Vom empirischen Modellansatz zum komplexen hydrologischen Flussgebietsmodell

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1 Hans-Jürgen Liebscher Hermann Gregor komplexen hydrologischen Rückblick und Perspektiven Koblenz, Dezember 2010

2 Impressum Autoren: Prof. Dr. Hans-Jürgen Liebscher Nikolaus-Ehlen-Straße Vallendar Dr. Hermann Gregor Schenkendorfstraße Koblenz Herausgeber: Bearbeitung: Druck: Bundesanstalt für Gewässerkunde Am Mainzer Tor 1 Postfach Koblenz Tel.: (0261) Fax: (0261) Internet: Yvonne Strunck, BfG Druckpartner Moser, Druck + Verlag GmbH, Rheinbach

3 Inhaltsverzeichnis Vorwort des Herausgebers 5 Vorwort der Autoren 6 1. Einleitung 7 2. Anfänge der Modellentwicklung Hydrologie im Altertum Mittelalterliche Wassertechnologie ( ) Konzepte und Messungen in der Renaissance ( ) Erwachen der wissenschaftlichen Hydrologie ( ) Das Zeitalter der empirischen und graphischen Modelle Das Zeitalter der Systemhydrologie Allgemeine Entwicklungen Weiterentwicklung der Modellgrundlagen Entwicklungen in Deutschland Entwicklungen der Messtechnik und der Datenverarbeitung Entwicklung der Modelle in der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts Vorbemerkungen Statistische und stochastische Modelle Niederschlag-Abfluss- und Wasserbilanz-Modelle Wellenablauf- und Wasserspiegellagenmodelle Grundwassermodelle Stofftransport- und Wasserbeschaffenheitsmodelle Gekoppelte und integrative Modelle Modell-Überblicke Modell-Vergleiche Stand der Modellentwicklung am Anfang des 21. Jahrhunderts Defizite bei Modellanwendungen Offene Fragen bei der Regionalisierung Kritik an Modellen Umgang mit Wasser Vorbemerkungen Umgang mit Wasser global Umgang mit Wasser dezentral Zukünftige Aufgaben 52 Zusammenfassung 56 Danksagung 57 Anhang Tabellen 61 Abkürzungen 81 Literaturverzeichnis 87 Seite 3

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5 Vorwort des Herausgebers In der Hydrologie und der Wasserbewirtschaftung sind Modelle heute zu einem unverzichtbaren Werkzeug geworden. Sie werden eingesetzt für Planung, Betrieb und Steuerung wasserwirtschaftlicher Systeme, für Vorhersagen von Wasserständen, Abflüssen und Wasserbeschaffenheitsgrößen oder für langzeitliche Prognosen der Entwicklung der Wasserhaushaltskomponenten. Längst werden Modelle nicht mehr nur in Hochschulen und Forschungseinrichtungen entwickelt und angewendet. In der BfG haben Modelle eine erhebliche Bedeutung, sowohl als Handwerkszeug für die tägliche Beratungsarbeit als auch als Forschungsund Entwicklungsgegenstand. Seit über einem halben Jahrhundert sind die unterschiedlichsten Arten numerischer Modelle für Flussgebiete nunmehr auf dem Markt. Es ist daher an der Zeit, einen Rückblick auf die historische Entwicklung dieser Modelle zu geben. Dieser Aufgabe haben sich die Hydrologen Prof. Dr. Hans-Jürgen Liebscher und Dr. Hermann Gregor angenommen, die jeweils über drei Jahrzehnte in der BfG eng mit diesem Thema verbunden gewirkt haben und seit fast 10 Jahren im Ruhestand sind. Beide Autoren haben die Entwicklung der mathematischen Modelle in Deutschland von Anfang an miterlebt. Insbesondere hat Herr Prof. Liebscher den 1972 vom damals zuständigen Bundesministerium des Inneren gegründeten, später beim Bundesumweltministerium angesiedelten Arbeitskreis Mathematische e über 30 Jahre maßgeblich geprägt. Es liegt in der Natur des Gegenstandes, dass trotz der Vielzahl der zitierten Modelle und Arbeiten eine solche Übersicht nicht den Anspruch auf Vollständigkeit erheben kann. Kaum jemand kann heute die Zeit und Muße aufbringen, sich die Zusammenhänge so umfassend und weit zurückblickend selbst zu erarbeiten. Das Wissen über die historische Entwicklung ist aber eine wesentliche Grundlage für künftigen Erkenntnisgewinn und richtungsweisendes Wirken. Die Arbeit von Herrn Prof. Liebscher und Herrn Dr. bietet dem Leser und insbesondere dem Nachwuchs eine wertvolle Orientierungshilfe in den weitgespannten Feldern der Hydrologie und Wasserwirtschaft. Koblenz, Dezember 2010 Michael Behrendt Direktor und Professor der Bundesanstalt für Gewässerkunde Seite 5

6 Vorwort der Autoren Im vorliegenden Bericht werden die Entstehung und die begleitende Entwicklung der mathematischen hydrologischen Modelle aufgezeigt und die dazugehörenden Grundlagen dargestellt. Die Autoren waren bestrebt, auch solche Modelle zu nennen, die in ihrer Zeit zwar als fortschrittlich galten, sich aber nicht als nachhaltig erwiesen. Allerdings war es angesichts des äußerst umfangreichen historischen und aktuellen Schrifttums sowie wegen des begrenzten Umfangs dieses Beitrages nicht möglich, alle erreichten oder erreichbaren modellgestaltenden Untersuchungen und Modellbausteine zu erfassen und gebührend auf sie einzugehen. Prämisse war eine chronologische Ordnung, wie es dem Titel der Publikation entspricht. Insbesondere wurde im Sinne einer textlichen Straffung zugunsten einer zeitlich geordneten Darstellungsweise auf das Hinzufügen mathematischer Formeln verzichtet. Es sollte aber besonders auf Untersuchungen gerade aus dem deutschsprachigen Raum aufmerksam gemacht werden, die spätere Entwicklungen vorwegnahmen, aber in Vergessenheit geraten sind und international beispielsweise in den aktuellen IAHS-Benchmark-Papers wenig oder keine Beachtung fanden. Wer weiß schon, dass J. E. Silberschlag bereits 1772/73 in seinem Wasserbau-Lehrbuch den Prozess der Uferspeicherung beschrieb, dass R. Lauterburg 1887, also 24 Jahre vor C. N. Ross, teilgebietsdifferenzierte Fließzeiten einführte, W. Trabert im Jahre 1896 erstmals eine temperaturabhängige Verdunstungsformel vorstellte oder dass P. Schreiber bereits 40 Jahre vor L. K. Sherman eine systemtheoretische Beschreibung des Abflussbildungsprozesses aus Regen vortrug? Um den Aufwand in Grenzen zu halten, sind zahlreiche Untersuchungen, die einen bedeutenden Beitrag zur Entwicklung der hydrologischen Modelle geleistet haben, nur tabellarisch erfasst und dort chronologisch mit Themenbezug eingeordnet. Im Text wird auf die betreffenden Tabellen verwiesen. Aus den genannten Gründen erheben die Autoren keinesfalls Anspruch auf Vollständigkeit und unstreitige Objektivität. Allein ein Blick auf die große Zahl der zitierten Untersuchungen verdeutlicht die Problematik. Koblenz, Dezember 2010 Hans-Jürgen Liebscher Hermann-Gregor Seite 6

