Vorlesung 2 (Wasserhaushaltsbilanzgrößen )

Question 1

Messgeräte für die Bestimmung der Verdunstung:

Answer 1

• Wild’sche Verdunstungswaage
• Floßverdunstungskessel
  
  • auf See
  • Evaporation eines Sees bestimmen
• Landverdunstungskessel
  
  • am häufigsten benutzte Methode zur Erfassung der Evaporation am Land
  • Vögel, Insekten verfälschen Messung
• Wasserbilanzschreiber nach Klausing
  
  • Zeichnet Veränderungen auf
• Evaporimeter nach Popoff
  
  • Loch im Boden, Trichter in einen Behälter, Loch zu
  • Bodensickerwasser messen
• wägbare Lysimeter

Question 2

Bestimmung des Wasserstandes mit Hilfe von:

Answer 2

• Lattenpegel
• Stechpegel
• Ultraschallsonde
• Schwimmerschreibpegel.

Question 3

Weitere Namen für das Kessler-Wehr:

Answer 3

• Proportionalwehr
• Lineares Messwehr
• Hyperbolisches Wehr
• Linear, große Wassermengen
• Kann zu Messfehlern kommen
  
  • nichtgleichmäßige Bewegung

Question 4

Arbeitsschritte zur Bestimmung des Abflusses mit Hilfe des hydrometrischen Messflügels:

Answer 4

1. Auswahl der Messstelle
2. Bestimmung des Abflussquerschnittes
3. Festlegung der Messlotrechten
4. Bestimmung der Fließgeschwindigkeit an mehreren Punkten der Lotrechten
5. Integration der Punktmessungen zur Flächengeschwindigkeit
6. Integration der Flächengeschwindigkeiten zur Raumgeschwindigkeit

Question 5

Gewässerkundliche Hauptzahlen:

Answer 5

• HH
  
  • ⇒ insgesamt höchster bekannter Wert
• H
  
  • ⇒ höchster Wert in einem bestimmten Zeitraum
• MH
  
  • ⇒ arithmetisches Mittel der Höchstwerte verschiedener Abflussjahre
• M
  
  • ⇒ arithmetisches Mittel in einem bestimmten Zeitraum
• MN
  
  • ⇒ arithmetisches Mittel der Niedrigstwerte verschiedener Abflussjahre
• N
  
  • ⇒ niedrigster Wert in einem bestimmten Zeitraum
• NN
  
  • ⇒ insgesamt niedrigster bekannter Wert.

Question 6

Fallender Niederschlag:

Answer 6

• Unter fallenden Niederschlag versteht man die mittelbare Kondensation bzw. Sublimation von Wasser in der freien Atmosphäre
• Unter _flüssigen_, fallenden Niederschlag versteht man entweder:
  
  • Sprühregen bzw. Nieseln
    
    • ⇒ sehr kleine Wassertropfen mit einem Durchmesser von 0,2 bis 0,5 mm
  • Regen
    
    • ⇒ fallende Wassertropfen mit einem Durchmesser von 0,5 bis 3 mm
• Unter _festen_, fallenden Niederschlag versteht man entweder:
  
  • Schnee
  • Griesel
    
    • ⇒ weiße, undurchsichtige und abgeplattete Körnchen von schneeähnlicher Struktur
  • Reifgraupeln
    
    • ⇒ weiße, undurchsichtige und runde Körnchen von schneeähnlicher Struktur
  • Frostgraupeln
    
    • ⇒ halbdurchsichtige, runde Körnchen aus gefrorenem Wasser
  • Hagel
    
    • ⇒ Eiskugeln oder Eisstücke mit einem Durchmesser > 5 mm
  • Eiskörner und Eisnadeln

Question 7

Abgesetzter Niederschlag:

Answer 7

• Unter abgesetzten Niederschlag versteht man die unmittelbare Kondensation bzw. Sublimation des Wasserdampfes an oder nahe der Erdoberfläche
• Unter flüssigen, abgesetzten Niederschlag versteht man entweder:
  
  • Nebelniederschlag
  • Tau
  • Taubeschlag
• Unter festen, abgesetzten Niederschlag versteht man entweder:
  
  • Reif
    
    • ⇒ Dampfkondensation an kalter Fläche
  • Rauhreif
    
    • ⇒ Dampfkondensation bei schneller Temperaturabnahme unter den Taupunkt bei langer Kondensationszeit

Question 8

Größen der Niederschlagsmessung (nach DIN 4049-3):

Answer 8

• Niederschlagshöhe Nh / [mm]
• Niederschlagsmenge NQ / [L/Flächeneinheit]
• Niederschlagsspende Nq / [L s-1 km-2]
• Niederschlagsintensität Ni / [mm h-1]
• Niederschlagshäufigkeit NH / [Anzahl der Tage mit hN > 0,1 mm/Monat]
• Niederschlagsdauer Nt / [h].

