Kapitel Landschaftswasserhaushalt zusammenfassung umweltschutz PDF

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Einzugsgebiet und Wasserbilanz 3D

Grundwasserzufluss

Zufluss/Entnahme Bewässerung Tr (menschogischer Prozess) licher 2D Verbrauch, Industrie)

Interflow Zwischenabfluss Hangzugswasser

Wasserbilanz (unter stationären Bedingungen) Niederschlag N = Q + ET + ds/dt Evaporation (physikalisch Verdunstung) N – Niederschlag Q – Abfluss = QD (Direktabfluss) + Q gw Einzugsgebietsgrenze (Grundwasserabfluss) ET – Evapotranspiration ds/dt – Speicheränderung in Zeit (spielt keine Rolle bei einer Betrachtung >30 Jahre) Abfluss 1D Niederschlag

Niederschlag Evaporation Transpiration flächenabfluss Kapillaraufstieg

Versickerung

Grundwasser

Grundwasserzufluss

Wasserundurchlässige Drainagen Interflow (Zwischenabfluss) he gelangt, sondern aus dem Gebiet Als Zwischenabfluss wird der Anteil des Niederschlages bezeichnet, der als unterirdischer Abfluss den Wasserläufen zufließt oder eine Wasserströmung, die sich durch die oberen Schichten einer Formation mit einer Menge bewegt, die weit über der normalen Versickerung liegt. Wenn Niederschlagswasser die Oberfläche erreicht, versucht es nach Durchfeuchtung der Bodenoberfläche in den Boden zu infiltrieren. Dieser Prozess hängt ab vom Wasseraufnahmevermögen und der Durchlässigkeit der Böden sowie von der Vegetationsart. Nach der Infiltration des Erdbodens füllt das Niederschlagswasser die Bodenwasservorräte bis zum Erreichen der Feldkapazität auf. Überschüssiges Wasser wird in tiefere Bereiche abgeleitet. Wenn die Feldkapazität erreicht ist, sind die Voraussetzungen für die Bildung von Zwischenabfluss und Grundwasserneubildung gegeben. Durch weiteres Eindringen des Wassers in den Boden wird es an weniger durchlässigen Schichten zeitweilig gestaut und bildet dort temporär einen mit Wasser gesättigten Bereich. Dort bewegt es sich unter dem Einfluss der Schwerkraft dem größten Gefälle folgend oft hangparallel. Das Wasser wird erst mit einer Verzögerung über den Zwischenabfluss abgegeben, da die Fließzeit deutlich länger als beim Oberflächenabfluss ist. Sein Anstieg ist weniger steil, sein Scheitel tritt deutlich später ein und er klingt wesentlich langsamer ab. Der Zwischenabfluss geht in die Berechnung der Abflussganglinie ein.

Einzugsgebiet -

Die Fläche der Landschaft, aus dem ein Fließgewässer sein Wasser bekommt Durch Wasserscheiden begrenzt  Oberirdisch: Durch Reliefformen gebildet, unterirdisch: von der Lagerung wasserstauender und -leitender Gesteinsschichten abhängig

Einzugsgebietsfläche AE Oberirdisch AEO AEO AEU

AEU

AEO

Flusstypen Exorheischer Fluss

Endorheischer Fluss

Ozeanisches Mündungsgebiet; Fluss der selbst oder als Teil eines Flusssystems als Oberflächenwasser ins Meer mündet (z.B. Rhein, Donau)

Ohne Entwässerung in Ozean, Mündung in Endsee (z.B. Wolga, Jordan) oder in abflusslosem Becken (Okavango); typisch für aride Region mit Verdunstung > Niederschlag; Probleme der Versalzung (extrem: totes Meer, Aralsee)

Niederschlag

Diarheischer Fluss (Fremdlingsfluss/ allochthoner Fluss) Quell-und Mündungsgebiet in humider Region mit Niederschlag > Verdunstung; durchfließt mit Wasserverlust aride Gebiete (z.B. Nil, Niger); Wasserführung in arider Region nicht dortigen klimatischen Bedingungen entsprechend (entspringt in feuchtem Gebiet, durchfließt trockenes Gebiet, gibt dabei Wasser als Sickerwasser oder durch Verdunstung ab)

