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
Gebietsniederschlag: Verfahren zur Berechnung
- Arithemtisches Mittel
- Isohyeten - Linien gleichen Niederschlags (Einteilung * Fläche dazwischen = Volumen)
- Thiessen Polygon - Flächenzuordnung (N * Fläche = Volumen)
- Hypsometrische Kurve
Niederschlagscharakteristika
- Intensität = Rate pro Zeit (z.B. mm/h)
- Dauer = Zeitperiode, in der der Niederschlag auftritt -> Menge = mittlere Intensität * Dauer
- Verteilung = relatives Auftreten von Niederschlag in Raum und Zeit
Leitfähigkeit (gesättigt, ungesättigt)
Gesättigt: sehr gute Leitfähigkeit (viel Wasser, geringer Weg)
Ungesättigt: gernge Leitfähigkeit (wenig Wasser, längerer Weg)
Welche Steuerungsfaktoren bestimmen das Abflussregime?
Erwartungs und Schwankungsbereich
Flussordnungszahlen (Hack, Strahler, Shreve)
Hack: Ordnung1-> Hauptfluss; Ordnung +1 -> Nebenflüsse
Strahler: äußerste Zuflüsse -> Ordnung 1; 2 Flüsse gleicher Ordnung -> +1; 2 Flüsse unterschiedlicher Ordnung -> höher Ordnung übernommen
Shreve: äußerste Zuflüsse -> Ordnung 1; Zusammenfluss zweier Flüsse -> Addition
Litoral Zone
Uferregion eines Sees oder Flusses
Veränderungen durch Kronendurchlass
Niederschlagsmenge, zeitliche Niederschlagsverteilung, räumliche Niederschlagsverteilung
Beschreiben sie eine Abflussganglinie bei Hochwasser (Hochwasserganglinie)
siehe Bild
Wie kann der Gebietsniederschlag für EZG bestimmt werden?
Hellman (standartisierter zylindrischer Messbehälter), Totalisator, AUfzeichnung (Wägetyp, Tropfenzäler), Schnee, Niederschlagsradar
Ist die Infiltration an der Bodenoberfläche gleichmäßig?
Nein, da jeder Boden das Wasser unterschiedlich "aufnehemn".
Ton -> Kapillarwirkung durch sehr kleine Poren -> hält das Wasser fest
Ungesättigte Zone
Der Bereich zwischen Oberfläche und Grundwasser-Zone. Enthält das Bdenwasser
Quell und Hangmoore
Hydrologie: permanent gespeist durch Quellen und diffus austretendes GW
Boden: mineralisch
Vegetation: Kraut- und STrauchvegetation, Büsche, Bäume
See Alterung
Oligotroph - Anfangsstadium
Mesotroph - Gebirgssee
Eutroph - gesekter Seespiegel
Polytroph - das "Ende", Fortgeschrittenes Verlandungsstadium
Was ist ein Abflussregime, wie stellt man es dar?
Abflussregime: Der chrakteristische mittlere Jahresgang des Abflusses eines Fließgewässers
pK Werte werden Abgebildet über einen zeitlichen Verlauf
Wie ist das grundsätzliche Vorgehen beim Modellieren?
Wähle Parameterwerte innerhalb ihrer zulässigen Wertebereiche, um eine möglichst gute Modell-anpassung an die Messdaten zu erzielen
Was beeinflusst die Evaporation, was die Evapotranspiration?
Daraus abgeleitet: was passiert bei Landnutzungsänderungen mit der Wasserbilanz?
Evaporation: Verdunstung von freier Bodenoberfläche
Evapotranspiration: Verdunstung von Boden und Pflanzen
Die Evaporation kann sich dadurch ändern. Weniger Pflanzen weniger Transpiration, weniger freie Bodenoberfläche weniger Evaporation
Reliefindex, Reliefenergie
Reliefindex: mittleres Gefälle des EZG [%]
Reliefenergie: Differenz zwischen höchsten und niedrigstem Punkt im EZG [m]
Wie bildet sich Gletscherabfluss?
Schnee schmilzt in der Akkumulationszone und gelangt durch Risse tiefer in den Gletscher, dann fließt es durch den Gletscher in die Ablationszone und kommt als Gletscherabfluss dort hervor
Was bedeutet ein „100-jährliches Hochwasser“?
Abflusswert, der mit einer Wiederkehrperiode von 100 Jahren erreicht oder überschritten wird.
Welche Typen von Modellen gibt es?
Analogmodell, Wahrnehmungsmodell
Datenbasiertes (empirisches, statistisches) Modell
Deterministisches Modell
Bodenmatrix
feste Phase des Bodens, Gemisch aus verschiedenen mineralischen und (toten) organischen Bestandteilen.
Einflussfaktoren: Streu- Interzeption
Streudichte, Wassermenge, Verdunstung
Zyklonale Niederschläge
An Wetterfronten gebunden (Warmfront oder Katfront)
Große Fläche und lange Dauer
Zum Erstellen der P-Q Beziehung braucht es direkte Messungen mit der Geschwindigkeit-Fläche Methode oder der Verdünnungsmethode
– Wie funktionieren diese beiden Methoden?
– Welche Methode ist unter welchen Bedingungen am besten geeignet?
- Direkte Messung: P-Q Beziehung Wasserdstand in Relation zum Abfluss bringen (Abflussvolumen pro Zeit). Mit Flügel, Tauschstab (-> Ermittlung der Geschwindigkeit)
Verdünnungsmethode: Erfassung einer bekannten Menge eines Markierstoffes. Konzentrationsmessung (2 Methoden kontinuirlich + momentane Einspeisung)
- Direkte Messung: Bei momentanen Werte die man wissen möchte
Verdünnungsmethode: Wo das Wasser entlang geht und wie es fließt bzw wie viel dazu kommt.
Wie bildet sich Schneeniederschlag (unter welchen Bedingungen)?
Abhängig von Temperatur und Übersättigung, sowie Höhe
Fester Niederschlag
Schneekörner, Schneeflocken, Schneeregen, Graupel, Raureif, Raueis, Hagel
Ober- und Unterirdisches EZG
Oberirdisches EZG = Unterirdisches EZG, wenn die Wasserscheiden oberirdisch wie auch unterirdisch überinstimmen.
Oberirdisches EZG /= Unterirdisches EZG, wenn die Wasserscheiden nicht überinstimmen.
Welche Folgen hatte das extreme Niedrigwasser im Jahr 2003 (und das 2015) für die Ökologie und für die (Wasser-)wirtschaft?
Absterebn von Tieren, Einschrenkung der Wassernutzung, Einleiten von Industrieabwässer verboten, Einschränkung der Landwirtschaft
Welche Messungen der Verdunstung gibt es
- Verdunstungspfanne
- Atmometer
- Lysimeter
- Wasserbilanz
- Turbulenz- Korrelations-Methode
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