Question 9

Fehler in der Niederschlagsmessung durch:

Answer 9

• Windeinfluss
• abgesetzte Niederschläge
• Evaporation
• Skalenproblem

Question 10

Messgeräte für die Niederschlagsbemessung:

Answer 10

• Regensammler (nach Hellmann)
  
  • Schneekreuz, damit nichts raus fällt
• Totalisator
• Regenwaage
  
  • Bei viel Regen unpraktisch, Maikäfer

Question 11

Niederschlag: Interzeption und Bestandsniederschlag

Answer 11

• Interzeption: temporäre Speicherung des Niederschlages auf den Oberflächen oberirdischer Pflanzenteil
  
  • Bei Pflanzen unterschiedlich
    
    • ⇒ Stammabfluss bei Buche groß
• Bestandsniederschlag: Menge des Niederschlags, die innerhalb eines Pflanzenbestands den Erdboden erreicht

Question 12

• Die Niederschlagshöhe** eines **Gebietsniederschlages lässt sich durch folgende Verfahren berechnen:

Answer 12

1. arithmetisches Mittel
2. Verfahren nach THIESSEN (1911), erweitert von HORTON (1920)
3. Isohyetenverfahren
4. Hypsometrisches Verfahren

• Aufstellen einer hypsometrischen Kurve Auslesen der Flächenanteile F_i und mittleren Höhen H_i

Question 13

Verdunstung, Definitionen:

Answer 13

• Evaporationshöhe E_h (h_E)
  
  • Verdunstungshöhe von:
    
    • unbewachsenen Erdoberflächen (Bodenverdunstung)
    • auf Pflanzenflächen zurückgehaltenem Niederschlag (Interzeptionsverdunstung)
    • auf freien Wasserflächen (Seeverdunstung)
• Transpirationshöhe T_h (h_T)
  
  • Verdunstungshöhe von Pflanzenoberflächen aufgrund biotischer Prozesse
• Evapotranspirationshöhe ET_h (h_ET)
  
  • Summe aus Bodenverdunstung, Interzeptionsverdunstung und Transpiration
• potentielle Evapotranspiration ET_p
  
  • Verdunstungshöhe von Oberflächen bei gegebenen meteorologischen Bedingungen und unbegrenzt verfügbarem Wasser
  • potentielle Energie: Wasser kann nicht verdunsten (Wasser immer vorhanden, max. Wert)
• aktuelle Evapotranspiration ET_a
  
  • Verdunstungshöhe von Oberflächen bei gegebenen meteorologischen Bedingungen und begrenzt verfügbarem Wasser
  • aktuelle Energie: Wasser ist nur begrenzt verfügbar

Evaporation und Transpiration sind nicht gleich!

• Evaporation: Verdunstung [von Wasser]
• Transpiration: Abgabe von Wasserdampf durch die Spaltöffnungen der Pflanzen

Question 14

Formeln für die Berechnung der Verdunstung:

Answer 14

• nach Penman
  
  • Energiebilanz
• nach Albrecht & Haude
  
  • mit Windeinfluss bzw. Sättigungsdefizit
• nach Thornthwaite & Turc
  
  • mit Strahlung, Niederschlag und Temperatur

Question 15

Verdunstung, Berechnung: DALTON-Gleichung (1802)

-freie Wasseroberfläche-

Answer 15

• mit:
  
  • E_P potentielle Evaporation [mm d^-1]
  • e_w Sättigungsdampfdruck der Luft bei der Temperatur der Wasseroberfläche [mbar]
  • e_a aktueller Dampfdruck der mit der Wasserfläche in Kontakt stehenden Luft [mbar]
  • k Parameter zur Berücksichtigung von Luftdruck- und Luftdichteeinflüssen