Arheischer Fluss

Episodischer Wasserlauf; entspringt und endet in ariden Gebieten (z.B. Wadis in Nordafrika, Humboldt River im Großen Becken der USA)

1mm = 1 L/m2

Dampfdruck -

E (hPa) Alle Stoffe in der Luft (trockene Luft, Wasserdampf, Spurengase) besitzen einen Dampfdruck e, der temperaturabhängig ist In Gemischen idealer Gase besitzt jedes Gas einen Teildruck (Partialdruck) Summe der Partialdrücke der Komponenten eines Gasgemisches = Gesamtdruck des Gasgemisches

Sättigungsdampfdruck E (hPa) = Druck, dem Wassermoleküle in Flüssigkeiten

Sättigungsdefizit Δe (hPa) E - e  Dampfdruck jener Gasmenge, die die Luft bei

ausgesetzt sind, wenn sie verdunsten Steigt mit steigender Temperatur des Wassers (Molekülbewegung nimmt zu) - Wenn E größer als der auflastende Luftdruck ist, geht Flüssigkeit in ungeordnetes Sieden über

einer bestimmten Temperatur noch aufnehmen kann bis sie gesättigt ist

-

Feuchtemaße Spezifische Feuchte s (kg · kg-1) - Wasser(dampf)gehalt in 1 kg feuchter Luft in Abhängigkeit des Dampfdrucks e und des Luftdrucks p (das was im Moment in der Luft vorhanden ist)

Sättigungsfeuchte S (kg · kg-1) - Max. speicherbare Wasserdampfmasse in 1 kg feuchter Luft - Bei tiefen Temperaturen gering, bei hohen Temperaturen groß

-

-

-

Relative Feuchte RF (%) Verhältnis von spezifischer Feuchte s bzw. Dampfdruck e zur Sättigungsfeuchte S bzw. zum Sättigungsdampfdruck E Zu wie viel % ist die Luft wasserdampfgesättigt Fällt mit steigender Temperatur und wächst mit fallender Temperatur

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-

Taupunkttemperatur T (K) Temperatur, bei der RF = 100 % ist Wichtiges Maß für die Beschreibung von Kondensationsprozessen (Wolken, Gefriertrocknung, Containertransporten) Tau „fällt“ nicht, er entsteht am Ort

Bei einer Lufttemperatur von 18 °C und einer Luftfeuchtigkeit von 70 % beträgt der Taupunkt 12,5 °C Wenn der Taupunkt bei 15 °C liegt, die Außentemperatur bei 30 °C und die relative Luftfeuchtigkeit 20 % beträgt, kann die Luftfeuchtigkeit um 20 % ansteigen, bis der Taupunkt erreicht ist

Niederschlagsbildung Relative Luftfeuchte >100 % 1. Konvergenz von Tiefdruckgebieten (zyklonische Abkühlung)  Frontalniederschläge, bei uns am häufigsten

2.

Kaltfrontniederschläge durch plötzliche Hebung durch kalte, schwere Luft mit keilförmiger Hebung warmer Luft, intensive, kurze Gewitter Warmfront-Niederschlagsgebiete (feuchte Luft gleitet über kalte Luft auf) meist ausgedehnt, weniger intensiv, durch lange Dauer meist ergiebig Orografische Niederschläge, erzwungene Konvektion, Luv/Lee Effekte

Föhn  warmer, trockener Fallwind, der häufig auf der Leeseite von größeren Gebirgen auftritt

abgewandt

zugewandt 3.

