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Hydrologie Vorlesungen WiSe 2021 Zusammenfassungen
Grundlagen der Hydrologie (123007)
Ruhr-Universität Bochum
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HydrologieText Vorschau
Hydrologie
1. Vorlesung – Einzugsgebiet und Niederschlag
Globale Wasservorkommen der Erde Hydrosphäre : Teil der Erde, der die ober- und unterirdischen Wasservorkommen umfasst Wasseraustausch zwischen Atmosphäre und Meeren und Landmassen durch die Prozesse Niederschlag und Verdunstung Treibende Kräfte des Transportsystems: Sonnenstrahlung (Verdunstung) und Gravitation (Niederschlag, Abfluss) Mengenmäßige Abschätzung schwierig, aufgrund der räumlich-zeitlichen Verteilung und Dynamik sowie fehlende klare Abgrenzung des Grundwassers
Die Strahlung als Haupttreiber des Wasserkreislaufs
Räumlich differenzierte Ausprägung des Klimas
Verfügbarkeit an Energie (abhängig vom Breitengrad) Verteilung von Meer- und Landflächen Einfluss kalter und warmer Meeresströmungen Verteilung von Gebirgen und Tiefländern Großräumiger Transport von Lufteigenschaften im Zirkulationssystem der Atmosphäre
Strahlungsbilanz: Rn = RS + RH – Rkw - RA + RGg - Rlw
Rn= Nettostrahlung oder Strahlungsbilanz [W/m²] RS= direkte kurzwellige Sonnenstrahlung [W/m²] RH= diffuse kurzwellige Himmelsstrahlung [W/m²] RG= RS + RH = Globalstrahlung [W/m²] Rkw= kurzwelliger, reflektierter Anteil der Globalstrahlung [W/m²] RA= langwellige Ausstrahlung der Erdoberfläche [W/m²] RGg= langwellige atmosphärische Gegenstrahlung [W/m²] Rlw= langwelliger reflektierter Anteil der Gegenstrahlung [W/m²]
Globale Strahlungsbilanz
Klimazonen
Grobe Unterteilung in 5 physische Klimazonen betont durch den Einfluss der Sonneneinstrahlung 8 Grundlagen der Hydrologie Tropen : Die Jahreszeiten haben keine thermische Ausprägung. Es herrscht ein Tageszeitenklima (die täglichen Temperaturschwankungen größer als die jährlichen). Subtropen : thermisch definiert als die Klimazone mit hoher Sommer- und mäßiger Winterwärme. Gemäßigte Zone : weist einen großen Unterschied zwischen den Jahreszeiten auf, Unterschiede zwischen Tag und Nacht. Subpolare Zone : Klimazone, die den Übergang zwischen polarer Klimazone und gemäßigter Klimazone bildet. Polarzone : im Bereich des nördlichen Polarkreises, die Arktis, sowie den Kontinent der Antarktis.
