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
ROS Hochwasser
Rain on snow
Regen lässt den Schnee schmelzen, dazu können noch andere Umwelteinwirkungen wie Temperaturänderung mit einfließen. Somit hat man bei starken Niederschlägen einen deutlich höheren Abfluss, als nur durch den Niederschlag.
Welche weiteren Klassifikationsmöglichkeiten für typische Abflussvariabilität gibt es?
Fließgewässer
Kartographie
Herkunft des Wassers: autochthone Flüsse, allochthone Flüsse
Feuchtwiesen
Hydrologie: trocken,nur bei Überflutung/ Regenereignissen gesättigt
Boden: hauptsächlich mineralische Böden
Vegetation: Gras
Potentielle Evapotranspiration
Maximale Verdunstungshöhe, die unter gegebnen Klimabedingungen erzielt wird. Voraussetzung, dass genügend Wasser verfügbar ist.
Warum gibt es Unsicherheiten in den Abfluss-Vorhersagen mit hydrologischen Simulationsmodellen?
Die Vorhersage hängt noch von vielen anderen unsichern Faktoren ab wie zum Beispiel die Vorhersage des Klimas. Dadurch wird die gesamte Unsicherheit des Modells noch unsicherer und man kann nicht mehr genau sagen, was nun wirklich passieren wird
Welche charakteristischen zeitlichen Schwankungen hat der Abfluss eines Gletscherbachs?
Tageszeitliche Schwankungen:
Jahreszeitliche Schwankungen:
Aktuelle (reale) Evapotranspiration
Verdunstung einer Fläche, deren Wassernachschub durch Wassermangel, biologische oder physikalische Bedingungen gebrenzt ist.
Welches sind wichtige (dominante) Prozesse der Abflussbildung bei Hochwasser?
Niederschlag, Bodensättigung (+volle Speicher) -> Oberflächenabfluss, versiegelte Flächen, geringe Interzeption
Quellentypen
Absteigende Quellen: Verengungsquellen, Schicht- oder Überlaufsquellen
Aufsteigende Quellen: Stauquellen
Flüssiger Niederschlag
Regen, Nieselregen, Tau, Nebel
Gesamtpotential
Gravitationspotenzial + Matrixpotential + Osmotisches Potenzial + Gaspotenzial
Welche Funktionen haben Seen und Feuchtgebiete im Landschaftswasserhaushalt?
Speicher, Vorallem Auen können den Extremen Hoch wasser und Niedrigwasser entgegenwirken,
Niederschlagstypen
Konvektive Niederschläge
Orographische Niederschläge
Zyklonale Niederschläge
Konsumtiv genutzte Wassermenge
Diejenige Wassermenge, die durch Verdunstung bei der Wassernutzung für andere Nutzer verloren geht.
Persistenz
andauern berharren eines Stoffes in einem System
Gefälle eines EZG
geringes Gefälle -> recht flach = geringer Oberflächenabfluss, hoher unterirdischer Abfluss
starkes Gefälle -> steil = hoher Oberflächenabfluss, geringer unterirdischer Abfluss
Schichtquellen/Überlaufsquellen
Grundwasser wird von der Oberfläche geschnitten. Die Schichtung führt an die Erdoberfläche. (Absteigende Quelle)
Transpiration
Verdunstung von Pflanzenoberflächen (Regulierung -> Spaltöffnungen in Blättern)
Welche Faktoren beeinflussen die Schneeakkumulation?
Höhenlage, Wind, Vegetation
Wie können Feuchtgebiete charakterisiert werden?
• Küstenfeuchtgebiete (marine)
• Feuchtgebiete an Flussmündungen (estuarine),
• Feuchtgebiete an Fließgewässern (riverine),
• Feuchtgebiete an Stillgewässern (lacustrine)
• Sümpfe im weitesten Sinne (palustrine)
Ramsar-Klassikation (drei Gruppen):
• marine/coastal wetlands
• inland wetlands
• human-made wetlands
Evapotranspiration
Verdunstung über dem Boden (Evaporation) und über die Blätter (Transpiration)
terristrische Wasser
Oberflächen Wasser, Bodenwasser, Grundwasser
Welche Hochwasserkennwerte gibt es?