Konvektiv bedingte Hebung (freie Konvektion), Wolkenbasis = Kondensationsniveau

Phasenübergang (Kondensation, gefrieren) 1. Wolkenkondensationskeime (Partikel, die dazu führen, dass sich Wassermoleküle anlagern): maritim (z.B. Salz) oder terrestrisch (z.B. Ruß aus Verbrennung, Staub) 2. Eiskristallisationsprozess, Sublimation/Resublimation Wachstum von Tröpfchen und Eispartikeln 1. Eiskristallisationskeime 2. Kollision und Koaleszenz (Zusammenfließen kolloidaler Teilchen) 3. Virga Niederschlag, der sich in Form vertikal/schräg herabhängender Schleppe an der Unterseite einer Wolke zeigt, den Erdboden aber nicht erreicht, da die Wassertropfen vor dem Aufkommen verdunsten

Niederschlagsarten Fallend Schnee Regen Graupel Hagel Griesel

Abgesetzt Tau Nebel Reif Raufrost

Abgelagert Schneedecke Eisablagerungen

Umgelagert Schneetreiben

Niederschlagsmessung Hellmann

Höhe des Niederschlags am Boden, ohne Infiltration, Verdunstung und Abfluss

Kippwaage

Misst Niederschlagsintensität mm/min, Niederschlagshöhe bezogen auf Nieder-schlagsdauer, Tropfenzähler

Schneeausstecher Ultraschall Nebeltraufe mit Nebelfänger Taumessung mit Tauwaage

Schmelzwasserbestimmung, Verdunstungsverluste Bestimmung der Schneehöhe

Auf einer Fläche von 8 m 2 wurden bei einem Regenereignis 400 L Wasser aufgefangen, somit hat es 400 L : 8 m 2 = 50 mm geregnet Bei einer Niederschlagsdauer von 25 min ist die Niederschlagsintensität dann 50 mm : 25 min = 2 mm/min In einem 700 km 2 = 700.000.000 m 2 großen Einzugsgebiet fallen im Jahr 700 mm Niederschlag, das macht eine Niederschlagsmenge von 700 L/m2 · 700.000.000 m2 = 490.000.000.000 L = 490.000.000 m3 = 0,49 km3

Messfehler

-

-

-

Systematische Fehler  Unterschätzung des Niederschlages Kondenswasserbildung Benetzungsfehler: Verdunstung von Haftwasser (Adhäsion – Im Boden gegen die Schwerkraft gehaltenes Wasser) Windfehler: Windeinfluss (Abdrift) Instrumentelle Einflüsse (Exposition, Aufstellhöhe, Geräteform) Meteorologische Faktoren (Wind-und Fallgeschwindigkeit) Eintrag von Fremdstoffen Spritzwasserein-und -austrag Einwehen/Auswehen bei Schneeniederschlagsmessung Schneekreuz reduziert Auswehung Erhöht Adhäsion, daher Einsatz nur in Schneefallperioden Fehler bei dauerhaftem Einsatz im Winterhalbjahr 7 - 8 %

Niederschlagstrend

Statistische Fehler -

Nimmt mit steigender Häufigkeit Messungen(räumlich, zeitlich) ab

der

Niederschlagstrend seit 1881 – Änderung des Niederschlags in % Nur in Sachsen regnet es heute weniger als vor 130 Jahren

Gebietsniederschlag  Von Punktmessung zur Flächenangabe Berücksichtigung von Reliefinformation - Höhenabhängigkeit  Hypsometrische Korrektur berücksichtigt Korrelation zwischen Höhenlage und Niederschlag - Luv-Lee-Effekt  im Winter deutlicher als im Sommer

Alternative: Flächenhafte Messverfahren - Fernerkundungsverfahren: Radar, Lidar, Sodar - Ableitung aus satellitengestützten Messungen Einflüsse - Niederschlagstyp  Warmfrontniederschläge variieren räumlich relativ wenig, Kaltfrontniederschläge und Konvektionsniederschläge haben stark variierende Niederschlagszellen - Küstenentfernung  Ozeanität/Kontinentalität (bestimmt indirekt vorwiegende Niederschlagstypen) - Relief - Höhenlage der Messstation (lapse rate), orografischer Einfluss (Höhenstrukturen – Steigungsregen) Berechnung - Arithmetisches Mittel - Thiessen-Verfahren Niederschlagsstationen zu Dreiecken zusammenfassen, Mittelsenkrechten der Dreiecksseiten bilden Grenzen der Bezugsflächen, Schätzung Niederschlag für die Teilfläche ist die Messstation, die in der jeweiligen Bezugsfläche liegt - Isohyeten-Verfahren Entlang der Höhenlinien