7 1. Einleitung Seit über einem halben Jahrhundert werden mathematische hydrologische Modelle in der Praxis eingesetzt, um die wesentlichen Merkmale eines realen Systems und die dort ablaufenden Prozesse näherungsweise abzubilden. Sie sind heute in der Hydrologie und Wasserbewirtschaftung ein unverzichtbares Werkzeug für Planung, Betrieb und Steuerung wasserwirtschaftlicher Systeme. Von besonderer Bedeutung sind diese Modelle für die Vorhersage von Wasserständen, Abflüssen und Wasserbeschaffenheitsparametern sowie für die langzeitliche Prognose des Volumens und des Zustands der Wasservorräte. Die Entwicklung der Verfahren zur Lösung der genannten Aufgaben bedarf Kenntnisse der in der Natur ablaufenden physikalischen, chemischen und biologischen Prozesse und deren Zusammenhänge. Sie stützen sich auf hydrologische Daten und benötigten Methoden sowie Werkzeuge wie elektronische Rechner. Nach mehr als einem halben Jahrhundert der Existenz und des Einsatzes von mathematischen Modellen in der Praxis ist es an der Zeit, einen Rückblick auf die historische Entwicklung dieser Modelle zu geben. Als erster stellte BISWAS (1970) in einem sehr ausführlichen Buch die Geschichte der Hydrologie zusammen. Sie reicht bis in die Mitte des 20. Jahrhunderts hinein. In seiner kurzen Abhandlung der Hydrologie-Geschichte beginnt NACE mit frühen Funden aus der Zeit des Neolithikums und endet mit positiven Erwartungen auf die Internationale Hydrologische Dekade und das Internationale Hydrologische Programm (NACE 1974b). Im Jahr 1985 erschien von GARBECHT eine erste deutschsprachige Abhandlung über die Wasserwirtschaft aus der Zeit der Naturmythologie bis zur Gegenwart. Weiterhin publizierten ROUSE & INCE (1957) in einem Buch die Geschichte der Hydraulik, die ebenfalls in der Mitte des 20. Jahrhunderts endet. In zwei Aufsätzen haben FAHLBUSCH (2010) und RÖTTCHER (2010a) zahlreiche bedeutende Wasserbauwerke insbesondere der Antike einschließlich deren modellgestützte Lösungen behandelt. Einige Lehrbücher der Hydrologie enthalten einen kurzen Überblick über die Geschichte der Hydrologie, wie z. B. LINSLEY et al. (1949), DYCK (1983), MATTHESS & UBELL (1983), BAUMGARTNER & LIEBSCHER (1990) und DYCK & PESCHKE (1995). Ein Fenster in die vorgeschichtliche Zeit des Wasserkreislaufes öffnet die Paläohydrologie mit ihren Hilfswissenschaften Paläogeographie, Paläobiologie und Paläoklimatologie (DYCK 1987). Mithilfe von Modellrechnungen konnten Abflusskurven rekonstruiert werden (SHEF- FER et al. 2003), und es ließen sich menschliche Einflüsse auf das Hochwassergeschehen aus der Analyse von Hochflutlehmen bis zurück in die Jungsteinzeit nachweisen (SCHIRMER 1990, GERLACH 1997). Eine Zusammenstellung ausgewählter Beiträge zur Paläohydrologie und der Geschichte des Messwesens publizierten LANDA & INCE (1987). Nach 1970 fanden mehrere internationale Symposien und Workshops statt, die sich mit Teilthemen der historischen Entwicklung der Hydrologie befassten. Zu erwähnen sind: - Internationales Symposium Drei Jahrhunderte Wissenschaftliche Hydrologie (UNESCO-WMO-IAHS 1974) - Tagung Geschichte der Hydrologie (BfG 1984) mit historischen Beiträgen von ECKOLDT, GARBECHT, KRESSER, LIEBSCHER, u. a. Seite 7