Wasserhaushaltsgrößen Wasserhaushaltsgrößen der Erde Mittlere Wasserhaushaltsgrößen für die Kontinente und Ozeane in km³/Jahr und mm/Jahr Wassermengen [km³] als Höhe einer Wasserschicht [mm] bezogen auf ein definiertes Gebiet [km²] Hauptteil der Wasservorkommen ist in den Weltmeeren zu finden Globale Unterschiede der Wasserhaushaltsgrößen über die Kontinent
Das Einzugsgebiet
Einzugsgebiete als Mosaiksteine des globalen Wasserhaushalts Einzugsgebiet = wichtigste hydrologische Raumeinheit! Unterscheidung zwischen Einzugsgebieten von Flüssen, Seen, Grundwasser Die Bewältigung wasserwirtschaftlicher Aufgaben verlangt feinere räumliche Struktur statt großer Einheiten wie z. Kontinente oder Klimazonen Bildung relevanter Raumeinheiten = hydrologische Systeme Einzugsgebiete eignen sich zur Analyse hydrologischer Prozesse und Speichervorgänge
Hydrologische Grundbegriffe
Das Einzugsgebiet „Ein Einzugsgebiet, das auch als Wasserzustrombereich bezeichnet wird, zeichnet sich dadurch aus, dass jedes Wasserteilchen, das hier zum Abfluss wird, dieses Gebiet durch den zugehörigen Flussquerschnitt verlässt.“ (aus Fohrer u., 2016)
Das oberirdische Einzugsgebiet Begrenzung: oberirdische Wasserscheide Konstruktion anhand der Höhenlinien (Isohypsen) mittels topografischer Karten; Beginn am Flussquerschnitt, dann beidseitig senkrecht zu den Höhenlinien bergaufgehend, bis jeweils der Geländehochpunkt erreicht wird; In dem Geländehochpunkt kehrt sich das Geländegefälle um, d. vollzieht sich der Übergang in das Nachbareinzugsgebiet; Von den beiden links- und rechtsseitigen Hochpunkten aus verläuft die Wasserscheide weiter über die Höhensättel und Berggipfel, die das Einzugsgebiet umsäumen, bis sich der links- und rechtsseitige Verlauf vereinen; Im Bereich der Höhensättel ist die Fließrichtung beidseitig der Wasserscheide genau entgegengesetzt, d. im Inneren in das Gebiet hineingerichtet, und außerhalb von diesem weg.
Ermittlung der Wasserscheiden
Unterschied zwischen oberirdischem (AEo) und unterirdischem (AEu) Einzugsgebiet
Wichtigste Merkmale: Gewässer und Teileinzugsgebiete Höhenverhältnisse, Relief, (Gefälle) Landnutzung Bodenarten
Digitale Formate Raster Vektoren Punktdaten Polygone
Niederschlag entsteht durch Abkühlung feuchter Luftmassen!
Konvektive Niederschlagsbildung Konvektiver Niederschlag entsteht durch heftige vertikale Luftströmungen bei einer instabilen Luftschichtung der Atmosphäre. Erwärmung bodennaher Luftmassen bilden einen vertikalen Auftrieb mit hoher Kondensation (wenn die aufsteigende Luft einen hohen Feuchtigkeitsgrad aufweist).
schnelleres Aufsteigen feucht-warmer Luftmassen, Gewitter, Starkregen In kleinen Einzugsgebieten können Abflüsse und Überschwemmungen auftreten
Orographische Niederschläge (Steigungsregen) Entstehen im Stau an der Luv-Seite von Gebirgen, feuchte Luftmassen sind gezwungen aufzusteigen. Folge: langanhaltende Stauniederschläge (z. Alpennordrand, Nordwestausläufer der Mittelgebirge).
Niederschlagsvariablen Niederschlagshöhe Nj [mm/Δt]: Wasserdargebot aus atmosphärischen Niederschlägen pro Zeiteinheit Δt (Tages-, Monats-, Jahreszeiträume) an einem Ort. Ausgedrückt als Wasserhöhe über eine horizontale Fläche. Zur Erstellung von Wasserbilanzen, meist für längere Δt mit z. Δt = 1d und Δt = 1a Niederschlagsintensität Nint [mm/Δt]: Niederschlagsmenge, die pro Zeit an einem bestimmten Ort fällt. Beschreibt die Dynamik des Niederschlagsverhaltens, Angaben für kleinere Zeitintervalle üblich (z. Δt = 1h). Niederschlagsdauer ND [Δt]: Zeitspanne, in der der Niederschlag fällt Niederschlagsspende rN [l/(s·ha)] oder [l/(s·km²)]: Quotient aus dem Volumen des in einer bestimmten Zeitspanne gefallenen Niederschlags und dem Produkt aus dieser Zeitspanne und dieser Fläche Niederschlagsereignis : Zeitabschnitt, in dem der Niederschlag aufgetreten ist. Charakterisiert durch Niederschlagshöhe, Dauer, zeitlichem Verlauf und räumliche Verteilung