Interzeption -

Abfangen bzw. Zurückhalten von Niederschlägen auf der Vegetation Interzeptierte Niederschläge gelangen als Stammabfluss oder Kronendurchlass auf den Boden oder sie verdunsten

Interzeptionskapazität Niederschlagsmenge, die eine Oberfläche aufnehmen und zurückhalten kann

Interzeptionsverlust In Nadelwäldern 30 - 40 % In Laubwäldern 15 - 25 % Bei unbelaubten Bäumen 4 - 7 % In tropischen Wäldern 10 - 15 % des jährlichen Gesamtniederschlags (Träufelspitzen – fördert Abfließen des Wassers)

Wasserbilanz N – Freilandniederschlag NKr – Kronentrauf NSt – Stammablauf Ni – Infiltration V – Versickerung IB – Interzeption Baumschicht IK – Interzeption Krautschicht ET – Evapotranspiration Tr – Bestandestranspiration EBo – Bodenverdunstung W – Wasservorrat Ökosystem Wp – Wasservorrat Phytomasse Wßo – Wasservorrat Boden Niederschlag Jahresdurchschnitt 966 mm 52,5 % Interzeptionsverdunstung Transpiration und Bodenverdunstung 47 % versickern 0,5 % Biomassezuwachs

Bestandesniederschlag Messung durch Totalisatoren oder an Rinnen angeschlossene Bestandesniederschlagsschreiber

Stammabfluss Manschette wird spiralförmig am Stamm angebracht, Anschluss von Totalisator oder registrierendem Niederschlagsschreiber Wenn es 21,2 mm (L) geregnet hat in einem Einzugsgebiet mit der Fläche A EO 718 km2 = 718.000.000 m2, ist das eine Wassermenge von 21,2 L · 718.000.000 m2 = 15.221.600.000 L = 15.221.600 m3 Bei einem mittleren Interzeptionsverlust von 15 % hat man einen Anteil an Wasser von 15.221.600 m 3 · 0,15 = 2.283.240 m3 der in der Vegetation verbleibt und von dort direkt verdunstet

Niederschlag Gießen

0 10 20 30 40 50 SCHNEEHOEHE

Verdunstung Strahlungsgesetz Stefan-Boltzmann-Gesetz Ψs [W ] = σ ·T4 -2 m

σ = Stefan-Boltzmann-Konstante 5.6696·10-8 W m-2·k-4 T = Oberflächentemperatur des schwarzen Körpers (K) -

Strahlungsleistung proportional zur vierten Potenz der Oberflächentemperatur eines Körpers Durch Integration des Planck‘schen Strahlungsgesetzes über den gesamten Spektralbereich über sämtliche Wellenlängen bzw. Frequenzen berechenbar

Wien‘sche Verschiebungsgesetz λmax·T = 2,898·10-3 m·K λmax = Wellenlänge des Maximums der Spektralkurve (m) T = Temperatur des schwarzen Körpers (K) - Lässt sich aus Plank’schen Strahlungsgesetz ableiten - Bei steigender Temperatur verschiebt sich Strahlungsmaximum zu kürzeren Wellenlängen

Die Sonne hat bei einer Wellenlänge von λmax = 2,898·10-3 m·K : 5870 K ≈ 0,000000501 m = 0,000501 mm = 0,501 µm = 501 nm ihr Strahlungsmaximum Bei einem Wellenmaximum der Ausstrahlung von 9,8 µm = 0,0000098 m hat die Erde eine mittlere Temperatur von 2,898·10-3 m·K : 0,0000098 m ≈ 295, 71 K = 22,56 °C

Spektrale Strahlungsdichte -

-

-

Temperatur steigt, Maximum der Kurven verlagert sich in Richtung kürzerer Wellenlängen (Wien’sche Verschiebungsgesetz) Je höher Temperatur, desto schiefer Spektralverteilung Verteilung zu 5870 K entspricht dem Sonnenspektrum am Rande der Photosphäre der Sonne Fläche unter den Kurven steigt mit der vierten Potenz der Temperatur an (Stefan-Boltzmann-Gesetz) Kurve für die Temperatur der Erde (300 K) fast eine Gerade