8 - Internationales Symposium in Rom Water for the Future: Hydrology in Perspective (IAHS 1987) - Kolloquium Mathematische Modelle in der Gewässerkunde Stand und Perspektiven (BfG 1998) - Internationales Symposium in Rom The Basis of Civilization Water Science? (IAHS 2004) Um die Entwicklung der hydrologischen Modelle festzuhalten, gibt die Internationale Assoziation für Hydrologische Wissenschaften (IAHS) seit einigen Jahren eine Serie unter der Bezeichnung IAHS Benchmark Papers in Hydrology Series heraus, in der besondere Meilensteine in der Entwicklung der Modelle im Volltext festgehalten werden. Erschienen sind bisher: Steamflow Generation Processes (IAHS 2006) Evaporation (IAHS 2007) Groundwater (IAHS 2008) Rainfall-Runoff Modelling (IAHS 2010a) Riparian Zone Hydrology and Biogeochemistry (IAHS 2010c) Von besonderer Bedeutung für die Entwicklung der hydrologischen Modelle sind die Bände Streamflow Generation Processes und Rainfall-Runoff Modelling. Weitere Bände dieser Serie werden folgen. Im vorliegenden Beitrag werden nach einer kurzen Übersicht über die Entwicklung des Prozessverständnisses des Wasserkreislaufes im Laufe der Jahrhunderte die hydrometrischen Messungen seit dem Altertum und ausführlicher die ersten Grundlagen für Modellansätze vom 17. bis zum 19. Jahrhundert sowie der Fortschritt in den nachfolgenden Epochen bis zum Anfang des 21. Jahrhunderts behandelt. Das Spektrum reicht von einfachen empirischen und oft nur verbal formulierten Modellansätzen bis zu den heutigen komplexen interdisziplinären en. Dabei liegt das Schwergewicht der Betrachtung bei den Wasserbilanz- und Niederschlag-Abfluss-, Wellenablauf-, Grundwasser-, Stofftransport- und Wasserbeschaffenheitsmodellen. Hinzu kommen die statistischen und stochastischen Modelle sowie die gekoppelten und integrativen Modelle. Ausgenommen sind dagegen extremwertstatistische (probabilistische) und ökologische Modelle sowie Nachbargebiete wie die Küstenhydrologie. Die historische Entwicklung der Hydrologie und damit auch die der hydrologischen Modelle lässt sich nach DOOGE (2003) wie folgt in sechs Epochen gliedern: - Hydrologie im Altertum (3000 v. Chr. 500 n. Chr.) - Mittelalterliche Wassertechnologie ( ) - Konzepte und Messungen in der Renaissance ( ) - Erwachen der wissenschaftlichen Hydrologie ( ) - Zeitalter der empirischen Hydrologie ( ) - Zeitalter der Systemhydrologie (1930 bis heute) In den einzelnen Abschnitten werden die physikalischen Grundlagen, das Prozessverständnis und die Entwicklung der Messtechnik, Datenaufbereitung und der Datensammlung behandelt. Danach folgt eine Diskussion der bestehenden Defizite insbesondere hinsichtlich des Prozessverständnisses und der hydrologischen Daten. Angefügt als Resümee des Vorausgehenden ist eine Wertung des aktuellen Wissensstandes und ein Verweis auf künftige Forschungsnotwendigkeiten. Seite 8

9 2. Anfänge der Modellentwicklung 2.1 Hydrologie im Altertum Die Anfänge der Entwicklung der mathematisch-physikalischen Grundlagen für spätere hydrologische Modellierungen gehen bis in das Altertum zurück. Die Sumerer sollen bereits etwa v. Chr. in der Lage gewesen sein, das Einsetzen der Regenzeiten und das Herannahen des Schneeschmelzwassers vorherzusagen (KRESSER 1979). Im alten Ägypten hatten die Wasserstände im Niltal während der Überschwemmungen eine große wirtschaftliche Bedeutung. Von der Größe der überschwemmten Flächen hing der später zu erzielende Ernteertrag ab. Daher markierten die Ägypter die jährlichen Höhen der Wasserstände und versuchten diese vorherzusagen. Nach Eintreffen der Hochwasserwelle in Oberägypten eilten schnelle Ruderer der Hochwasserwelle voraus und kündigten diese in den größeren Städten und den Anbaugebieten an. Dies dürfte der älteste Hochwassermeldedienst sein (GARBRECHT 1985). Die frühesten bekannten Aufzeichnungen von Hochwasserständen am Nil gehen in die Zeit vor 3000 v. Chr. zurück (NACE 1974a). Hochwassermarkierungen aus dem Altertum befinden sich entlang des Nils von Nubien bis zum Nil-Delta. Beispielsweise wurde eine aus dem Jahr 2800 v. Chr. stammende Steintafel (Palermo-Stein) mit Wasserstandsdaten des Nils über 52 Jahre gefunden. Diese Tafel wird heute als die älteste bekannte hydrometrische Veröffentlichung angesehen. Aus der ägyptischen Hochkultur nach 1000 v. Chr. sind weitere Nil-Pegel- Hochwassermarken mit Inschriften bekannt (KRESSER 1984). Erste Niederschlagsbeobachtungen wurden bereits etwa 1200 v. Chr. in China durchgeführt, systematische Niederschlagsmessungen etwa 200 v. Chr. (NACE 1974a). In Indien fand man älteste Regenmessungen noch aus dem 4. Jahrhundert v. Chr. In Palästina wurden Niederschläge zwischen 200 v. Chr. bis 200 n. Chr. gemessen. ANAXIMANDER VON MILET ( v. Chr.) hat als erster die Ursache und den Vorgang der Verdunstung beschrieben und damit ein Element des Wasserkreislaufes erkannt. ANAXA- GORAS ( v. Chr.) erwähnt als erster in seiner Meteorologie die Speicherung des Wassers im Boden sowie den Ursprung der Flüsse aus Niederschlag und Zufluss aus dem Untergrund (GARBRECHT 1985). ARISTOTELES ( v. Chr.) deutet und erklärt in seinem Werk Meteorologica weitgehend zutreffend die Verdunstung, Kondensation (Wolkenbildung) und Niederschläge (Regen, Schnee, Tau, Reif). Dieses Werk ist die älteste geschlossene Abhandlung atmosphärischer und hydrologischer Fragen. In der zweiten Hälfte des ersten nachchristlichen Jahrhunderts definierte SEXTUS JULIUS FRONTIUS (Curator Aquarum in Rom) den Kanaldurchfluss anhand der durchflossenen Querschnittsfläche und erkannte dabei, dass auch die Geschwindigkeit einen Einfluss habe (FAHLBUSCH 2010). Unmittelbar danach gelang HERON VON ALEXANDRIA die endgültige Formulierung des Kontinuitätsgesetzes. Zur Ermittlung von Quellschüttungen schlug er vor, direkt das Volumen eines Behälters und die Zeit, in der er sich gefüllt hat, zu messen (GARBRECHT 1985). ARCHIMEDES hat den Auftrieb und die Stabilität des Schwimmens korrekt erkannt. Diese Erkenntnisse waren ihrer Zeit um etwa 1400 Jahre voraus. Sie wurden erst in der Renaissance wiederentdeckt. Seite 9

