Prüfung 17 September 2003, Fragen und Antworten - Teilprüfung Hydrologie, Vertiefer (SS 2003) PDF

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Teilprüfung Hydrologie, Vertiefer (SS 2003)...

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V-HY

Mat. Nr.:

Schriftliche Diplomprüfung 17.09.2003

Lehrstuhl und Institut für Wasserbau und Wasserwirtschaft

Schriftliche Diplomprüfung 17.09.2003

Vertiefer

Mat. Nr.:

Teilprüfung Hydrologie, Vertiefer Seitenzahl:

11 Seiten

Gesamtpunktzahl:

20 Punkte

Aufgabe

Thema

erreichbare Punktzahl

1

Erosion & Stoffeintrag

5,5

2

Morphologie & Begriffe

5,5

3

Bilanzierung

3,0

4

Gewässerzonierung

6,0

Summe

20

erreichte Punkte

Einsicht

Fehlende Angaben sind nach dem Stand der Technik zu ergänzen. Falls Aufgabenteile nicht bearbeitet werden, sind in den nachfolgenden Aufgaben die benötigten Ergebnisse durch sinnvolle Annahmen zu ergänzen.

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Schriftliche Diplomprüfung 17.09.2003

Aufgabe 1

(5,5 Punkte)

Aufgabe 1.1

(2,5 Punkte):

Mat. Nr.:

Die Erosionsgefährdung eines Standortes kann durch die Allgemeine Bodenabtragsgleichung (ABAG) beschrieben werden. Geben sie die fünf Faktoren an, die in die ABAG einfließen und beschreiben sie die Faktoren stichwortartig. Aufgabe 1.2

(2,0 Punkte):

Der diffuse Eintrag von Stickstoff- und Phosphorverbindungen in die Gewässer kann hinsichtlich der dabei auftretenden Abflussprozesse generalisiert werden. Erstellen sie eine Prinzipskizze, in der sie jeweils die wesentlichen Fließwege eintragen, über die Stickstoff- bzw. Phosphorverbindungen in die Gewässer gelangen. Diese Generalisierung ist getrennt für Stickstoff und Phosphor darzustellen. Aufgabe 1.3

(1,0 Punkte):

Beschreiben sie qualitativ den Einfluss einer Waldrodung auf den diffusen Eintrag von Stickstoff- bzw. Phosphorverbindungen in das Grundwasser. Welcher Stoffeintrag wird tendenziell durch diesen Vorgang stärker erhöht (Stickstoff oder Phosphor); begründen sie ihre Antwort.

Aufgabe 2

(5,5 Punkte)

Aufgabe 2.1

(2,5 Punkte):

In die Prinzipskizze des Fließgewässersystems sind die Flussordnungszahlen gemäß dem System nach Horton und Strahler einzutragen. Ordnen sie die Flussordnungszahlen jeweils Gewässerkategorien zu, benennen sie diese und geben sie charakteristische Werte für den Abflusszustand MQ (in m3/s ) an.

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Aufgabe 2.2

Mat. Nr.:

(2,0 Punkte):

Skizzieren sie einen Talquerschnitt durch eine Gewässeraue und zeichnen sie dabei die Zone des hyporheischen Interstitials ein. Geben sie an, welche Funktion diese Zone aufweist. Beschreiben sie stichpunktartig, welche wesentlichen Eigenschaften diese Zone aufweist. Aufgabe 2.3

(1 Punkt):

Geben sie eine kurze Definition für die folgenden Begriffe an: Makrozoobenthos Habitat

Aufgabe 3

(3,0 Punkte)

Aufgabe 3.1

(2,0 Punkte):

Auf einen Waldstandort fallen 1000 mm Niederschlag pro Jahr. Zu Beginn des Wasserwirtschaftsjahres hat der Bodenfeuchtespeicher einen Inhalt von 80 mm, am Ende des Jahres sind 200 mm Speicherinhalt zu registrieren. Die potentielle Verdunstung liegt bei 1000 mm wovon 80 % tatsächlich abgedeckt werden können. Oberflächennah fließen im Bilanzierungsjahr 20 mm des Niederschlages ab. Ermitteln sie, wie groß die Grundwasserneubildung bezogen auf ein Jahr für eine Fläche von 1 ha ist (Ergebnisangabe in m3) Aufgabe 3.2

(1,0 Punkte):

Das sich unter dem Waldstandort bildende Grundwasser hat eine mittlere Stickstoffkonzentration von 10 mg/l. Wieviel Stickstoff wird pro Jahr und m2 neu in das Grundwasser eingebracht. Die Angabe ist in g/m2 anzugeben. (Hinweis: bei der Bodenpassage werden keine Ab- und Umbauprozesse bei den Stickstoffverbindungen angesetzt.)

