Hydrologie

• Gesamtmenge an Süßwasser, welches für die Produktion von Nahrungsmitteln, Gütern und Dienstleistungen für Individuen, Firmen oder Nationen benötigt wird.

• Wasser welches zur Erzeugung (alle Arbeitsschritte und Transport) eines Produkts aufgewendet wird

Blaues Wasser:

• ist das sichtbare flüssige Wasser, welches auf der Erdoberfläche und im Boden bzw. Grundwasser fließt

Grünes Wasser:

• ist der nicht sichtbare Transport von Wasserdampf zur Atmosphäre (produktiv oder unproduktiv)

Globaler Wasserkreislauf: Reservoire (in 1.000 km³), Flüsse (in 1.000 km³ Jahr^-1, kursiv) und typische Verweildauer t. (WBGU, 1997)

• globale Wasserkreislauf bezieht sich auf die Wasserzirkulation folgender Wasserspeicher:
  • Ozeane 
  • Atmosphäre
  • Landoberfläche (Wasser in Seen, Flüssen, Inlandeis und Gletscher, Bodenwasser, Vegetation)
• von Ozean und Landfläche gelangt das Wasser durch Verdunstung in die Atmosphäre
• durch die atmosphärische Zirkulation kann es hier über weite Strecken horizontal transportiert werden
• hierbei durchläuft es durch Kondensation und Gefrieren den Prozess der Wolkenbildung, um dann als Niederschlag wieder die Landoberfläche und Ozeane zu erreichen
• nach Speicherung in der Vegetation (oder Einsickerung), fließt es auf der Landoberfläche ober- oder unterirdisch in Gerinne ab und wird in Ozeane zurück transportiert
• --> der Kreislauf schließt sich

Komponenten des Wasserkreislaufs mit Prozessen, Flüssen und Speichern. Die Zahlen geben den Transport in 100km³ pro Jahr an. Blaue/schwarze Zahlen stellen beobachtete Werte dar, rote Zahlen stammen aus einer Modellberechnung am MPI für Meteorologie, Hamburg.

Wasserbilanz ist die quantitative Beschreibung des Wasserkreislaufs. Sie ist
raum- und zeitbezogen.

• Atome sind nicht linear, sondern in einem Winkel von 104,5° angebracht
• --> darin liegt die Erklärung für das Leben auf der Erde
• Wasserstoffbrückenbindung bewirkt, dass Wassermoleküle zu Ketten und größeren Gruppen verbunden sind
• --> Daher ist auch warmes Wasser eine Flüssigkeit, Siedepunkt ist verhältnismäßig hoch

Festkörper:

• Geringe Beweglichkeit der Atome oder Moleküle
• Amorpher oder kristalliner Aufbau
• Volumenbeständig und inkompressibel
• Homogen, inhomogen, isotrope oder anisotrope Eigenschaften

Flüssigkeiten:

• Volumenbeständig, aber keine Formbeständigkeit
• Freie Oberfläche
• Inkompressibel

Gase:

• Überwiegen der thermischen Bewegungen
• Dichte ca. 1.0 *10^-3 der Dichte der festen Körper
• Kompressibel
• Keine Volumens- und Formbeständigkeit

1. Thermodynamische Eigenschaften:

• hohe spezifische Wärme
• geringe Wärmeleitfähigkeit

2. Elektrische Eigenschaften

• elektrische Leitfähigkeit gering
• Dielektrizitätskonstante (Durchlässigkeit für elektrische Felder) extrem hoch
• Dipol

3. Optische Eigenschaften

• Reflexion hängt vom Einfallswinkel ab

4. Physikalische Eigenschaften

• größte Dichte bei ca. 4°C
• hoher Siedepunkt (ohne Wasserstoffbrückenbindung bei -60°C)
• Relativ hoher Schmelzpunkt (ohne Wasserstoffbrückenbindung bei -90°C)
• Vorkommen in den drei Phasen abhängig von Druck und Temperatur
• hohe Oberflächenspannung
• sehr geringe Kompressibilität

• fest --> flüssig: schmelzen
• flüssig --> gasförmig: verdampfen
• gasförmig --> Plasma: ionisieren
• fest --> gasförmig: sublimieren
• Plasma --> gasförmig: rekombinieren
• gasförmig --> flüssig: kondensieren
• flüssig --> fest: erstarren

Tripelpunkt (Dreiphasenpunkt):

• Zustand in dem drei Aggregatzustände eines Stoffes im thermodynamischen Gleichgewicht sind
• im Phasendiagramm: Schnittpunkt der beiden Phasengrenzlinien Sättigungsdampfdruck und Schmelzkurve

Wasserbilanz:

• quantitative Beschreibungen des Wasserkreislaufs führt zur Wasserbilanz, die raum- und zeitbezogen ist

Wasserhaushalt:

• Zusammenwirken der Wasserhaushaltsgrößen:
  • Niederschlag P
  • Verdunstung (Evapotranspiration) ET,
  • Abfluss R und
  • Änderung der Speicherung delta S (Schnee, Eis, Oberflächenwasser, Bodenwasser, Grundwasser)
• in einem Gebiet.

• Beziehung zwischen den Wasserhaushaltsgrößen
• grundlegende physikalische Gesetze für die Verteilung auf der Erde:
  • Erhaltung der Masse
  • Erhaltung der Energie oder des Impulses
• Formel: \(P = ET+R+\Delta S [mm\ a^{-1}]\)
• Niederschlag P, Evapotranspiration ET, Abfluss R, Änderung der Speicher S

\(Rn - B =H+I\ ET [W\ m^{-2} oder\ kJm^{-2} s^{-1}\)

• Rn: Nettoeinstrahlung
• B:   Bodenwärmestrom
• H:  Strom der fühlbaren Wärme
• I ET: Strom latenter Wärme

Wichtig: Beide Gleichungen enthalten den Term ET (Verdunstung). Für Verdunstung wird Wasser und Energie benötigt. Energie- und Wasserhaushalt sind somit gekoppelte Systeme!

• zusammenhängendes Gebiet welches alle Niederschläge und die daraus enstehenden Abflüsse in einem Gewässersystem vereint
• mit gemeinsamen Abfluss für Oberflächenabfluss --> Vorfluter
• Umrahmung des Einzugsgebietes: Wasserscheide (Abgrenzung)
• Geteilt in: O = Oberfläche, BO = Obere Bodenzone, BU = untere Bodenzone, G = Grundwasser
• stellt ein dynamisches System dar:
• P =Niederschlag, E = Evaporation (Verdunstung), R = Abfluss, T = Transpiration, S = Speicher, c = kapillarer Aufstieg, I = Interzeption, s = Versickerung, i = Infiltration