Physische Geographie Klausuraufgaben, Hydrologie

• Interzeption wird erhöht, vor allem durch Laubbäume
• Evaporation und Transpiration werden erhöht
• je dichter die Vegetation, desto geringer der Oberflächenabfluss (dadurch Bodenerosion verringert, Schutz vor Verschlämmung und Verdichtung ddes Bodens)
• Humifizierung durch Vegetation und Durchwurzelung erhöhen Infiltrationskapazität
• Zwischenabfluss wird verringert (erhöht durch alte Wurzelgänge)

Ursachen:

• Klima, lange Trockenperiode
• Nutzung von Oberflächenwasser
• Nutzung von Grundwasser
• Flussumleitung und Flussausbau
• künstliche Drainagen
• Aufforstung

Niedrigwasser in Bonn:

• meist im Oktober: Niederschlagmangel, hohe Verdunstung
• Winterniedrigwasser, die durch die frostbedingte Festlegung des Niederschlags entstehen

Unter virtuellem Wasser versteht man das Wasser, welches für die Erzeugung eines Produktes (alle Arbeitsschritte und Transport) aufgewendet wird.

• unterteilt in 3 Bereiche:
• Bereich 1 (oben): nicht für Pflanzen verfügbares Wasser
• Bereich 2 (mitte): für Pflanzen verfügbares Wasser
• Bereich 3 (unten): Feldkapazität
• PWP: maximaler Welkepunkt: ab hier ist Wasser nicht mehr für Pflanzen verfügbar (pF: 4,2)
• Bereich 3 von 1,8-2,5
• Unterschiede bei den Bodenarten:
• Sand (0.063-2mm): 
  • viele Grobporen, wenig Feinporen
  • geringer Wassergehalt bei Sättigung, geringe Wasserhaltekapazität, geringer Totwassergehalt
  • geringe nutzbare Feldkapazität
  • hohe gesättigte Wasserleitfähigkeit, kleiner Kapillarsaum
• Schluff (0.002-0.062mm):
  • Grobporen und Feinporen gleich häufig
  • mittlerer Wassergehalt bei Sättigung, mittlere Wasserhaltekapazität, mittlerer Totwassergehalt
  • hohe nutzbare Feldkapazität
  • mittlere gesättigte Wasserleitfähigkeit, mittlerer Kapillarsaum
  • neigt teilweise zu Verschlämmung --> geringe Infiltrationskapazität
• Ton (<2µm):
  • wenig Grobporen, viele Feinporen
  • hoher Wassergehalt bei Sättigung, hohe Wasserhaltekapazität, hoher Totwassergehalt
  • geringe nutzbare Feldkapazität
  • niedrige gesättigte Wasserleitfähigkeit, großer Kapillarsaum, neigt zu Schrumpfrissen

Blaues Wasser: Ist sichtbar. Sichtbares, füssiges Wasser, das auf der Erdoberfläche und im Boden bzw. Grundwasser fließt

Grünes Wasser: Nicht sichtbarer Transport von Wasserdampf zur Atmosphäre.

Was beeinflusst das Verhältnis?

• Niederschlag?
• und so?

• 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

Das globale Wasserproblem

Wasser ist Mangelware (1,7 Milliarden Menschen leben in Gebieten mit Wassermangel); umkämpftes Wasser/ Nutzungskonflikte an internationalen Wasserläufen;  zukünftige Ernährung der Bevölkerung ist ein Wasserproblem.

1. Infiltration in Mikro- und Makroporen
2. Landoberflächenabfluss
3. schneller lateraler unterirdischer Abfluss (Interflow, Zwischenabfluss)
4. Mikroporendurchfluss

--> Das sind nur die Abflussprozesse an einem Hang. 

Prozesse: Niederschlag, Evaporation, Interzeption und Transpiration, Infiltration, oberflächennaher Abfluss (Zwischenabfluss), Oberflächenabfluss, gesättigte (beitragende) Flächen, Abfluss im Vorfluter (Graben, Bach, Fluss), Grundwasserneubildung, Kapillaraufstieg, Grundwasser, Grundwasserleiter, Grundwasserabfluss.

Letzendlich sollte das ganze (flüssige) Wasser im Vorfluter landen.