10 Die Römer übernahmen teilweise die Lehren der Griechen. Sie entwickelten diese jedoch nicht weiter. Bei den Römern standen die Machbarkeit und die praktische Anwendung im Vordergrund. Im Altertum wurden ohne hydrologisches Prozessverständnis und mit wenigen Daten beachtliche wasserwirtschaftliche Systeme und Bauwerke (Wasserversorgung, Abwasserbeseitigung, Entwässerung, Bewässerung, Staudämme, Deiche, Speicher, Hebewerke) geschaffen. Weitere Informationen hierzu sind bei ROUSE & INCE (1957), BISWAS (1970) und GARBRECHT (1985) zu finden. Über lange Zeiträume gesammelte Erfahrungen, ein besonderes Einfühlungsvermögen in die natürlichen Prozesse und ein beachtliches handwerkliches Können bildeten die Basis, auf der die hochtechnischen Anlagen der Antike geplant, gebaut, betrieben und unterhalten wurden (GARBRECHT 1985). 2.2 Mittelalterliche Wassertechnologie ( ) Entgegen der Blüte in der Baukunst und einigen Geisteswissenschaften war das Mittelalter im Abendland auf dem Gebiet der Naturwissenschaften und damit auch der Hydrologie nicht in der Lage, über die antiken Kenntnisse hinauszukommen. Damit ging u. a. auch das Interesse am Wasserkreislauf und somit seine Bedeutung verloren. In der mittelalterlichen Periode gab es in Europa daher keine Fortschritte auf dem Gebiet der Hydrologie. Dies spiegelte sich u. a. auch darin wider, dass die Wasserversorgung auf den Stand vor der Epoche der Griechen und Römer zurückfiel (KRESSER 1984). Im Gegensatz dazu wurden Naturwissenschaften in anderen Kulturkreisen, wie im Nahen-, Mittleren- und Fernen Osten sowie in Mittel- und Südamerika gepflegt und weiterentwickelt. Ein Beispiel hierfür ist das Erscheinen eines Lehrbuches des Persers MOHAMMED AL KARAGI im Jahr 1017 über die Nutzung der unterirdischen Wasservorräte. Dieses Werk enthielt schon die wesentlichen Vorstellungen über den Wasserkreislauf (GARBRECHT 1985). In Ägypten wurden am Nil seit dem Altertum bis weit in die Neuzeit hinein regelmäßig Ablesungen des Wasserstands an Nilometern durchgeführt. Die jährlichen höchsten und niedrigsten Wasserstände wurden festgehalten und teilweise archiviert. Daher liegt vom Roda Nilometer eine Messreihe von 622 bis zum Jahr 1926 n. Chr. vor. Diese Reihe enthält lediglich im 16. und 17. Jahrhundert einige Unterbrechungen (JARVIS 1935). Weitere Beispiele für die mittelalterlichen Wassertechnologien sind Regenmessungen im Fernen Osten. Nach BISWAS (1970) wurden im Jahr 1227 n. Chr. in China und 1441 n. Chr. in Korea Regenmessungen durchgeführt. 2.3 Konzepte und Messungen in der Renaissance ( ) Es folgte das Zeitalter der Renaissance. LEONARDO DA VINCI ( ) war gleichzeitig Naturwissenschaftler, Ingenieur und Künstler. Er setzte sich mit den Erkenntnissen des Aristoteles auseinander. Er hat das Kontinuitätsgesetz von HERON VON ALEXANDRIA verbal ausgesprochen, ohne es aber in eine mathematische Formel zu fassen. Er befasste sich mit dem Seite 10

11 Hochwasserrisiko, der Wasserknappheit, beschrieb korrekt den Geschiebetrieb, den Abrieb, die Erosion sowie die Sedimentation und ihre Wechselbeziehung zur Flussbettgeometrie (ROUSE & INCE 1957, BISWAS 1970, GARBRECHT 1985, PFISTER et al. 2009). PALISSY (etwa ) befasste sich intensiv mit den Aristotelschen Grundsätzen. Der Wasserkreislauf war bis zum 16. Jahrhundert von einigen wenigen Geographen und Naturphilosophen nur in sehr groben Umrissen skizziert worden. Erst PALISSY hat ihn eindeutig, klar und detailliert dargestellt (GARBRECHT 1985). In China lagen in diesem Zeitraum lange Niederschlagsreihen vor. Im Jahr 1573 wurde entlang des Hoang Ho ein Hochwasserdienst eingerichtet. Schnelle Reiter sollen entlang des Flusses den Hochwasserwellen vorangeritten sein und Warnungen überbracht haben. Mit Beginn des 17. Jahrhunderts setzte eine einschneidende Veränderung der Betrachtungsweise der in der Natur ablaufenden physikalischen Prozesse ein. Über 1400 Jahre nach HERON VON ALEXANDRIA hat CASTELLI ( ) das Kontinuitätsgesetz wiederentdeckt und es in seinem Werk Della Misura Dell Acque Correnti (Von der Messung des fließenden Wassers) zusammengefasst und formelmäßig beschrieben (BIS- WAS 1970, DOOGE 2004, VISCHER 2010). Der Erstveröffentlichung im Jahre 1628 in Rom folgten zwei weitere Auflagen 1639 wiederum in Rom und 1660 in Bologna sowie Übersetzungen ins Englische (1661) und Französische (1664). CASTELLI übernahm in dem von ihm entwickelten fundamentalen hydraulischen und hydrologischen Theorem die antike Vorstellung von der Kontinuität einer freien Flüssigkeitsströmung, wonach die Fließgeschwindigkeit in dem Maße zunimmt, wie der durchströmte Querschnitt abnimmt. Daraus leitete er fünf Axiome ab, aus denen zusammengefasst werden kann, dass das Produkt aus Querschnitt und Fließgeschwindigkeit entlang eines Flusses unverändert bleibt, unabhängig vom Wechsel des Querschnitts entlang seines Fließweges. Dieses Produkt bezeichnete er als Abfluss. Eine weitere Leistung von CASTELLI war die in Europa erstmalige Installation eines Regenmessers. Mit den Aufzeichnungen des im Jahr 1639 nahe dem Trasimener See (Italien) aufgestellten Gerätes ließen sich die Änderungen des Seewasserstandes vorhersagen. Bereits im Jahre 1644 konnte TORRICELLI, ein Schüler von CASTELLI, das Kontinuitätsgesetz auch im Laborexperimentell bestätigen, man spricht daher von Torricellis Gesetz über die Ausflussgeschwindigkeit von Flüssigkeiten. PERRAULT ( ), MARIOTTE ( ) und HALLEY ( ) brachten quantitative Sichtweisen in die bis dahin durch allgemeine Beobachtungen gestützte spekulativ-qualitative Hydrologie ein (GARBRECHT 1985). Dadurch wurde die Hydrologie auf eine wissenschaftliche Ebene gehoben. PERRAULT (1674) führte Niederschlagsmessungen im Seinegebiet und Durchflussmessungen der Seine durch. Seine Messungen ergaben, dass nach drei Jahresperioden der Niederschlag ca. 6-mal größer als der Abfluss (Durchfluss) war. Er entwickelte als erster eine Wasserbilanz für ein Teileinzugsgebiet der Seine. Das Erscheinen seiner Arbeit gilt heute als die Geburtsstunde der Hydrologie (NACE 1974a). UNESCO, WMO und IAHS würdigten seine Leistung und nahmen sie zum Anlass für ein besonderes Symposium unter dem Titel 300 Jahre wissenschaftliche Hydrologie (UNESCO-WMO- IAHS 1974). Wenige Jahre nach der ersten Aufstellung einer Wasserbilanz durch Perrault untersuchte MARIOTTE (1686) die Zusammenhänge zwischen Niederschlag und Abfluss in einem größe- Seite 11