Niederschlagsmessung Punktuelle Messmethode: Niederschlagsmesser nach Hellmann • Manuelle Messung Messzeit gewöhnlich 07:30-07:30 Uhr (Δt = 1d) Regenschreiber Zeitintervalle ab 5 Minuten Niederschlagssummenlinie Digital aufzeichnende Geräte Messgeräte mit Tropfenzähler und Wippe oder Gerät mit Wägeprinzip (DWD) Zeitintervalle ab 1 Minuten
Messfehler in der Punktmessung In der Punktmessung tritt ein systematischerFehler auf. Der tatsächliche Niederschlag wird grundsätzlich unterschätzt! Niederschlagsmessfehler: drei Zufallskomponenten a) Fehler durch Windfelddeformation: 5 - 10 % zu wenig Niederschlag, die im Sommerhalbjahr wesentlich geringer sind als im Winter (Schnee!). b) Benetzungsverluste: Auffangteil des Regenmessers vor allem bei starker Sonneneinstrahlung im Sommer und kann bis zu 5 - 10 % des Jahresniederschlages betragen. c) Verdunstung aus der Sammelkanne: 1 - 3 %
Nicht punktuelle Messmethode : Radarmessung Aussenden von Impulsen (Wellenlänge 1-10 cm, Frequenz 3-30 GHz) Impulse werden von den Tropfen teilweise reflektiert und am Radarstandort wieder empfangen Aus der Stärke des Empfangssignals kann auf die Niederschlagsmenge und aus der Laufzeit die Entfernung bestimmt werden. Vorteil: hohe raum-zeitliche Auflösung Nachteil: relativ hohe Ungenauigkeiten in der Messung der Reflektivitäten und Umrechnung in Niederschlagsintensitäten
Nicht punktuelle Messmethode: Satellitenmessung Verschiedene Sensoren z. Infrarot, sichtbare Strahlung, passive und aktive Mikrowellen Raum-zeitliche Auflösung geringer als bei der Radarmessung Vorteil: von Nutzen, wo geringe Stationsdichte konventioneller Niederschlagsmessnetze und keine Bodenradarmessung Fehler können erheblich sein
Vom Punkt- zum Gebietsniederschlag Für hydrologische Fragestellungen interessiert häufig der Niederschlag ganzer Gebiete bzw. die räumliche Niederschlagsverteilung im Gebiet mit ggf. hoher zeitlicher Auflösung Mit Ausnahme der Fernerkundungsmethoden wird der Niederschlag nur punktuell gemessen Verfahren zur Übertragung von Punktwerden in die Fläche Zu beachten: räumliche Ausdehnung, Lage und Bewegungsrichtung von Niederschlagsfeldern variieren, ebenso die raum-zeitliche Verteilung
Lösung: Interpolationsverfahren oder Verfahren der Gebietsmittelung Thiessen-Polygonverfahren Verfahren der Inversen Distanz Quadrantenverfahren Isohyetenmethode
Bemessungsniederschlag Benötigt: Kenntnisse über Starkniederschlagsereignisse zur Dimensionierung von Bauwerken Starkniederschlag definierter Höhe, Dauer, Wahrscheinlichkeit
Was Sie wissen sollten... Sonnenstrahlung und Gravitation treiben den Wasserkreislauf an Die Wasserhaushaltsgleichung ist die zentrale Gleichung für alle Wasserbilanzbetrachtungen Das Einzugsgebiet ist die wichtigste räumliche Einheit in der Hydrologie (Begrenzung: oberirdische Wasserscheide) Der Gebietsniederschlag ist die Niederschlagshöhe gemittelt über einem bestimmten Gebiet (Interpolationsverfahren, Verfahren der Gebietsmittelung) Bemessungsniederschläge sind Starkniederschlagsereignisse definierter Höhe, Dauer und Wahrscheinlichkeit (bzw. Wiederkehrintervall) Das Schneewasseräquivalent ist die Wassermenge, die in der Schneedecke als Eis oder Wasser gespeichert ist
über einer Landfläche unter den gegebenen meteorologischen Standortbedingungen wie Boden und Bewuchs aufgrund der Verfügbarkeit von Wasser tatsächlich einstellt. Verdunstung abhängig von der vorhandenen Wassermenge und der verfügbaren Energie
ETpot ≥ ETreal
Über Wasserflächen: ETpot = ETreal
Komponenten der Verdunstung Beispiel: In mitteleuropäischen Landschaften hat die Transpiration mit ca. 50-70% den größten Anteil an der Evapotranspiration, die Interzeptionsverdunstung einen Anteil von ca. 15-40% und die Evaporation einen Anteil von ca. 5-25%
Einflussgrößen bei der Verdunstung
Einflussgrößen auf die Höhe der Verdunstung
Welche Verdunstung soll berechnet werden?
