1 Flashcards
Hydrologie
Wissenschaft von den Erscheinungsformen des Wassers in, auf und unter der Erdoberfläche sowie des Wasserkreislaufs
Gebiete der Hydrologie
quantitative, ökologische und chemisch/ physikalische Eigenschaften und Wirkungen des Wassers
Meteorologie
Beobachtung, Beschreibung, Modellierung und Vorhersage von Klima- und Wetterphänomenen
Hydrogeologie
Teilbereiche aus Hydrologie und Geologie, Prozessabbildung des Grundwassers (Vorgänge der Aufnahme, Speicherung und Abgabe von Wasser im Erdboden)
Limnologie
biologische, physikalische und chemische Prozesse in Seen, Flüssen und Gewässern
Daten über das Wasservorkommen
- 1,4 Mrd.
* Süßwasser 2,6%
Phasen der Niederschlag-Abfluss-Modellierung:
•Niederschlagsbildung Niederschlagsentstehung durch Regen oder Schnee
•Niederschlagsverteilung Räumliche Verteilung des Niederschlags
•Abflussbildung Ermittlung des abflusswirksamen Niederschlags
•Abflusskonzentration Translation und Retention
Wellenablauf Flood Routing im Gewässer
Austauschzeiten im Atmosphärenwasser:
- Atmosphärenwasser 10 Tage
- Flusswasser ~ 16 Tage
- Wasser der ungesättigten Bodenzone ~ 1 Jahr
- Grundwasser ~ 1400 Jahre
- Wasser der Weltmeere ~ 2500 Jahre
Die Austauschzeiten ergeben sich aus dem Quotient des Gesamtvolumens und dem Abfluss t=v/Q
Niederschlag
jede Erscheinungsform von Wasser, welche aus der Atmosphäre auf die Erde gelangt (Regen, Schnee, Hagel, Eisgebilde, Tau, Reif)
Temperaturgradient
Wenn erwärmte Luftmassen aufsteigen, reduziert sich die Temperatur, da der Luftdruck mit der Höhe abnimmt und durch die Ausdehnung eine Abkühlung induziert wird.
•Trockenadiabatischer Temperaturgradient ~ 1 K pro 100 m
•Feuchtadiabatischer Temperaturgradient ~ 0,5 K pro 100 m
Koagulation (Niesel-/ Sprühregen):
Wassertropfen in den Wolken stoßen zusammen und durch die Anlagerung entstehen größere Wassertropfen, fallen im Regelfall als Niesel- oder Sprühregen auf die Erde i.d.R. sehr langer Prozess, keine großen Tropfen
Sublimation (Starkregen):
Je nach Einfluss der Temperatur sowie des Luftdruckes gehen Wassertropfen beim Frieren in Eiskristalle über. An diesen Eiskristallen lagern sich ständig weitere gefrierende Wassertropfen an, so dass sich Eisklumpen bilden, die zur Erde fallen. sehr schneller Prozess, Eiskristall kann sich in 20 Minuten um das 10.000fache Vergrößern
Niesel-/ Sprühregen:
Koagulationsprozesse in tiefen Stratuswolken
Landregen:
Langanhaltende Niederschlagsereignisse Koagulationsprozesse in Nimbostratuswolken
Schauer:
Kurze Niederschlagsereignisse Koagulation in Cumulonimbuswolken
Schwimmerprinzip:
Niederschlag wird in Gefäß aufgefangen, in dem sich ein Schwimmer befindet, welcher mit einem Schreibarm verbunden ist, dessen Bewegung auf Registrierpapier aufgezeichnet wird. sehr teuer wegen händischer Auswertung
Kippwaagenprinzip:
Der Niederschlag wird über ein Einlaufsieb auf eine Wippe geleitet. Die Wippe hat ein definiertes Auffangvolumen und gibt beim Kippen je 0,1 mm einen Impuls ab. Dieser dient zum Anstoßen einer Analogwertänderung und kann gleichzeitig als Spannungswert weitergeleitet werden.