12 ren Teileinzugsgebiet der Seine und genauer als PERRAULT. Dazu führte er ebenfalls Niederschlags- und Durchflussmessungen durch. Seine Arbeit bestand aus hydrologischer Sicht in der richtigen Deutung des Wasserkreislaufes: Infiltration und Versickerung des Regens, Austritt des "kondensierten" Wassers in Quellen und Flüssen sowie Verdunstung als Differenz von Niederschlag und Abfluss. HALLEY (1687) ergänzte die ersten quantitativen Berechnungen der Komponenten des Wasserkreislaufes von PERRAULT und MARIOTTE durch Betrachtungen der dazugehörenden atmosphärischen Komponenten. Nach einem Experiment mit einem Verdunstungskessel gelangte er zu einer überschlägigen Wasserbilanz des Mittelmeeres, die zeigte, dass genügend Wasser vom Meer verdunstet, um den Abfluss der Flüsse auf den Kontinenten über den Niederschlag zu speisen (DYCK & PESCHKE 1995). In England haben WREN ( ) und HOOKE ( ) die ersten Regenmesser mit Kippschale gebaut (BISWAS 1970). GUGLIELMINI ( ) erkannte 1697 das Konzept des stationären Abflusses als Gleichgewicht zwischen Gefälle und Reibung (DOOGE 2004). Bemerkenswert ist, dass in den nächsten 100 Jahren keine Fortschritte in der quantitativen Bestimmung der einzelnen Komponenten des Wasserkreislaufs erzielt wurden (GARBRECHT 1985). 2.4 Erwachen der wissenschaftlichen Hydrologie ( ) Im 18. Jahrhundert begann sich das PERRAULT-MARIOTTE-HALLEY-Konzept des Wasserkreislaufes immer mehr durchzusetzen, jedoch ohne es in der Praxis anzuwenden. DE LA METHIÉRE ( ) befasste sich mit Fragen der Wasserdurchlässigkeit verschiedener Felsformationen, der Bodenfeuchte, der Verdunstung und Transpiration, der Versickerung, der Grundwasserbewegung und der Wasserversorgung aus Quellen. Er erweiterte damit die Kenntnisse über den Wasserkreislauf (DE LA METHIÉRE 1797, BISWAS 1970, GARBRECHT 1985). Weitere bedeutende mathematische, physikalische und chemische Grundlagen wurden von 1700 bis 1800 geschaffen (BISWAS 1970): - BERNOULLI (1738): Zusammenhänge zwischen Geschwindigkeit und Druck sowie das Energie-Erhaltungsgesetz - BRAHMS (1753) und CHEZY (1755) von MOURET (1921) rezitiert, sowie DU BUAT (1779): erste empirische (klassische) Fließgesetze - EULER (1755): reibungsfreie Bewegungsgleichung sowie Ansätze des Finite- Differenzen-, des Finite-Volumen- und des Finite-Elemente-Verfahrens - LAGRANGE (1788): Anfänge der hydromechanischen Analytik CHEZY hat seine Formel, in der die Fließgeschwindigkeit im offenen Gerinne als Funktion von hydraulischem Radius und dem Fließgefälle dargestellt ist, im Jahre 1755 beschrieben. Sie wurde aber erst 1879 von CLEMENS HERSCHEL in alten französischen Schriften wiederentdeckt. Bemerkenswert sind darüberhinaus die frühen Abhandlungen über die Hydraulik von SILBERSCHLAG ( ) und DU BUAT ( ). SILBERSCHLAG schrieb in seinem ersten Wasserbau-Lehrbuch deutscher Sprache, dass die Fluten, die Hochwasser- Seite 12