Question 16

Verdunstung, Berechnung: aerodynamische Transportgleichung

Answer 16

• mit:
  
  • p_a Dichte der Luft [g cm^-3]
  • P_a Luftdruck [mbar]
  • v_z Windgeschwindigkeit in der Höhe z [cm s^-1]
  • e_a,z aktueller Dampfdruck in der Höhe z [mbar]
  • z Messhöhen [cm]
  • K Karman-Konstante, ca. 0.4 [-]

Question 17

PENMAN-Gleichung (1954)

-Freie Wasseroberfläche Land-

Answer 17

• mit:
  
  • E_o,p,h potentielle Verdunstungshöhe
  • H₀ Strahlungsbilanz
  • E_{<strong><em>a</em></strong>} Evaporation nach der Dalton-Beziehung
  • γ Psygrometerkonstante [0.65mbar/°C]
  • D Steigung der Sättigungsdampfdruckkurve

Question 18

Verdunstung, Berechnung: PENMAN-Gleichung (1954)

-komplexe Teilglieder-

Answer 18

• mit:
  
  • t_n aktuelle Sonnenscheindauer [h]
  • T mittlere Lufttemperatur [K]
  • e_a aktueller mittlerer Dampfdruck der Luft [mbar]
  • v₂ mittlere Windgeschwindigkeit in 2m Höhe[m s^-1]

Question 19

Verdunstung, Berechnung: Gleichung nach ALBRECHT (1951)

-Berechnung der monatlichen pot. Evapotranspirationshöhe-

Answer 19

• mit:
  
  • ET_p potentielle Evapotranspiration [mm M^-1]
  • e_{<strong><em>w</em></strong>} mittlerer Sättigungsdampfdruck [mbar]
  • e_a mittlerer aktueller Dampfdruck der Luft [mbar]
  • f(u) Korrektur Windeinfluss

Question 20

Verdunstung, Berechnung: Gleichung nach HAUDE (1955, 1959)

-Berechnung der täglichen pot. Evapotranspirationshöhe-

Answer 20

• Zwei Gleichungen, eine ohne und eine mit Lufttemperatureinfluss:

Question 21

Verdunstung, Berechnung: Gleichung nach THORNTHWAITE (1948)

-Berechnung der monatlichen pot. Evapotranspirationshöhe-

Answer 21

• Gleichung weltweit angewendet
• unbefriedigend in Trockengebieten, aufgrund des Fehlens** eines Terms für das **Sättigungsdefizit

Question 22

Verdunstung, Berechnung: Gleichung nach TURC WENDLING (Wendling et al. 1991)

-Berechnung der täglichen pot. Evapotranspirationshöhe-

[gilt nur für T_m> 0]

Answer 22

• mit:
  
  • ET_p potentielle Evapotranspiration [mm d^-1]
  • R Tagessumme der Globalstrahlung [J cm^-2]
  • T_{<strong><em>m</em></strong>} Tagesmittel der Lufttemperatur [°C]

Question 23

Verdunstung, Berechnung:

-Berechnung der aktuellen Evapotranspiration-

Answer 23

• Ansätze über die Wasserbilanz von Einzugsgebieten ⇒Gebietsverdunstung
• Untersuchungen der Wasserbilanz in Mitteleuropa belegen annähernd die Bedingungen:
  • Zunahme der Jahresmitteltemperatur um 1°C entspricht einer Zunahme der Verdunstungshöhe um 20–30mma^-1
  • Zunahme der Höhenlage um 100m entspricht einer Abnahme der Verdunstungshöhe um 5–10mma^-1

Question 24

Verdunstung, Berechnung: Gleichung 1 nach TURC (1954)

Berechnung der mittl. jährlichen aktuellen Evapotranspirationshöhe

Answer 24

• entwickelt durch die Auswertung der Wasserbilanz ET= N–A von 254 Einzugsgebieten in allen Klimatypen; ähnlich auch Wundt (1937)
• mit:
  
  • ET_a mittlere jährliche aktuellen Evapotranspirationshöhe [mm a^-1]
  • N mittlere jährliche Niederschlagshöhe [mm a^-1]
  • L Temperaturbeiwert
  • T mittlere Jahrestemperatur [°C]

Question 25

Mit welcher Gleichung kann ET berechnet werden?