Zeitlicher Verlauf der Infiltrationsrate:

• Infiltrationsrate nimmt mit der Zeit ab, da der Boden nach und nach gesättigt ist
• ein trockener Boden kann mehr Wasser aufnehmen als ein feuchter

Oberflächenabfluss:

• findet statt, sobald es mehr Regen gibt, als der Boden aufnehmen kann --> Infiltrationsüberschuss

Beeinflussung:

• bei Verschlämmung wird die Infiltrationsrate reduziert, da feinporiger Ton (durch Splash) auf der Bodenoberfläche abgelagert wird und die Poren des Oberbodens verstopft
• Bodeneigenschaften: Korngröße, Porosität, Feuchte
  • z.B. hat Sand eine höhere Infiltrationsrate als Ton
  • Infiltrationsrate nimmt mit der Zeit ab, da ein wasergesättigter Boden eine geringere Infiltrationskapazität hat
• Vegetation: durch Vegetation Boden gelockert? Dadurch hohe Infiltrationsrate? 

• geringe Niederschlagsintensität und eingeschränkte Evapotranspiration führen zu effektivster Grundwasserneubildung
• hohe Niederschlagsintensität --> viel Oberflächenabfluss+ hohe Evapotransiration = geringe Infiltratuíon --> kaum Grundwasserneubildung
• hohe Grundwasserneubildung wenn Porenaquifere vorhanden sind, da sie das Wasser gut leiten

• schneller, lateraler, unterirdischer Abfluss
• durch Makroporen --> Wasser gelangt in Boden & fließt durch durchlässigen Bodenhorizont ab
• Teil des Abflusses, der dem Vorfluter noch oberflächennah, über dem Grundwasser, zufließt
• entsteht durch Infiltration in die ungesättigte Bodenzone und kapillaren Aufstieg aus dem Grundwasser
• Wasserverlust durch Evapotranspiration und Versickerung ins Grundwasser

• Jahreszeitlicher Verlauf der Wasserführung in Fließgewässern
• einfaches Regime mit nur einem Maximum und Minimum im Jahr:
  • glaziales Regime: Gletscherbedeckung des Einzugsgebietes. Max. Juli; Min. Januar
  • pluviales Regime: ozeanisches/tropisches Regenregime. Max. Februar; Min. August
  • nivales Regime: von Schnee beeinflusst (Tiefland/Bergland). Max. Mai/Juni; Min. Okotober/Januar
• original-komplexe Regime mit 2-3 Maxima und verschiedenen Speisungsarten
  • nivo-pluvialer Typ: Schneeschmelze (höheres Max.) und Regen
  • pluvio-nivaler Typ: Regen (höheres Max.) und Schneeschmelze
  • glazio-nivaler Typ: Gletscher (höher) und Regen
  • nivo-glazialer Typ: Regen (höher) und Gletscher

In kurz: Das Abfluss- (bzw. Durchfluss)regime beschreibt den langjährigen mittleren Abfluss an einer Messstelle und ist damit vergleichbar mit einem Klimadiagramm.

Potentielle Evapotranspiration:

• Wassermenge, die pro Flächen- und Zeiteinheit von einer idealisierten, ausgedehnten freien Wasserfläche unter den bestehenden atmosphärischen Bedingungen verdunstet
• hängt ab von:
  • Strahlungshaushalt (Strahlungsbilanz + Bodenwärmestrom)
  • Sättigungsdefizit (Differenz zwischen aktuellem Dampfdruck und dem Sättigungsdampfdruck der Luft, abhängig von der Lufttemperatur)
  • Windgeschwindigkeit

Tatsächliche Evapotranspiration:

• Wassermenge, die von Oberflächen bei gegebenen meteorologischen Bedingungen und begrenzt verfügbarem Wasser verdunstet.
• hängt ab von:
  • Höhe
  • Neigung
  • Exposition
  • Boden
  • Klima
  • Vegetation
• in kurz: potentielle Evapotranspiration und Wasserverfügbarkeit (nach Lösung der Vorlesung)

Das Wasser im Boden unterliegt verschiedenen Kräften:

1. Matrixpotential Ψ_m: entspricht der Arbeit (phys. Kraft *Weg) der verrichtet werden muss, um eine Mengeneinheit Wasser dem Boden in einer bestimmten Höhe zu entziehen. Einfluss der Bodenmatrix auf Wasserbindung. Betrag des Matrixpotential = Wasserspannung
2. Gravitationspotential Ψ_z: entspricht der Arbeit, die benötigt wird, um Wasser in eine bestimmte Höhe zu transportieren.
3. Druckpotential Ψ_p: Gaspotential (Luftdruck) oder piezometrisches Potential (Wasserdruck)
4. Hydraulische Potential Ψ_H: ungesättigt: Summe von Matrixpotential und Gravitationspotential gesättigt: Summe von Druckpotential und Gravitationspotential

Wasser bewegt sich im Boden von Stellen höheren Potentials(=höhere potentielle Energie) zu solchen niedrigeren Potentials, weil es das niedrigstmögliche Energieniveau anstrebt.