Messfehler:
- Einfluss der Verdunstung
- Einfluss der Windexposition
- Benetzungsverluste
Stations-/Gebietsniederschlag
Stationsniederschlag: Punktniederschlag
Gebietsniederschlag: Flächenniederschlag
Arithmetisches Mittel (Niederschlag)
ausreichend, wenn ein dichtes Messstellennetz zur Verfügung steht und / oder Angaben für Zeitintervalle in der Größenordnung von Monats- bzw. Jahresniederschlägen ermittelt werden müssen.
Problem: Nur bei langen Zeiträumen und hoher Messungsdichte zulässig
Thiessen-Polygon-Methode:
Bildung von Einflussflächen für jede Station.
Voraussetzung: Niederschlag in der Einflussfläche entspricht dem Stationsniederschlag
Problem: Harte Kanten der Niederschlagswerte an den Kanten der Polygone
Inverse-Distanz-Methode:
Flächenniederschlag wird mit Hilfe einer orthogonalen Rasterbildung und Wichtung der nächstgelegenen Stationsniederschläge in den vier angrenzenden Quadranten gebildet. Entfernung der Niederschlagsstation geht umgekehrt proportional in die Wichtung ein.
Problem: nur eine mathematische Weichzeichnung u. U. keine Verbesserung der Genauigkeit
Isohyeten-Methode:
aus den Angaben der Stationsniederschläge werden Linien gleicher Niederschlagshöhen (=Isohyeten) durch den räumlichen Abstand interpoliert; Einsatz bei Angabe von Jahresniederschlägen
Problem: Nicht frei von subjektiven Einflüssen des Bearbeiters
Hypsometrische Kurve:
In Einzugsgebieten, bei denen die Variation der Niederschläge über die Geländehöhe größer ist als über die horizontale Ausdehnung; Wichtungsfaktoren werden über höhenabhängige Flächenanteile ermittelt
Problem: nur für lange Niederschlagsdauern; stark abhängig von der Erfahrung des Anwenders
Niederschlagsradar:
flächenhafte Erfassung der Regenereignisse; Radargerät gibt Radarwellen ab, diese werden an den Niederschlagsteilchen reflektiert. Je mehr Niederschlagsteilchen in der Atmosphäre enthalten sind, desto mehr Radarwellen werden reflektiert. Feststellung des Niederschlagsgehaltes eines Regenereignisses.
Problem: Fehlereinflüsse durch Aggregationszustände des Wassers und Größe der Niederschlagsteilchen, Sensoren neigen bei Starkregen zu sehr großen Unterschätzungen
Niederschlagsindex per Satellit:
Spektralaufnahmen, die Rückschlüsse über den Wassergehalt der Wolken und die Temperaturverhältnisse in den Wollen geben
Problem: keine direkte Auskunft darüber, ob und wie stark es regnet
Evaporation/Transpiration/Evapotranspiration
Evaporation: Verdunstung über freien Wasserflächen, sowie von vegetationsfreien Landflächen
Transpiration: Verdunstung über die Oberfläche von Pflanzen
Evapotranspiration: Zusammensetzung von Evaporation und Transpiration (Verdunstung)
- bei hydrologischen Modellierungen
- Ausschlaggebende Größe bei:
• Wasserhaushaltsbilanzierung
• Ermittlung des langjährigen Wasserdargebots
• Niederschlag-Abfluss-Modellierung
• Wachstums- und Ertragsmodelle der Land- und Forstwirtschaft
Entscheidende Faktoren für die Verdunstung:
- der Dampfdruckgradient
- das Wasserdargebot
- das Energiedargebot
Wasserbilanz:
P+E+R+∆W=0
P: Niederschlag
E: Verdunstung
R: Abflusshöhe (ober- und unterirdisch)
∆ W :WasservorratsänderungEnergiebilanz
R+H+G+LE=0
R: Nettostrahlung
H: fühlbarer Wärmestrom
G: Bodenwärmestrom
LE: latenter WärmestromAbhängigkeit der Verdunstung:
- Differenz des Dampfdruckes an der Oberfläche und dem Dampfdruck der oberflächennahen Luft
- Energie, die an der Oberfläche zur Verfügung steht
- Menge des Wasserdampfes, die in der Luft transportiert wird
- Menge des Wassers, das an der Oberfläche vorhanden ist oder dahin transportiert wird
Potenitelle und Reale Verdunstung
Potentielle Verdunstung ETP: Rechengröße, die angibt, wie viel Wasser bei gegebenen meteorologischen Verhältnissen Verdunsten würde, falls unbegrenzte Wassermengen zur Verfügung stehen.