Wichtigster Faktor: Energie (Strahlung)
Einflussgrößen bei der Verdunstung
Berechnung der Verdunstung Was bestimmt die Verdunstung? 1. Verdunstung ist Teil der Wasser- und Energiebilanz Umwandlung von Energie (aus Strahlung oder Wärmezufuhr) in eine Aggregatszustandsänderung des Wassers von flüssiger oder fester Form in den gasförmigen Aggregatzustand. 2. Verdunstung ist ein latenter (versteckter) Wärmestrom Kühlt die Erdoberfläche und transportiert die Energie in die Atmosphäre. Ca. zwei Drittel des natürlichen Treibhauseffekts werden vom Wasserdampf verursacht. Ohne Treibhauseffekt: - 18°C, mit Treibhauseffekt +15°C
Beispiel Klimaänderung: Vulnerabilität Klimatische Wasserbilanz = Niederschlag – potenzielle Verdunstung Die klimatische Wasserbilanz , Maß für das Wasserangebot in einem Gebiet, liefert Hinweis darauf, welche Vegetation in einem Gebiet anzutreffen ist. Niederschlagsverminderungen und Verdunstungserhöhungen werden dort problematisch, wo bereits heute der Bilanzüberschuss klein ist
Messmethoden
Was Sie wissen sollten... Die Verdunstung ist ein Prozess, bei dem Wasser bei Temperaturen unter dem Siedepunkt vom festen oder flüssigen Aggregatzustand in den gasförmigen übergeht Wasser- und Wärmehaushalt sind durch die Verdunstung gekoppelt Die Berechnung der realen Verdunstung erfolgt in der Regel über die Zwischengröße potenzielle Verdunstung Der Abfluss wird meist indirekt über die Fließgeschwindigkeit im Fließquerschnitt ermittelt Die Abflusskurve ermöglicht die kontinuierliche Erfassung von Abflüssen über die Messung des Wasserstands an einem Pegel Gewässerkundliche Hauptwerte sind statistische Kennwerte zur Charakterisierung des Abflusses an einem Pegel
3. Vorlesung - Abflussbildung
Teilprozesse des Wasserkreislaufs In der Ingenieurhydrologie werden die Prozesse des hydrologischen Kreislaufs aus dem Gesamtzusammenhang herausgenommen und getrennt voneinander betrachtet.
Die Abflussbildung als Teil der Abflussprozesse Die Abflussbildung bestimmt den Teil des Niederschlags, der zum Abfluss kommt Vorgänge auf der Oberfläche, der ungesättigten und gesättigten Bodenzone Anteil des Niederschlags (Wasserkreislaufs), der nicht in die Atmosphäre abgeführt und nicht in Boden oder Vegetation zurückgehalten wird „Effektivniederschlag“ oder „abflusswirksamer Niederschlag
Abflussprozesse Oberirdische Abflussprozesse 1. Regenintensität > aktuelle Rate der Infiltration → Oberflächenabfluss infolge von Infiltrationsüberschuss 2. Die Geländeoberfläche ist wassergesättigt und kann keinen Niederschlag mehr aufnehmen → Oberflächenabfluss infolge von Sättigungsüberschuss 3. (Return Flow, kurzzeitig infiltrierter und nachfolgend wieder an die Oberfläche getretener Abfluss, kann zum Oberflächenabfluss gezählt werden)
Direktabfluss = Oberflächenabfluss + Zwischenabfluss
Abflussprozess ... beruht auf drei Vorgängen: a) dem Prozess der Abflussbildung, bei dem der zum Direktabfluss gelangende Wasseranteil (Effektivniederschlag) aus dem Niederschlag gebildet wird, b) den Prozessen des Zusammenfließens des Wassers auf und unter der Landoberfläche bis zum Gewässer (Abflusskonzentration) und c) dem Fließprozess im offenen Gerinne (Wellenablauf).