Aufgabe 4

(6,0 Punkte)

Aufgabe 4.1

(3,0 Punkte):

Skizzieren Sie in der vorbereiteten Abbildung einen charakteristischen Längsschnitt für einen Strom von der Quelle bis zur Mündung und teilen ihn in einzelne Längszonen (Fließgewässerzonen) ein. In den Längsschnitt sind prägnante Kenngrößen einzuzeichnen. Dabei können sie die Entwicklung der Kenngröße über die Fließlänge entweder als Funktionsverlauf grafisch darstellen oder in Form von Werteangaben für die einzelnen Abschnitte des Stroms ausweisen. Seite 3 von 11

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Mat. Nr.:

Insgesamt sind mindestens vier abiotische Kenngrößen zu beschreiben. Aufgabe 4.2

(3,0 Punkte):

Neben der Unterteilung eines Stromes nach Fließgewässerzonen kann eine Untergliederung nach Lebensräumen erfolgen. Geben sie eine längszonale Unterteilung des Stromes von der Quelle bis zur Mündung in Fließgewässerzonen und in Lebensräumen an. Zusätzlich sind den Lebensräumen die (klassischen) Fischregionen zuzuweisen.

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Mat. Nr.:

Antwort zu 1.1:

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Mat. Nr.:

Antwort zu 1.2:

Antwort zu 1.3:

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Mat. Nr.:

Antwort zu 2.1:

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Mat. Nr.:

Antwort zu 2.2:

Antwort zu 2.3:

Antwort zu 3.1:

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Mat. Nr.:

Antwort zu 3.2:

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Mat. Nr.:

Antwort zu 4.1:

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Mat. Nr.:

Antwort zu 4.2:

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Mat. Nr.: Musterlösung

Lehrstuhl und Institut für Wasserbau und Wasserwirtschaft

Schriftliche Diplomprüfung 17.09.2003

Vertiefer

Musterlösung

Teilprüfung Hydrologie, Vertiefer Seitenzahl:

8 Seiten

Gesamtpunktzahl:

20 Punkte

Aufgabe

Thema

erreichbare Punktzahl

1

Erosion & Stoffeintrag

5,5

2

Morphologie & Begriffe

5,5

3

Bilanzierung

3,0

4

Gewässerzonierung

6,0

Summe

20

erreichte Punkte

Einsicht

Fehlende Angaben sind nach dem Stand der Technik zu ergänzen. Falls Aufgabenteile nicht bearbeitet werden, sind in den nachfolgenden Aufgaben die benötigten Ergebnisse durch sinnvolle Annahmen zu ergänzen.

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Aufgabe 1

(5,5 Punkte)

Aufgabe 1.1

(2,5 Punkte):

Mat. Nr.: Musterlösung

Die Erosionsgefährdung eines Standortes kann durch die Allgemeine Bodenabtragsgleichung (ABAG) beschrieben werden. Geben sie die fünf Faktoren an, die in die ABAG einfließen und beschreiben sie die Faktoren stichwortartig. Musterlösung: ABAG:

A = R x K x LS x C x P

[t / ha x a]

R: Regenfaktor Der Regenfaktor ist ein Maß für die gebietsspezifische Erosionskraft des Regens, mit dem in der Bilanzierung die Einflüsse der kinetischen Energie des Niederschlages sowie die Niederschlagsintensitäten berücksichtigt werden. K:

Bodenerodierbarkeitsfaktor Der Faktor gibt Aufschluss über die Erosionsanfälligkeit des Bodens und wird in Abhängigkeit von der Körngrößenverteilung, dem Anteil an organischer Substanz, der Durchlässigkeit und der Aggregatklasse des Oberbodens quantifiziert.

LS: Topographiefaktor Mit dem Faktor wird der Einfluss der Hangneigung auf den Bodenabtrag beschreiben; als Kenngröße gehen die Hanglänge und die –Neigung im Verhältnis zu einem Standardhang ein. C: Bodenbedeckungs- und Bodenbearbeitungsfaktor Durch den Faktor wird der Einfluss der Bodennutzung auf die Erosion beschrieben; die Quantifizierung erfolgt über Zuordnung zu Nutzungen aus dem ATKIS Flächenkatalog. P:

Erosionsschutzfaktor Der Faktor quantifiziert die mögliche Maßnahmen zum Schutz vor Erosion, wie z.B. Boden schonende Bewirtschaftung.