→ Ψ_H positiv = Wasserbewegung nach unten, Ψ_H negativ = Wasserbewegung nach oben

Grundwasser: Matrixpotential wirkt nicht mehr im gesättigten Bereich, GW nur unter Einfluss von Schwerkraft und hydrostatischem Druck

Ursachen für Hochwasser:

• lang andauernde, intensive Niederschläge: lokal/regional, klimabedingt, jahreszeitlich
• Abfluss einer Schneedecke: regional, jahreszeitlich
• Wassersättigung: gesättigter Boden kann kein Wasser mehr infiltrieren, lokal, nach Landregen
• Bodenfrost: keine Infiltration, regional, vor allem in Arktis, Hochgebirge
• Eisstau in Flüssen: lokal, jahreszeitlich
• Urbanisierung (schnellere Abflüsse aus Städten): Versiegelung verhindert Infiltration
• Staudammversagen
• Stürme an Küsten
• Katastrophale Ausbrüche (Jökulhlaups: Sturzflut, wenn Gletscher aufgestaute Wassermassen plötzlich den Staudamm aus Eis durchbrechen)

Denke das ist damit gemeint...

\(Q = Ks* \frac{\Delta h}{l}\)

• Q = Durchfluss, Volumen des in einer bestimmten Zeiteinheit fließendes Wassers
• Ks = hydraulische Leitfähigkeit für spezifische Permeabilität
• l = Länge des Flussweges
• delta h = vertikaler Höhenunterschied
• je größer delta h, desto schneller
• je größer l, desto langsamer
• je größer Ks, desto schneller
• je größer das Gefälle, desto kleiner Ks und somit desto kleiner das Grundwasserleitervermögen
• --> für gesättigte Verhältnisse = Grundwasser

1. Beides sind Prozesse die Oberflächenabfluss generieren. Horton'scher Abfluss entsteht, wenn die Niederschlagsrate > Infiltrationsrate ist. Sättigungsflächenabfluss, wenn der Boden vollständig gesättigt ist und kein Wasser infiltrieren kann (gehört eig auch zu Aufg. 2).
2. Sättigungsflächenabfluss: in der Nähe der Vorfluter (Auen) und Horton'scher: auf dafür geeigneten Flächen (abhängig von Landnutzung und Bodenart)
3. Je feinkörniger der Boden, desto geringer die Infiltrationsrate und desto höher der Oberflächenabfluss (Horton). Der Sättigungsflächenabfluss ist unabhängig von der Bodentextur und der Niederschlagsintensität.

Aquifer: Grundwasserleiter, der durch die Grundwasseroberfläche und die Grundwassersohle begrenzt wird

Aquiclude: undurchlässige Deckschicht (Grundwassernichtleiter) die den Austausch zwischen Aquiferen verhindert.

Oberflächen- und Grundwasser:

• es kommt zu effluenten (Grundwasser geht zum Fluss über wenn Grundwasser-Stand > Flusswasserstand) bzw. influentem (Fluss zu Grundwasser) Austausch
• effluent: Wasser aufnehmend
• influent: Wasser abgebend

Ungesättigte Bodenzone und Grundwasser:

• Versickerung (Perkolation)
• kapillarer Aufstieg

1. Verschiedene Aquifertypen:

• Porenaquifere: Lockergesteinsquifere ohne Klüfte oder Trennfugen
• Kluftaquifere: Festgesteinsaquifere ohne Porenraum
• Karstaquifere: Festgesteinsaquifere entstanden durch Verkarstung lösungsfähiger Gesteine

2. Unterschied gespannte und ungespannte Grundwasserleiter:

• Gespanntes Grundwasser: wird druch eine undruchlässige (Grundwassernichtleiter) oder schlecht durchlässige Deckschicht (Grundwasserhemmer) am Aufstieg gehindert. Der Grundwasserleiter ist hierbei bis zur Deckschicht vollständig mit Wasser gefüllt.
• Freies (ungespanntes) Grundwasser: oberflächennahes Grundwasser, das über Poren und Klüfte in direkter Verbindung mit der Atmosphäre steht