Was bedeutet Abflussbildung? Abflussbildung = die hydrologischen Prozesse, die in ihrer Gesamtheit zum Abfluss im Fließgewässer des Einzugsgebiets beitragen Bilden zusammen mit Niederschlag, Verdunstung und Speichervorgängen die wesentlichen Prozesse des Wasserkreislaufs Beeinflussen die Ausprägung von Hochwasserereignissen (und Niedrigwasserperioden) Abhängig von Raum und Zeit Naturräumlichen Ausstattung des Einzugsgebiets Klimatologischen Randbedingungen Wirkung anthropogener Eingriffe Wieviel Wasser fließt in einer bestimmten Zeit als Direktabfluss ab? Bezug auf das zugehörige Einzugsgebiet → Einheit [mm] Teilweise auch Angaben als Anteil des Niederschlags [- oder %] Oder als Anteil des Abflusses [l/s]
Abflussbildung: Eigenschaften des Einzugsgebiets Naturräumliche Ausstattung Relief (Tiefland, Hügelland, Gebirge, Hangneigung) Bodeneigenschaften, insbesondere Bodenmächtigkeit und –porosität Geologische und geomorphologische Situation Grundwasserbedingungen, insbesondere Grundwasserflurabstand Bewuchs bzw. Vegetation Hydrometeorologische Randbedingungen Niederschlagsmenge Regenintensitäten Bodenwassergehalt im Gebiet vor Niederschlagsbeginn Potenzielle und aktuelle Verdunstung Anteil von Schneefall am Niederschlag Temperatur (Schneefall und Schneeschmelze) Relevanz von Gletschern Anthropogener Einfluss Kulturpflanzen in Land- und Forstwirtschaft Versiegelung und/oder Verdichtung von Teilen der Geländeoberfläche Entwässerung urbaner Flächen durch die Kanalisation Entwässerung landwirtschaftlicher Flächen durch Drainagen Gezielte Rückhaltemaßnahmen wie Rückhalte- oder Überlaufbecken
Verfahren zur Bestimmung des Effektivniederschlags
Effektivniederschlag ... auch effektiver Niederschlag oder abflusswirksamer Niederschlag Anteil des Gebietsniederschlages, der in einem Einzugsgebiet als Direktabfluss unmittelbar nach einem Niederschlagsereignis zum Abfluss gelangt. Gebietsrückhalt (Verluste) ist sehr stark zeitabhängig: Beginn des Niederschlages: Gebietsrückhalt besonders groß, da die Vegetationsdecke, ggf. vorhandene Schneedecke und Vertiefungen an der Oberfläche bis zu einem Grenzwert viel Wasser speichern können (Benetzungs- und Muldenverlust) Die Auffüllung der Bodenwasservorräte erfolgt wesentlich langsamer (Versickerungsverlust) Ein weiterer Teil verdunstet (Verdunstungsverlust) Die Gesamtheit der Verluste (Verlustrate) nimmt mit der Zeit langsam ab. Der Anteil des effektiven Niederschlages am Niederschlag wird mit zunehmender Zeit bei anhaltenden Niederschlägen größer.