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Aufgabe 1.2

Mat. Nr.: Musterlösung

(2,0 Punkte):

Der diffuse Eintrag von Stickstoff- und Phosphorverbindungen in die Gewässer kann hinsichtlich der dabei auftretenden Abflussprozesse generalisiert werden. Erstellen sie eine Prinzipskizze, in der sie jeweils die wesentlichen Fließwege eintragen, über die Stickstoff- bzw. Phosphorverbindungen in die Gewässer gelangen. Diese Generalisierung ist getrennt für Stickstoff und Phosphor darzustellen. Musterlösung:

Stickstoff Eintrag (via Bodenpassage)

Phosphat Eintrag (via Erosion)

vorwiegend vertikale Fliessprozesse zum Grundwasser und von dort in die Gewässer

vorwiegend oberflächennahe, horizontale Fliessprozesse

Grundwasserebene

Aufgabe 1.3

(1,0 Punkte):

Beschreiben sie qualitativ den Einfluss einer Waldrodung auf den diffusen Eintrag von Stickstoff- bzw. Phosphorverbindungen in das Grundwasser. Welcher Stoffeintrag wird tendenziell durch diesen Vorgang stärker erhöht (Stickstoff oder Phosphor); begründen sie ihre Antwort. Musterlösung: Durch die Waldrodung wird die Verdunstung sehr stark reduziert, die Bodenspeicherung reduziert, die Grundwasserneubildung verringert und der Oberflächenabfluss sehr stark vergrößert. Demzufolge können in erster Instanz die Erosionsvorgänge stark zunehmen, wodurch der Abtrag von Phosphorverbindungen zunimmt. Der Eintrag der Stickstoffverbindungen wird durch die Verringerung der Bodenfeuchtspeicherung zwar tendenziell verrgrößert; allerdings kann die verringerte Grundwasserneubildung unter dem Strich zu einem Ausgleich des Stickstoffeintrages führen.

Aufgabe 2

(5,5 Punkte)

Aufgabe 2.1

(2,5 Punkte):

In die Prinzipskizze des Fließgewässersystems sind die Flussordnungszahlen gemäß dem System nach Horton und Strahler einzutragen. Ordnen sie die Flussordnungszahlen jeweils Gewässerkategorien zu, benennen sie diese und geben sie charakteristische Werte für den Abflusszustand MQ (in m3/s ) an. Seite 3 von 8

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Mat. Nr.: Musterlösung

Musterlösung:

1

1

1 2

1 1

1

2

1

2

2

1 2

3 3 4

Flussordnungs zahl 1 2 3 4

Gewässerkategorie

MQ [m3/s]

Quellbach Mittelbach Hauptbach Fluss

0,06 – 0,18 0,3 – 0,7 1,2 – 3,9 > 5,0

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Aufgabe 2.2

Mat. Nr.: Musterlösung

(2,0 Punkte):

Skizzieren sie einen Talquerschnitt durch eine Gewässeraue und zeichnen sie dabei die Zone des hyporheischen Interstitials ein. Geben sie an, welche Funktion diese Zone aufweist. Beschreiben sie stichpunktartig, welche wesentlichen Eigenschaften diese Zone aufweist. Musterlösung:

NW Grundwasserebene

Benthal

Hyporheisches Interstitial

Als hyporheisches Interstitial wird der Übergangsbereich zwischen dem Oberflächengewässer und dem Grundwasserkörper bezeichnet. Es handelt sich dabei um das Hohlraumsystem des Untergrundes im Anschluss an das Benthal, das durch den Fließvorgang mit Wasser und Detritus versorgt wird. Es ist der Lebens- und Rückzugsraum speziell für benthische Invertebrate (Wirbellose, die an der Gewässersohle leben). Das Interstitial hat die Eigenschaft als Pufferraum zu fungieren und schützt die Biozönosen vor Austrocknung selbst wenn das Gewässer trocken fällt. Im Hochwasserfall stellt es einen Schutz vor Verdriftung dar und ist somit über den gesamten Abflussprozess im Fließgewässer ein Strömungs- und Temperaturrefugium. Aufgabe 2.3

(1 Punkt):

Geben sie eine kurze Definition für die folgenden Begriffe an: Musterlösung: Makrozoobenthos Makrozoobenthos sind per Definition die großen, mit blosem Auge erkennbaren wirbellosen Tiere (Invertebrate) , die auf der Fließgewässersohle (Benthal) leben.