Reale Verdunstung ETR: wird bei den vorhandenen Wassermengen und klimatischen Bedingungen gemessen
Es gilt immer: ETP≥ETR
Methoden der Verdunstungsermittlung:
- Wasserbilanzmethode (Verdunstungskessel, Lysimeter)
- Wasserdampfstrommethode
- Energiebilanzmethode
Verdunstungsmessung:
- Penman-Formel (potentielle Verdunstung)
- Haude-Formel (Tages- und Monatswerte der potentiellen Verdunstung)
- Turc-Verfahren (Tageswerte für die potentielle Verdunstung)
Abfluss (Definition)
Wasservolumen, das einen bestimmten Querschnitt in der Zeiteinheit durchfließt und einem Einzugsgebiet zugeordnet ist.
->Wasserhaushaltjahr: 01.11. – 31.10.
Abflussanteile:
•Oberflächenabfluss Qo: Zufluss zu einem Gewässer unmittelbar über die Bodenoberfläche
•Zwischenabfluss Qi(Interflow): Zufluss aus oberflächennahen Bodenschichten
•Direktabfluss Qd: Summe aus Oberflächenabfluss und Zwischenabfluss
•Basisabfluss Qb: Teil des Abflusses, der nicht Direktabfluss ist
•Grundwasserbürtiger Abfluss Qg: Teil des Basisabflusses, der dem Gewässer aus dem Grundwasser zugeflossen ist
•Grundwasserabfluss: Grundwasservolumen, das aus einem Grundwasserabschnitt in der Zeiteinheit in dasselbe Grundwasser Stockwerk abfließt
+Bild aus Zusammenfassung
Abflussspendencharakteristik im Strom:
•Oberwasser: Erosionen, viel Geschiebe, wenig Schwebstoffe, hohe Abflussspende
•Unterwasser: wenig Geschiebe, viele Schwebstoffe, niedrige Abflussspende
-> trotz höherem Abfluss im Unterwasser ist die Abflussspende wegen der größeren Einzugsgebiete kleiner als im Oberwasser
Wasserstandmessmethoden:
- Pegelmessung
- ADCP (Acoustic Doppler Current Profiler)
- Venturi-Messgerinne
Abflussmessung:
I.d.R. messtechnisch bestimmt durch Ermittlung der Fließgeschwindigkeit und des Wasserstands. Dazu wird bei einer Messung der Querschnitt in senkrechte teilquerschnitte unterteilt, in denen in verschiedener Höhe die Geschwindigkeit gemessen wird. Außerdem wird die Pegelhöhe gemessen. Verfälschungen durch Verkrautung, Sedimenttransport oder Rückstau sind möglich.
Ultraschall-Doppler-Profil-Strömungsmessung:
im Regelfall als ADCP Messung bezeichnet; Aktivsonar, das Schallimpulse in einer definierten Frequenz ausstrahlt. Durch die Messung der Laufzeit können die Fließgeschwindigkeiten in allen drei Lagen ermittelt werden.
Digitale Geländemodelle - Erfassung:
• Digitalisierung vorhandener Höhenlinien
• Luftbildfotografie
• Laserscanning
+Tabelle aus Zusammenfassung
Teilschritte Digitales Geländemodell:
- Fließrichtung Wohin fließt die Zelle?
- Fließakkumulation Wie viel fließt in die Zelle?
- Gewässernetz Wann ist eine Zelle ein Gewässer?
- Teileinzugsgebiet Wie viel fließt in ein Gewässer?