Answer 25

Question 26

Abfluss, Definition:

Answer 26

• nach DIN 4049:
  
  • Unter dem Abfluss versteht man unter dem Einfluss der Schwerkraft auf und unter der Landoberfläche sich bewegendes Wasser
  • Im Speziellen bezeichnet der Abfluss ein Wasservolumen, welches einen bestimmten Querschnitt in einer gewissen Zeiteinheit durchfließt und einem Einzugsgebiet zuzuordnen ist.

Question 27

Abfluss: Klassifizierung von oberirdischen Gerinnen

Answer 27

• a) nach dem Basisabfluss:
  
  • Ephemere Flüsse: Flüsse ohne Basisabfluss, führen nur bei Niederschlag Wasser
  • Intermittierende Flüsse: Basisabfluss während der Niederschlagsperiode, keine Wasserführung in der Trockenzeit
  • Perennierende Flüsse: ganzjährig mit Wasserführung, Basisabfluss stellt einen wesentlichen Anteil des Abflusses dar
• b) nach der Vorflut:

1. Ordnung: Flüsse, deren Vorfluter das Meer ist
2. Ordnung: Flüsse, deren Vorfluter Flüsse 1. Ordnung sind u.s.w

.

Question 28

Verfahren zur Bestimmung des Abflusses in kleinen Gerinnen:

Answer 28

• Gefäßmessung
• Triftkörper
• Messung mit künstlichem Querschnitt:
  
  • Dreiecküberfall ⇒ Thompson-Wehr
  • Rechtecküberfall ⇒ Rehbock-Wehr, Poncellet-Wehr
  • hyperbolischer Überfall ⇒ Kessler-Wehr
• Messung mit lokaler Reduktion der Breite:
  
  • Venturi-Kanal
  • Parshall-Kanal
• Messung mit lokaler Hebung der Sohle:
  
  • Überfall mit breiter Krone
  • Dreiecksschwelle
• elektromagnetische Messungen (induktive Durchflusszähler)
• *punktuelle Geschwindigkeitsmessungen* (hydrometrischer Messflügel):
  
  • Kontinuierliche Eingabe
  • Dirac-Eingabe

Question 29

Abflussbestimmung mit Pegelschreibern:

Answer 29

Question 30

Abfluss, Messwesen: Thompson-Wehr

Answer 30

• Dreiecküberfall
• Vorteile:
  
  • Messung von Wasser im Gerinne
  • geringe Wassermengen nötig
• Nachteil:
  
  • bis ca. 0,15 m³s^-1

Question 31

Abfluss, Messwesen: Auswertung weiterer Wehrtypen

Answer 31

Question 32

Abflussbestimmung mit Indikatorverdünnungsmethode:

Answer 32

• Impfmethode:

Q = m/c*t Eingabemasse/Konz.* Zeit

[mg/mgL^-1* s]= Ls^-1

• kontinuierliche Zugabe:

Q₁ = Q₂* (c₂-c_t/c_t-c₀)

mit c₀ = 0 und Q₁>> Q₂

mit:

Q₂ Zustrom [L s^-1]

c₀ Konz. im Hauptstrom Q₁

c₂ Konz. Indikator im Zustrom Q₂

c_{<em><strong>t</strong></em>} Konz. Indikator im Gesamtstrom

Question 33

Wasserhaushalt: Bilanzierung

Answer 33

Question 34

Klimatische Wasserbilanz:

Answer 34

• In der globalen Wasserhaushaltsbilanz ist die Verdunstung V gleich des Niederschlags N

Verdunstung V = Niederschlag N

• Jährliches Bilanzvolumen des globalen Wasserhaushaltes umfasst 500.000 km³
• Wassergehalt der Atmosphäre wird ca. 38x pro Jahr erneuert
• Globale Wasserhaushaltsbilanz für das Festland (hierbei ist A das Abflussvolumen):

N = V + A

• Globale Wasserhaushaltsbilanz für die Ozeane (hierbei ist Z der Zustrom):

N = V - Z bzw. V = N + Z

• Wasserhaushaltsbilanz nach Dracos:
  
  • Oberfläche O ⇒ Perkolationsbereich I ⇒ Grundwasserleiter G ⇒ Tiefenspeicher TG
  • Die Wasserhaushaltsbilanz nach Dracos lässt sich durch Anwendung auf Einzugsgebiete vereinfachen