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Mat. Nr.: Musterlösung

Habitat Lebensraum; unter dem Begriff Habitat wird die Gesamtheit der biotischen und abiotischen Faktoren eines Standortes zusammen gefasst. Der Begriff Habitat kann als eine Verallgemeinerung der Bezeichnung eines Biotops angesehen werden.

Aufgabe 3

(3,0 Punkte)

Aufgabe 3.1

(2,0 Punkte):

Auf einen Waldstandort fallen 1000 mm Niederschlag pro Jahr. Zu Beginn des Wasserwirtschaftsjahres hat der Bodenfeuchtespeicher einen Inhalt von 80 mm, am Ende des Jahres sind 200 mm Speicherinhalt zu registrieren. Die potentielle Verdunstung liegt bei 1000 mm wovon 80 % tatsächlich abgedeckt werden können. Oberflächennah fließen im Bilanzierungsjahr 20 mm des Niederschlages ab. Ermitteln sie, wie groß die Grundwasserneubildung bezogen auf ein Jahr für eine Fläche von 1 ha ist (Ergebnisangabe in m3) Musterlösung: Wasserhaushaltsgleichung: Niederschlag = Abfluss + Verdunstung +/- Speicherung Niederschlag = 1000 mm Tatsächliche Verdunstung = 80 % von der potenziellen Verdunstung = 0,80 * 1000 mm = 800 mm Speicheränderung =

Speicherinhalt (Bilanzierungsende) – Speicherinhalt (Bilanzierungsanfang) = 200 – 80 mm = 120 mm (= Rücklage)

Abfluss = Oberflächenabfluss + Grundwasserneubildung = 20 mm + X Ö Grundwasserneubildung = 1000 – 20 – 800 – 120 = 60 [mm] Grundwasserneubildung pro ha: 60 mm * 1ha = 60 mm * 10.000 m2 = 60 * 10 –3 m * 10 4 m2 = 600 m3

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Aufgabe 3.2

Mat. Nr.: Musterlösung

(1,0 Punkte):

Das sich unter dem Waldstandort bildende Grundwasser hat eine mittlere Stickstoffkonzentration von 10 mg/l. Wieviel Stickstoff wird pro Jahr und m2 neu in das Grundwasser eingebracht. Die Angabe ist in g/m2 anzugeben. (Hinweis: bei der Bodenpassage werden keine Ab- und Umbauprozesse bei den Stickstoffverbindungen angesetzt.) Musterlösung: Grundwasserneubildung: 60 mm = 60 mm * m2 / m2 = 60 * 10–3 m3 / m2 = 60 * 10-3 * 10 3 l /m2 = 60 l/m2 Ö Jährliche Fracht : 10 mg/l * 60 l/m2 = 600 mg / m2 = 0,6 g / m2

Aufgabe 4 Aufgabe 4.1

(6,0 Punkte) (3,0 Punkte):

Skizzieren Sie in der vorbereiteten Abbildung einen charakteristischen Längsschnitt für einen Strom von der Quelle bis zur Mündung und teilen ihn in einzelne Längszonen (Fließgewässerzonen) ein. In den Längsschnitt sind prägnante Kenngrößen einzuzeichnen. Dabei können sie die Entwicklung der Kenngröße über die Fließlänge entweder als Funktionsverlauf grafisch darstellen oder in Form von Werteangaben für die einzelnen Abschnitte des Stroms ausweisen. Insgesamt sind mindestens vier abiotische Kenngrößen zu beschreiben. Oberlauftyp

Gefälle &

Mittellauftyp

Fließgeschwindigkeit

Unterlauftyp Durchfluss & Jahrestemperatur Sauerstoffgehalt

Tiefenerosion

Seitenerosion

Lauflänge Seite 7 von 8

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Aufgabe 4.2

Mat. Nr.: Musterlösung

(3,0 Punkte):

Neben der Unterteilung eines Stromes nach Fließgewässerzonen kann eine Untergliederung nach Lebensräumen erfolgen. Geben sie eine längszonale Unterteilung des Stromes von der Quelle bis zur Mündung in Fließgewässerzonen und in Lebensräumen an. Zusätzlich sind den Lebensräumen die (klassischen) Fischregionen zuzuweisen. Musterlösung:

Fließgewässerzone

Quelle

Fischregion Gewässerzone

Oberlauf Salmoniden

Krenal

Mittellauf Cypriniden

Rhitral Epi- Meta-

Unterlauf

Mündung Brackwasser

Potamal Hypo-

Epi-

Meta-

Hypo-

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