13 wellen, langsamer fortschreiten, als die Fließgeschwindigkeit es mit sich bringen würde und dass beim Abfluss der Hochwasserwellen die unterirdischen Seen des Stromes, also die seitlichen Grundwasserleiter, einen Teil des Hochwassers vorübergehend aufnehmen (SILBER- SCHLAG 1772/73, ECKOLDT 1975). DU BUAT (1779) fasste die damaligen Kenntnisse der Hydraulik in einem Buch zusammen, worin auch die klassischen Fließgesetze enthalten sind. Es wurde 1786 und später 1816 posthum erweitert sowie ins Englische und von EYTELWEIN ins Deutsche übersetzt (BISWAS 1970). Zu Beginn der 18. Jahrhunderts wurden in Europa an den großen Flüssen vereinzelt die ersten Pegel eingerichtet. Beispiele hierfür sind die 1715 in St. Petersburg an der Newa und 1727 in Magdeburg an der Elbe geschaffenen Pegel. In der zweiten Hälfte des 18. Jahrhunderts wurden in Mitteleuropa, insbesondere an der Elbe (Barby 1753), am Rhein (Düsseldorf 1766, Emmerich und Köln 1770) und an der Oder (Küstrin 1778) weitere Pegel eingerichtet und regelmäßige Pegelbeobachtungen eingeführt (ROHDE 1968, ECKHOLDT 1970, 1984; GARBRECHT 1985). Bei der Ermittlung des Abflusses in Flüssen und künstlichen offenen Gerinnen wurden im 18. Jahrhundert bedeutende Fortschritte erzielt. Es wurden das Pitot-Rohr (PITOT ), der Messflügel (u. a. CABRAL , WOLTMANN ) und der Venturi-Kanal (VENTURI ) entwickelt (ECKOLDT 1970, GARBRECHT 1985). Der von WOLTMANN 1786 konstruierte Messflügel wurde im 19. Jahrhundert weitgehend an den größeren Flüssen des kontinentalen Europas zu regelmäßigen Abflussmessungen eingesetzt (VISCHER 2010). Die Einrichtung eines ersten Hochwassernachrichtensystems in neuerer Zeit geht auf PÖTZSCH zurück (ROHDE 1968). Er beobachtete seit 1761 im Bereich der mittleren Elbe die Witterung. Seit 1772 betrieb er meteorologische Beobachtungen und Messungen. Unter seinem Druck wurden 1775 in Meißen und 1776 in Dresden Pegel eingerichtet. Daraus entwickelte sich der erste funktionierende Hochwassernachrichtendienst entlang der Elbe-Strecke Königstein Dresden Meißen Torgau Wittenberg, wobei Warnungen durch eine Kette von Kanonenschüssen weitergegeben wurden. Seit 1805 wurden bei Hochwasser täglich akustische Meldungen von Dresden nach Magdeburg versandt (LIEBSCHER 1984). Seite 13

14 3. Das Zeitalter der empirischen und graphischen Modelle Das 19. Jahrhundert wird in Bezug auf die Hydrologie als die große Zeit der experimentellen Untersuchungen angesehen. In ihm wurden die Grundlagen für die moderne Hydrologie gelegt (GARBRECHT 1985). Die Zeit von 1800 bis etwa 1930 könnte daher auch als die Prä- Modell-Zeit bezeichnet werden. Mit dem Beginn des 19. Jahrhunderts begannen in einigen europäischen Ländern der Aufbau der hydrologischen Dienste und damit auch die Einrichtung eines dichteren Netzes von Pegeln an größeren Flüssen. Im Jahr 1810 erstellte EYTELWEIN ( ) für Preußen die erste Pegelrichtlinie, damit schuf er den Grundstein für die gewässerkundliche Statistik (ECKOLDT 1965). Dieses Ereignis wird heute als die Geburtsstunde der hydrologischen Dienste in Mitteleuropa angesehen. Die Fachzeitschrift Hydrologie und Wasserbewirtschaftung (HyWa) würdigte in Heft 2 des Jahres 2010 das 200. Bestehen der vorgenannten Dienste. Auch das Symposium PANTA RHEI 2010 in Berlin nahm Bezug auf die Arbeiten von EYTELWEIN (BMVBS 2010). Weitere bedeutende mathematische, physikalische und chemische Grundlagen wurden von 1800 bis 1900 geschaffen durch (BISWAS 1970) - HENRY (1803) und DALTON (1805): Löslichkeits- und Adsorptions-Gesetz - HAGEN (1839) und POISEUILLE (1840): Hagen-Poiseuillesches Gesetz der laminaren Rohrströmung, Fließgesetz in Kapillaren - NAVIER (1827) und STOKES (1845): Navier-Stokes sche Bewegungsgleichungen - DE SAINT-VENANT (1834, 1871): Saint-Venant-Gleichungen - WEISBACH (1845): Fließgesetz - DUPUIT (1854): Fließprozess - FICK (1855): 1. und 2. Fick sches Diffusions-Gesetz - DARCY (1856): Grundwasser-Fließ-Gesetz - BOUSSINESQ (1872): Wirbelviskositätsprinzip Anzufügen sind noch die Untersuchungen von - KLEITZ (1858): Ablauf von Hochwasserwellen (bei DOOGE 2004 erwähnt) - GRAEFF (1875): Zusammenhang der Geschwindigkeit einer Hochwasserwelle in Abhängigkeit vom Querschnitt und Gefälle (bei DOOGE 2004 erwähnt) - EBERMAYER (1873, 1897): Interzeption, Waldniederschlag - RIEGLER (1879): Stammablauf - HOPPE (1896): Interzeption (durchfallender und abtropfender Niederschlag, Stammablauf) Bemerkenswert waren im 19. Jahrhundert die Fortschritte in der Hydromechanik. Diese weitete in der zweiten Hälfte des Jahrhunderts ihre Kenntnisse auf stationäre und dynamische Fließprozesse offener Gerinne und Grundwasser aus. Im Jahr 1862 erschien das Manual of Hydrology von BEARDMORE, das erste englisch-sprachige Handbuch der Hydrologie im heutigen Sinne (BISWAS 1970). Seite 14