Albedo - Verhältnis von diffus reflektiertem Strahlungsfluss zu einfallendem (meist solarem) Strahlungsfluss - Unterscheidung zwischen kurz- und langwellige Albedo - Angabe in %

Neuschnee Altschnee Schnee Wolken Dünensand Sandboden Ackerboden Tropischer Regenwald Nadelwälder Laubwälder mittlerer geographischer Breite im Sommer Rasen Landwirtschaftliche Kulturen Gärten, Weinberge Tiefes Wasser bei - Hoch stehender Sonne - Tief stehender Sonne - Streifender Sonne

Kurzwellig 75-95 40-70 60-90 30-60 15-40 7-17 10-12 5-12 15-20

Langwellig

0,5 10 10 8

1,5 15-25 20-25 3-10 ≈ 80 ≤ 100

Messungen – Strahlung Albedometer (Doppelpyranometer) Misst Strahlungsbilanz, Globalstrahlung, Reflexstrahlung des Bodens

Pyrheliometer Messung der direkten Sonnenstrahlung (nur direkter Einfluss, abgeschirmt gegen Umgebungsstrahlung), einfallende direkte Sonnenstrahlung von geschwärzten Flächen absorbiert, über Thermoelemente registriert

Sonnenscheinautograf Bestimmung der Bewölkung und Sonnenscheindauer, auf Registrierstreifen werden Brandspuren erfasst

Komponenten (ET = E + T + I) Transpiration

Evaporation

Wasser wird unter Einfluss aktiven Stoffwechsels verdunstet (Pflanzen, Schwitzen beim Menschen)

Verdunstung an einer Oberfläche ohne Mitwirkung eines lebendigen Organismus (Seeoberfläche, Boden, Dachfläche), abhängig von Wassergehalt und Leitfähigkeit der Oberfläche

Interzeption Niederschlagswasser, das von Teilen der Vegetation verdunstet ohne zu Boden zu gelangen

Evapotranspiration – Gesamtverdunstung der Erdoberfläche

Treiber der Verdunstung Atmosphäre Strahlung Temperatur Dampfdruck Wind

Vegetation Stomatärer Widerstand Höhe Blattfläche Blattrauhigkeit Abschattung Albedo

Boden Wurzeltiefe Bodenfeuchte Matrixpotential Textur Farbe Wärmeleitfähigkeit Wärmekapazität

Messungen – Verdunstung Assmann’sche Aspirations-Psychrometer (sehr genau) - 2 Thermometer; ein normales und ein Feuchtthermometer, Verdunstung kühlt das feuchte Thermometer – zeigt niedrigere Temperatur als das trockene - Temperaturunterschied ist Maß für Feuchtegehalt der Luft, Umrechnung mit Tabellen (bei 100 % zeigen beide die gleiche Temperatur) Direkte Messverfahren Evaporimeter

Evaporometer, Atmometer

-

Haarhygrometer (relativ ungenau) Erhöht sich die relative Luftfeuchtigkeit von 0 auf 100 %, steigt die Länge menschlicher Haare um 2,5 %

class-A-pan: standardisierte Wasserverlust durch Wägung

Verdunstungspfanne,

Wild’sche

Waage:

Piche-Gerät: umgedrehtes gefülltes Wasserrohr steht auf einem Filterpapier über das die Verdunstung statt-findet, Czeratzki-Scheibe: poröse Tonscheibe mit kontinuierlicher Feuchte-nachlieferung

Lysimeter

Mikrometeorologische Messung

1 Container 6 Elektronische Waage 2 Waage 7 Entwässerung 3 Bunker 8 Feuchtigkeitssensor 4 Erde 9 Temperatursensor 5 Filter (Sand, Kies) 10 Gras Energiebilanzmethode (Bowen ratio), Luftkörperaustausch Gradientenverfahren

Indirekte Messverfahren Bodenwasserhaushaltbestimmung -

Lysimeter Tensiometer Gravimetrische Bodenfeuchtebestimmung Time Domain Reflectory (TDR)