3. Wasserbilanz eines Aquifers:

Zufluss = Abfluss +- Speicheränderung

deltaS = Sickerwasser (Perkolation) + künstliche Versickerung + Uferfiltration - Quellenschüttung - kapillarer Aufstieg - Drainage - Abpumpen

Abflusskomponenten:

• Oberflächenabfluss: Teil des Abflusses, der dem Vorfluter oberirdisch zufließt, ohne in den Boden eingedrungen zu sein
• Zwischenabfluss (interflow): Teil des Abflusses, der dem Vorfluter oberflächennah oberhalb des Grundwassers bzw. über das Grundwasser zufließt
• Basisabfluss: Teil des Abflusses, der dem Vorfluter mit großer zeitlicher Verzögerung aus dem Grundwasser unterirdisch zufließt

Hochgebirge:

• viel Oberflächenabfluss & Zwischenabfluss
• große Flächen mit geringmächtigem Böden, die eine geringe Speicherfähigkeit und Infiltrationsrate aufweisen
• Zwischenabfluss oft an Grenze zum Festgestein
• Grundwasser aufgrund der wenigen Klüfte oft von geringer Bedeutung

Mittelgebirge:

• dominant Zwischenabfluss, Oberflächenabfluss geringer als im Hochgebirge
• Grundwasserabfluss vorhanden, aber geringer als im Flachland; höhere Infiltrationsrate da die Böden mächtiger sind (hängt von Vegetationsdecke ab)
• hoher Anteil an Zwischenabfluss an der Grenze zum Festgestein und biogenen Makroporen
• Grundwasser aufgrund der wenigen Klüfte oft von geringer Bedeutung

Flachland:

• dominant: Grundwasserabfluss
• Infiltrationsrate oft aufgrund höhrer Sandanteile hoch (abhängig von Bodenverteilung und Vegetationsbedeckung)
• hohe Grundwasserneubildung und Grundwasserabflüsse da Porenaquifere das Wasser gut leiten

• Wasser ist ein Dipol und hat eine positiv und eine negativ geladene Seite
• Mineraloberflächen des Bodens sind negativ geladen, daher kann über Adhäsion Wasser gehalten werden
• --> Adsorptionswasser
• Wasser ist ein Dipol und hat eine hohe Oberflächenspannung
• daher bildet es Menisken aus
• dadurch kann weiteres Wasser gegen die Schwerkraft gehalten werden
• --> Haftwasser

• nutzbare Feldkapazität ist die Differenz aus der Feldkapazität (Wassermenge die gegen die Schwerkraft gehalten werden kann) und dem permanenten Welkepunkt (Wasser, welches nicht pflanzenverfügbar ist):
• \(\Theta_{nFk} = \Theta_{FK}-\Theta_{PWP}\)
• Tonboden: \(\Theta_{FK}\) und \(\Theta_{PWP}\) hoch --> \(\Theta_{nFK}\) gering
• Sandboden: \(\Theta_{FK}\)und \(\Theta_{PWP}\)gering --> \(\Theta_{nFK}\) gering
• Schluffboden: \(\Theta_{FK}\) und \(\Theta_{PWP}\)mittel groß --> \(\Theta_{nFK}\)am größten von allen Texturen

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

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

• Der Tripelpunkt ist der Punkt, indem alle Aggregatzustände von Wasser unter bestimmten Druck und Temperatur vorkommen können.
• Es ist unterteilt in: Sublimationskurve, Schmelzdruckkurve und Dampfdruckkurve.
• Der Tripelpunkt liegt bei 273,16K und 6,09 hPa.

Wasserhaushaltsgleichung: \(P = ET + R + \Delta S\ [mm\ a^{-1}]\)

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

In beiden Gleichungen ist der Term ET (Verdunstung) vorhanden. Für Verdunstung wird Wasser und Energie benötigt, daher sind die beiden Haushalte untrennbar miteinander gekoppelt.

• P.. Niederschlag
• ET.. Verdunstung (Evapotranspiration)
• R.. Abfluss
• delta S.. Speicheränderung (Schnee, Eis, Oberflächenwasser, Bodenwasser, Grundwasser)
• RN.. Nettoeinstrahlung oder Strahlungsbilanz
• B.. Bodenwärmestrom
• H.. Strom fühlbare Wärme
• I ET.. Strom latenter Wärme