15 Bis Mitte des 19. Jahrhunderts wurden aus gemessenen Niederschlags- und ermittelten Abflusswerten erste Wasserbilanzen aufgestellt. Über 120 Jahre nach PERRAULT (1674) und MARIOTTE (1686) stellten DALTON (1802a), LORTET (1849) und MULVANY (1851) weitere Wasserbilanzen auf. DALTON stützte seine Wasserbilanz auf einfache Messung der Verdunstung mit Lysimetern. Parallel dazu schuf er physikalische Grundlagen für das Verständnis des Verdunstungsprozesses (DALTON 1802b), später DALTON-Formel genannt (HORTON 1917b, BISWAS 1970, WERNER et al. 1977, HOYNINGEN-HUENE et al. 1986). Mit der Erfindung der Telegraphie durch Morse im Jahr 1837 und dessen Einführung in der Mitte des 19. Jahrhunderts wurde die Übertragung von gemessenen Niederschlägen und Wasserständen ermöglicht. Mit Hilfe des neuen Telegraphie-Netzes konnten bei Hochwassergefahr Informationen über Niederschläge und Wasserstände im Oberlauf des Einzugsgebietes zu den gefährdeten Städten übertragen werden. LORTET und MULVANY nutzten für ihre empirischen Niederschlag-Wasserstands-Beziehungen Wasserstandsbeobachtungen an den bedeutenden Nebenflüssen im Oberlauf der Loire bzw. an irischen Flüssen. Indem sie ebenso wie später LAUTERBURG (1887) die grob geschätzten Fließzeiten von den Beobachtungsoder Messstationen bis zum Vorhersageort das Ansteigen der kleineren Flüsse im Oberlauf berücksichtigten, konnten sie auch Vorhersagen von Scheitelwasserständen in den betreffenden Einzugsgebieten erstellen. Während LORTET auch die Verdunstung in seine Abflussquotienten-Tabellen aufnahm, berücksichtigte MULVANY insbesondere geologische Faktoren und die Art der Landnutzung (cultivation). Das Jahr 1849 dürfte daher als das Geburtsjahr der hydrologischen Modelle betrachtet werden. Weitere empirische Verfahren wurden fast 40 Jahre später von LAUTERBURG (1887) und SCHREIBER (1892) sowie graphische Vorhersageverfahren auf der Basis des Pegelbezugslinienverfahrens von MAASS (1878) und PÈCH (1895) zur Vorhersage von Spitzenabflüssen bei Hochwasser entwickelt. Dafür wurden spezielle Diagramme erstellt, mit deren Hilfe in einigen Fällen bis Mitte der 1980er-Jahre Wasserstandsvorhersagen berechnet wurden. Das Innovative an der von SCHREIBER verwendeten Beziehung ist ihr systemtheoretischer Ansatz, womit sie nach unserer heutigen Nomenklatur den Abflussbildungsprozess aus Regen als reinen Niederschlag-Abfluss-Gleitmittelprozess (Moving Average Process) beschreibt. Dieser weist den Charakter des erst 40 Jahre später von SHERMAN (1932) vorgestellten Unit-Hydrographen auf (DYCK & GRÜNEWALD 1970). Daneben wurde von Schreiber ein bedeutender Grundstein für die Berechnung langfristiger Mittelwerte der Wasserhaushaltsbilanz gelegt. Dabei wurde erstmals der Wirkungsgrad der Verdunstung als Verhältnis von realer und potenzieller Verdunstung sowie die potenzielle Feuchte als Verhältnis von Niederschlag zu potenzieller Verdunstung definiert (Dyck & PESCHKE 1995). Bemerkenswert im Wasserbilanzmodell von LAUTERBURG ist die Segmentierung des Einzugsgebietes in Einzellauflängen (Verzögerungsfaktoren der Zubringer) sowie die Berücksichtigung des Regentyps (Flutregen, Landregen), der Landnutzung (Wald), der Jahreszeit und der Verdunstung an Vortagen. Mehr als 30 Jahre später und ohne Kenntnis der Arbeit von LAUTERBURG hat sich ROSS (1921) mit den Laufzeiten von Teilgebieten unterschiedlicher Beregnung beschäftigt und damit das erste Flood-Routing-Modell geschaffen. Ein wichtiges Werkzeug der empirischen Modelle sind die Regressionsverfahren, deren Grundlagen am Anfang des 19. Jahrhunderts durch die Entwicklung der Berechnung einer Ausgleichsgeraden durch LEGENDRE (1806) entstanden. GAUß (1809) erweiterte diese Me- Seite 15

16 thode auf die statistischen Eigenschaften der kleinsten Quadrate der Abweichungen und die Standardnormalverteilung. Der eigentliche Beginn der Regressionsanalyse wird in einer Arbeit von GALTON (1889) gesehen, in der das Gesetz der universellen Regression formuliert und der Begriff Regression geprägt wurde. Durch neue Erkenntnisse im hydraulischen Versuchswesen konnten MANNING (1851), GAUCKLER (1867, 1868), GANGUILLET & KUTTER (1869) und STRICKLER (1923) die empirischen Fließgesetze insbesondere durch Einführung verschiedener Formen des Rauhigkeitsbeiwertes verbessern. Aus den Formeln von WEISBACH (1845) und DARCY (1856) in Verbindung mit der erst 1937 von COLEBROOK & WHITE, nach Vorarbeiten von NIKURADSE (1932), gefundenen Beziehung für den Reibungsbeiwert bei turbulenter Strömung ließ sich schließlich das universelle Fließgesetz für offene Gerinne formulieren. Bereits 1889 hat MASSAU ein graphisches Integrationsverfahren vorgestellt, mit dem versucht wurde, die Saint-Venant-Gleichungen zu lösen und auf flussbauliche Strömungsprobleme anzuwenden (ROUSE & INCE 1957). Weitere Fortschritte wurden durch die Entwicklung des Ähnlichkeitsgesetzes und der Theorie der Dynamik von inkompressiblen Flüssigkeiten durch REYNOLDS (1883, 1894) erzielt. Kurz darauf erweiterte TRABERT (1896) die empirische Verdunstungsformel von DALTON (1802b) durch Berücksichtigung der Lufttemperatur. Nach der Jahrhundertwende beschleunigte sich die methodische Weiterentwicklung. Zu erwähnen sind: - die Verfahren zur Gebietsniederschlagsberechnung von MEINARDUS (Raster und Isohyeten, 1900), THIESSEN (gewichtete Mittelung, 1911) und HORTON (Polygone, 1917a) - die Verzögerung und Dämpfung der Hochwasserwelle (FORCHHEIMER 1906) - die Theorie der Flüssigkeitsbewegungen mit sehr kleiner Reibung (PRANDTL 1904) - das Potenzialkonzept zur Beschreibung der Wasserbewegung im Boden (BUCKING- HAM 1907) - die ersten Formeln zur Berechnung der Infiltration (GREEN & AMPT 1911) - die Potenzialtheorie im Grundwasserbereich (FORCHHEIMER 1914) - Fließformeln und Analytik der Abflusskurve (GRAVELIUS 1914, KOZENY 1920, NEUBERT 1969) - Weiterentwicklung und Anwendung der Dalton-Verdunstungsformel (HORTON 1917b) - die Beschreibung der Interzeption (HORTON 1919) - die Theorie der Diffusion bei gleichförmiger Bewegung (TAYLOR 1921) - die erste Berechnung des Hochwasserabflusses mit Hilfe von Laufzeiten (ROSS 1921) - das erste Sauerstoffhaushaltsmodell (STREETER & PHELPS 1925) - die ersten Ansätze von Turbulenzmodellen, Mischungswegansatz (PRANDTL 1925) - das Bowen-Verhältnis zur Berechnung der Verdunstung (BOWEN 1926) - die Lagrangschen Ansätze wie das Particle-Tracking und die Random-Walk-Methode (KINZELBACH & RAUSCH 1995 bzw. LEE et al. 2005a) Mit den vorgenannten Modulen war der Übergang in das Zeitalter der Systemhydrologie eingeleitet. Empirische Modelle wurden zunächst noch weiter eingesetzt, da die Werkzeuge für die breite Anwendung der neuen Verfahren weitgehend fehlten. Erst die Entwicklung der Rechnertechnik in den 1950er-Jahren schaffte hierfür die Voraussetzungen. Seite 16