Thermodynamische Berechnungsverfahren - Penman - Penman-Monteith

Empirische Formeln -

Haude Thornthwaite

(Eddy

flux),

Fernerkundungsverfahren

Transpiration -

Saftflussmessung Nadeln im Baum, Temperatur wird an verschiedenen Stellen gemessen, die Differenz zeigt wie viel Wasser verdunstet ist

-

Messung der stomatären Leitfähigkeit (Porometer) Einzelblattmessung in einer Küvette, Bestimmung CO2-Emission und Wasserdampfaustausch

Berechnungsverfahren Haude ETpHaude= aHaude(E - e) aHaude = Empirischer (konstanter) monatlicher Pflanzenfaktor (Haude-Faktor) E - e = Sättigungsdefizit der Luft mit Wasserdampf (hPa) Thornthwaite

ETThorn = 0,533 · n · s0/12 · (10 · t/J)a n = Länge des gewählten Zeitintervalls in d S0 = Mittlere tägliche astronomisch mögliche Sonnenscheindauer des Zeitintervalls in (h) t = Mittelwert der Lufttemperatur für ein bestimmtes Zeitintervall (Tag, Monat) in °C a, J = Empirische Koeffizienten

Turc

ETTurc = 0,0031 · C · (RG + 209) · (t · (t + 15)-1)C = 1 + ((50 -U) / 70) bei U 50 % U = Tagesmittel der Luftfeuchte in % RG = Globalstrahlung in J/cm²; RG = R0 · (0,19 + 0,55 · (S · S0- 1)) R0 = Extraterrestrische Strahlung in J/cm² S = Sonnenscheindauer des Tages in h S0 = astronomisch mögliche Sonnenscheindauer in h t = Tagesmittel der Lufttemperatur in °C

FAO (Standard)

s = Steigung der Sättigungsdampfdruckkurve (hPa·K-1) Rn = Strahlungsbilanz (W·m-2) G = Bodenwärmestrom (W·m-2) es (T) - e = Sättigungsdefizit, abhängig von Lufttemperatur T und Dampfdruck e (hPa) y = Psychrometerkonstante (hPa·K-1) u2 = Windgeschwindigkeit in 2 m Höhe (m·s-1)

Gebietsverdunstung Nomogramm Gebietsverdunstung Mitteleuropas als Funktion des Jahresniederschlags und Jahresmitteltemperatur der Luft

Wald Grünland Ackerland Brache

Bodenevaporation 15 30 100

Interzeptionsverdunstung 40 25 15 -

Transpiration 60 60 55 -

Abfluss  Wasservolumen pro Zeiteinheit und definiertem Abflussquerschnitt (m 3*s-1) Q = V·t-1(m3·s-1) Q (m3·s-1) = Fließgeschwindigkeit (m·s-1) · Fließquerschnitt (m2) Q (m3·s-1) = v(m*s-1) · A (m2) Abflussspende q Quotient aus Abfluss Q (m3s-1) und Oberfläche des Einzugsgebiets (AEO) (km2): q = Q·AEO-1(m3·s-1·km-2) Abflusshöhe Abfluss innerhalb einer Zeiteinheit (mm·a-1) Hydrologisches Jahr Wasserwirtschaftsjahr 01.11.- 31.10., Sommerhalbjahr 01.05.- 31.10. Bei einer mittleren Abflussgeschwindigkeit von 3 (m·s-1), einer Einzugsgebietsgröße von 80 (m 2) und einem a=3m b = 0,4 m c = 2,6 m Abflussquerschnitt: Erhält man eine Abflussspende von: A = 3-2,6 = 0,4; 0,4:2 = 0,2; 0,2·0,4 = 0,08; 0,0 2,6·0,4 = 1,04; 0,08+1,04 = 1,12 (m 2) Q = 1,12·3 = 3,36 (m3·s-1) ·60·60·24·365 = 105960960 (m3·a-1):1000000000 ≈ 0,106 (km3·a-1) q = 3,36:80:100 = 0,00042 (m3·s-1·ha-1) ·60·60·24 = 36,6 (m3·d-1·ha-1)

Abflussbildende Prozesse Horton’scher Oberflächenabfluss

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Infiltrationsüberschuss bei Verschlämmung vor allem in ariden und tropischen Gebieten Makroporen wirken ihm entgegen Kann b...