Ansätze zur Bestimmung des Effektivniederschlags
Niederschlagshöhenanhängiger Ansatz
Der Abflussbeiwert C Abflussbeiwerte in Abhängigkeit von der Art und dem Gefälle der Bodenoberfläche Neff = C * N
Abflussbeiwerte in Abhängigkeit von der Bebauung
Niederschlagsintensitätabhängiger Ansatz
Niederschlagsintensitätabhängiger Ansatz Ermittlung der ereignisabhängigen Höhe des Effektivniederschlags und dessen zeitlicher Verlauf Verlauf von zeitlicher Verteilung des Niederschlags sowie zeitlicher Veränderung des Infiltrationsvermögens abhängig. Annahme: Direktabfluss besteht nur aus Oberflächenabfluss Infiltration ist ein Verlust für den Direktabfluss Der nicht vom Boden aufgenommene Niederschlag ist abflusswirksam
Infiltrationskurven – zeitlicher Verlauf der Infiltration
Infiltration nach Horton Empirische Methode Veränderung der Infiltrationsrate mit der Zeit Berechnung der Infiltration zu einem bestimmten Zeitpunkt: f(t) = fc + (f 0 – fc) e-kt mit: f 0 = anfängliche Verlustintensität [mm/h] fc = konstante Endinfiltrationsrate [mm/h] K = konstante, abhängig vom Boden und Landnutzung [1/mm] t = Zeit nach Niederschlagsbeginn [h]
Inflationsrate Die Parameter f 0 und fc sind sowohl vom Boden als auch von der Landnutzung abhängig.
Sand oder Kiese haben hohe f 0 und fc –Werte im Vergleich zu bindigen Böden. Zusätzlich erhöhen sich die Werte, wenn die Böden vegetationsbedeckt sind. Die Anfangsinfiltrationsrate ist von der Anfangsbodenfeuchte abhängig. Unbedeckte Böden haben große k-Werte, aufgrund der Verschlämmung sehr schneller Abfall der Infiltrationsrate Was Sie wissen sollten... ✓ Die Abflussbildung bestimmt den Teil des Niederschlags, der zum Abfluss kommt (Effektivniederschlag) ✓ Oberflächenabfluss und schneller Zwischenabfluss werden als Direktabfluss zusammengefasst (Zwischenabfluss bei vereinfachter Betrachtungen vernachlässigt) ✓ Oberflächenabfluss infolge von Infiltrationsüberschuss (Horton Ansatz) oder Sättigungsüberschuss ✓ Die Abflussbildung wird im Allgemeinen durch gebietsspezifische Parameter beeinflusst: z. Boden, Landnutzung, Bodenfeuchtezustand ✓ Niederschlagshöhen- und Niederschlagsintensitäts-abhängige Verfahren zur Bestimmung des Effektivniederschlags
4. Vorlesung – Abflusskonzentration
Vom Effektivniederschlag zum Abfluss
Abflusskonzentrationsphase Bestimmt die zeitliche Verteilung des Direktabflusses Zeitlich verzögert (Translation) Verformt (Retention) Konzentrationszeit tc, Zeitdifferenz Zeitdifferenz zwischen Ende des Effektivniederschlages und Ende des Direktabflusses
Abflusskonzentration: wesentliche Kenngrößen Wesentliche Kenn- und Einflussgrößen: Länge und Dichte der Fließpfade hydraulische Eigenschaften Steilheit/Gefälle Größe und Form des Einzugsgebiets
Sie beeinflussen die Geschwindigkeit, mit der Wasser aus der Fläche abgeleitet wird. beeinflussen damit auch die Scheitelhöhe einer Abfluss- oder Hochwasserwelle. Grundsätzlich gilt: Je länger und hydraulisch rauer der Fließweg, desto verzögerter der Abfluss und desto geringer der Scheitel der Abflusswelle.
Prozess der Translation Annahme: versiegelte Fläche
Hydrologie Vorlesungen WiSe 2021 Zusammenfassungen
Kurs: Grundlagen der Hydrologie (123007)
Universität: Ruhr-Universität Bochum
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