Hochwasserstand, Hochwasser-Scheitelabfluss, Abflussfülle, Abflussfracht, Anstiegsgeschwindigkeit, Hochwasser Dauer, Hochwasser- Ganglinie, Fließgeschwindigkeit, Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Hochwasser-Welle, Abflusswerte
Wasserbilanzgleichung und Probleme
V = P + Qin + GWin - Qout - GWout - ET
Probleme: Kann alles gemessen werden?, Fehlerquellen bei Messgerät, 3 Phasen des Wassers, mschlicher Einfluss
Stauquellen
Wasser bewegt sich im Grundwasserleiter trifft auf Wasserundurchlässige Schicht und muss aufsteigen. (Aufsteigende Quelle)
Wie wird die Hochwasserhäufigkeit bestimmt?
HQ(Tn)
Sortierung der Jahres Hochwasser -> Bennenung ihres Ranges -> F= Rang/ Rang insg +1-> p = 1 - F -> T = 1/p
Welche Klassifikationsmöglichkeiten gibt es für Seen?
See im engeren Sinne : >2m Wassertiefe, Litoral und Rpofundalregion
Weiher: <2 m Wassertiefe, nur Litoral vorhanden
Teich: künstlicher Weiher
Tümpel: Periodisches Gewässer
Hydrologisches Einzugsgebiet (EZG)
Wasserzustrombereich, aus dem das Wasser dem selben Gerinne zufließt und an einem Punkt, dem Wasserscheidendurchbruch, zum Abfluss kommt.
Welche Faktoren beeinflussen die Schneeschmelze?
Strahlung (Geometrie (Topographie), Bewölkung, Albedo der Schneeoberfläche, Temperatur, einfallender Regen, Konvektion, Kondensation
Schlüsselfaktoren der Infiltration
Porengröße, Durchwurzelung, Bodenfrost, Risse, Bodenverdichtung
Nach Waldbrand geringer -> Boden wird hydrophob
Warum sind Feuchtgebiete gefährdet?
Klima, Eingriffe des Menschen
Komponenten des Wasserkreislaufs
Sonnenenergie, Niederschlag (P), Interzepion, Evaporation + Transpiration = Evapotranspiration (ET), Infiltration und Grundwasserneubildung, Abfluss (Q), Grundwasser (GW)
Seen, Weiher, Flachwiesen
See: >2m Wassertiefe, ansonsten Weiher
Hydrologie: führen das ganze Jahr Wasser
Böden: organisch/mineralisch
Vegetation: Im Uferbereich Schilf ansonsten relativ gering, da große Wassertiefe
Funktion des Kronendurchlass
Wichtiger Teil der Wasserbilanz: Verlust an Wasser für das EZG, Interzeption des Niedrschlags durch Wald
Rolle beim Schutz der Bodenoberfläche vor der Energie des Regens (splah Erosion) : Reduktion der Energie eines Regentropfens -> minimiert Bodentrennung und darauf folgende Erosion, schützt Bodenstruktur, Infiltrationskapazität
Wie ist der Jahresgang einer Gletschermassenbilanz in den Alpen in der Akkumulationszone und in der Ablationszone?
Akkumulationszone: Der Shcnee der gefallen ist schmilzt im Sommer nur zum Teil ab. Wenn dann wieder neuer Schnee fällt befindet sich darunter die nun 1 Jahre alte Schneeschicht.. So geht das Jahr für Jahr. Es schmilzt also weniger Schnee als gefallen ist
Ablationszone: Hier schmilzt mehr im Sommer ab, als im Winter Schnee gefallen ist. DAS Gletschereis schmilzt ebenfalls -> DIe Zone wird dünner.
Welche Herausforderungen gibt es bei der Berechnung der Verdunstung?
Verdunstung ist nicht direkt messbar. Das heißt es muss mit Hilfe von anderen Messungen konstruiert werden, das heißt die Fehlerquote ist sehr hoch.
Sättigungsdampfdruck
kontrolliert Aufnahme von wasserdampf in die Luft
Ohen Wind kann dieser Prozess schnell ablaufen und die Evaporation wird gestoppt
Abhängige Faktoren der Verdunstung
- Differenz zw denm Dampfdruck an der Oberfläche und dem der oberflächennahen Luft
- An der Oberfläche zur Verfügung stehende Energie
- Menge des in der Luft abtransportierten Wasserdampfs
- Menge des an der Oberfläche vorhandenen oder dorthin transportierten Wassers
Kapilarsysteme im Boden
Flächenkapillare, Rohrkapillare, Netzkapillare, Schwammkapillare
Tümpel
Hydrologie: Führen meist nur im Winter/Frühjahr Wasser, gespeist durch Grund- und Oberflächenwasser
Böden oranisch/mineralisch
Vegetation: einjährige Pflanzen dominieren