Überflutungsbereiche:
1.Ausgangsdaten:
o Digitales Geländemodell (Raster)
o Lage der Querprofile mit berechneten Wasserständen (Linien)
o Gewässer (Linien)
o Schnittpunkte Querprofile/Gewässer (Punkte)
2.Konstruktion eines Wasserstandsrasters:
o Interpolation einer Oberfläche durch alle Schnittpunkte, Methode IDW (Inverse Distance Weighted)
3.Konstruktion eines Wassertiefenrasters:
o Differenz zwischen Wasserstandsraster und Geländehöhe
4.Überflutungsbereiche
o Dort, wo der Wasserstand über dem Gelände liegt, gibt es Überflutungen; d.h. Wassertiefenraster >0
5.Überflutungsbereiche:
o Im DGM sind künstliche Geländeformen (Bahn- und Straßendämme) teilweise nicht vorhanden. Rückstau kann bei der hier vorgestellten Methode nicht berücksichtigt werden.
Voraussetzungen und Vorarbeiten zur Berechnung von Hochwasserschadenspotenzialen:
- Hydrologische Modelluntersuchung (Niederschlag-Abfluss-Modellierung, Abflussstatistik)
- Hydraulische Berechnung (Wasserspiegellagenberechnung)
- Erfassung der Landnutzung (mikro-, meso- und makroskalig)
- Erfassung der Geo-Informationen (Geländehöhen, Kartenmaterial)
- Erfassung von volkswirtschaftlichen Indikatoren (Sachwerte, Wertschöpfung, Kaufkraft)
Mikro-/Meso-/Makroskalige Methode
Mikroskalige Methode: Empirische Erhebungen auf der Ebene einzelner Gebäude.
Mesoskalige Methode: Wirtschaftsstatistiken und Liegenschaftsinformationen auf der Ebene von Landnutzungseinheiten wie Flure oder Raumeinheiten aus topografischen Erhebungen.
Makroskalige Methode: Großräumige Gruppen von Landnutzungseinheiten wie z.B. Gemeinden oder Stadtteile, die aus der Sicht der Raumordnung entscheidungsrelevant sind.
Kosten – Nutzen – Analyse:
Jährlicher Nutze = Schadenserwartung (Ist-Zustand) – Schadenserwartung (Variante)
Wiederkehrintervalle & Auftretenswahrscheinlichkeit:
Für wasserwirtschaftliche Bemessungsaufgaben ist es notwendig die Abflüsse einer bestimmten Auftretensart zu ermitteln. In der Regel wird z.B. der Hochwasserschutz auf einen Bemessungsabfluss ausgelegt. Die jährliche Auftretenswahrscheinlichkeit, dass ein Hochwasserabfluss größer oder gleich einem Abfluss für ein bestimmtes Wiederkehrintervall T ist, entspricht dem inversen Wert des Wiederkehrintervalls. W(Q>HQt)=1/T
Vorgehensweise bei der statistischen Analyse:
- Plausibilisierung der Eingangsdaten (Prüfung auf Vollständigkeit / Fehlzeiten, Test auf Ausreißer)
- Trendprüfung (+ gegebenenfalls Trend bereinigen)
- Anwenden der Extremwertstatistik (mit Parameteranpassung bei Zugrundelegung der jährlichen (oder partiellen) Serie)
- Angabe der Bandbreite für den Extremwert HQx
Trendbehaftete Zeitreihe:
Die Eingangsinformationen für extremwert-statistische Auswertungen dürfen keinen Trend aufweisen.
Jährliche/ Partielle Serie
Jährliche Serie: Eingang in die Berechnung findet jeweils der größte Wert pro Jahr
Partielle Serie: Eingang finden die n größten Werte pro Jahr (n=2 oder 3)
Extremwertstatistik:
Als Eingangswerte für die extremwertstatistische Berechnung werden die maximalen Abflüsse eines jeden Jahres verwendet
Trendanalyse:
vor extremwertstatistischer Berechnung, trendbehaftete Messreihen verstoßen gegen die Grundannahmen der Extrapolation
