmessung
- Wind -> steigende Windgeschwindigkeit -> es wird weniger gesammelt
- Evapotranspiration und Benetzung (Probleme bei der Analyse der Spurenstoffe)
- Spritzwasser
- Splash Effekt
Abflussbeiwert
Abflussbeiwert = A0 / N
Konvektive Niederschläge
Erwärmung der Luft durch eine erhitzte Erdoberfläche und aufsteigen in eine kältere Umgebung -> Abkühlung und Wasserdampfkondensation
Hohe Intensität des Niederschlags
Geringe Dauer und Fläche
Interzeption
Abfangen bzw. Zurückhalten von Niederschlag auf der „Oberfläche“ der Vegetation
Konzentrationszeit
Zeitspanne, die bei flächenhaft gleichmäßiger Überregnung vergeht, bis das gesamte EZG zum Direktabfluss beiträgt.
Welche Niedrigwasser-Kennwerte gibt es? Wofür werden sie benötigt?
- Restwassermenge
- Mindestwassertiefe, Turbulenz, Strömung, Sauerstoffgehalt, Temperatur
-> Für Richtlinien um den Fluss und das Ökosystem so gut wie nur möglich zu schützen
Virtuelles Wasser
Wassermenge, die benötigt wird, um ein Produkt herzustellen.
Wie hoch ist die Interzeptionsrate im Wald?
Nadelbaum: ~30%
Laubbaum: ~20%
Niedermoore
Hydrologie: permanent gespeist von Oberflächengewässer und Grundwasser
Boden: organisch, reich an Nährstoffen
Vegetation: Gras, Kraut- und Strauchvegetation
Einflussfaktoren: Kronen-Interzeption
Oberfläche, Winkel und Verteilung des Wassers, Wasser zwischen Nadeln, Wassermenge, Verdunstung
Schema eines Einzugsgebietes Systemeigenschaften
Stabil: Geologie,Böden, Morphologie
Dynamisch: Vegetation, Landnutzung, Klima
Welche Fehlerquellen gibt es bei der Niederschlags - Messung?
Wind: Turbulenzen, Wirbel, Spritzwasser
Im Gefäß: Neigung, Undichtigkeit, Adhäsion, Verdunstung, Kondenstation
Wofür benötigt man hydrologische Modelle?
Für Werte wo keine Messung möglich/vorhanden sind.
Warum ist die Verdunstung hydrologisch so wichtig?
Um zu wissen wie viel des Niederschlags noch für andere Prozesse (zB für den Abfluss) zur Verfügung stehen. Da Q = N - E
Auen
Hydrologie: ständig wasserführend durch GW und Fluss
Boden: organisch/mineralisch
Vegetation: Bäume, Sträucher
blaues Wasser
Wasser in Flüssen, Seen und Grundwasser. Die Domäne der Wasserwirtschaft
Profundal Zone
Lebensraum der Tiefenzone - Sediment + nahe darüber liegende Wasserschicht
Kann durch die Bewirtschaftung die Infiltration verbessert werden?
Durchwurzelung schafft viele Poren -> Infiltration steigt
Ein Hang von 200m² wird 30 Minuten mit einer Intensität von 40 mm/h beregnet. 500l Wasserfließt sofort ab. Wie hoch ist die tatsäcliche Infiltrationsrate?
0,5 m³/ 200m² = 2,5mm
2,5mm / 0,5h = 5 mm/h
40mm/h - 5 mm/h = 35mm/h
Infiltrationsrate = 35 mm/h
Gliederung eines EZG
Hänge: N/S -> Beeinflussung der Einstrahlung
Quellenbereiche
Gewässernetz: Oberlauf, Mittellauf, Unterlauf
Was sind Nutzen und Grenzen von historischen Hochwasserdaten?
Nutzen: Abfluss hoher Wiederkehrperioden, In kombination mit konvektioneller Extremwertstatistik und hydrologischer Modelle
Grenzen. Ungenaue, unregelmäßige Aufzeichnungen der Wasserstände bzw des Abflusses, Qualität der Daten