17 Bereits im Jahr 1914 veröffentlichte FORCHHEIMER ein Lehrbuch der Hydraulik. Es widmete sich auch den Fließvorgängen unter stationären, zeitlich veränderlichen und variierenden geometrischen Bedingungen in natürlichen Flussbetten und im Grundwasser. Es war über 30 Jahre das Standardlehrbuch. Von diesem Buch erschienen noch zwei weitere Auflagen (1920 und 1930). Danach kam 1919 ein erstes modernes Lehrbuch der Hydrologie von MEAD heraus. In den Jahren 1900 bis 1930 wurde die hydrologische Messtechnik und die analytisch-statistische Aufbereitung der Messdaten weiter entwickelt und das Spektrum der Messverfahren verbreitert. In den meisten Ländern wurden die hydrologischen Messnetze verdichtet, die gemessenen Daten aufbereitet und in Jahrbüchern veröffentlicht sowie die empirischen Vorhersagen der Wasserstände größerer Flüsse verbessert. Zunehmend kamen statistische Methoden in der Hydrologie zum Einsatz wie die Korrelationsrechnung, die Regressionsanalyse sowie die Harmonische und Periodogramm-Analyse. Weiterhin wurde die Trockenwetterauslauflinie (TWL) in der Praxis eingesetzt (SCHAFFERNAK 1935). Wesentliche Beiträge zu den modelltechnischen Grundlagen der Hydrologie lieferte HORTON ( ). Sie lagen auf den Gebieten Basisabfluss, Verdunstung, Gebietsniederschlag, Interzeption, Analyse der Abflussganglinie, hydrophysikalische Einzugsgebietsentwicklung, Erosion und Infiltration. HORTON war mit seinen Untersuchungen in der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts der weltweit führende Hydrologe. HALL (1987) und BEVEN (2004) haben seine Arbeiten gewürdigt. Anfang des 20. Jahrhunderts setzte in einigen deutschen Technischen Hochschulen eine besondere Entwicklung im Wasserbau ein. In großen Hallen oder im Freien wurden Flussabschnitte in physikalischen Modellen nachgebildet und der Einfluss von flussbaulichen Maßnahmen untersucht. Diese Art der Modelle wird auch heute noch angewendet (siehe auch Abschnitt 4.4). Seite 17

18 4. Das Zeitalter der Systemhydrologie 4.1 Allgemeine Entwicklungen Weiterentwicklung der Modellgrundlagen Durch zunehmenden nationalen und internationalen Gedankenaustausch sowie eine stärkere interdisziplinäre Zusammenarbeit kam es in den Jahren 1930 bis 1950 zu einer mehr rationalen Analyse hydrologischer Probleme und zu einer Beschleunigung methodischer Weiterentwicklungen. Dies waren weitere wichtige Module zur Beschreibung der Wasserbewegung in den verschiedenen Teilsystemen eines Flusseinzugsgebietes wie Gebietsniederschlag, Verdunstung, Schneeschmelze, Landoberflächen- und Gewässerabfluss, ungesättigte und gesättigte Bodenzone, Wechselbeziehung zwischen Grund- und Oberflächenabfluss sowie Schwebstoff-, Geschiebe- und Stofftransport. Als kennzeichnend hierfür seien genannt: - die Bodenwasser-Fließgleichung (RICHARDS 1931) - der Unit-Hydrograph für die Ableitung der Durchflussganglinie aus dem Niederschlag (SHERMAN 1932) - das Konzept des Landoberflächenabflusses infolge von Infiltrationsüberschuss (Horton scher Landoberflächenabfluss) (HORTON 1933) - das Konzept des Einzellinearspeichers (ZOCH 1934) - das Muskingum-Verfahren (USACE 1936, CLARK 1945) - das Konzept des Zwischenabflusses (HURSH 1936, 1944; SAVILLE 1936) - die erste Lösung der Strömungsgleichungen für Fließgewässer mittels finiter Elemente (THOMAS 1934) - das Widerstandsgesetz (COLEBROOK & WHITE 1937) - das Verlustratenkonzept (HORTON 1939) - die Ganglinien-Separation (HURSH & BRATER 1941) - die Grundlagen für die Modellierung turbulenter Strömungen im offenen Gerinne (KOLMOGOROFF 1941) - die ersten brauchbaren Verdunstungsformeln (THORNTHWAITE & HOLZMAN 1939, 1942; BUDYKO 1946, PENMAN 1948, THORNTHWAITE 1948, BLANEY & CRIDDLE 1950, TURC 1951) - abflusswirksamer Niederschlag auf Grundlage von Koaxialdiagrammen (LINSLEY et al. 1949, BECKER 1964, ROSEMANN 1983) - die SCS-Kurve (MOCKUS 1949, LUTZ 1984, MISHRA & SINGH 2002, 2003) - die Geschiebe-Theorie (EINSTEIN 1950, GLAZIK 1989) Die angeführten Module fanden Eingang in mathematische Modelle zur Lösung aktueller hydrologischer Fragestellungen. Damit eröffneten sich neben den in Abschnitt 3 erwähnten physikalischen Modellen neue Möglichkeiten zur Lösung praktischer Probleme. Daneben wurde in den 1960er-Jahren versucht, physikalische Modelle für ganze Flussgebiete einzusetzen. Dieser Weg konnte sich jedoch nicht durchsetzen. Seite 18

19 Mit wenigen Ausnahmen wurden die o. a. Module im angelsächsischen Raum entwickelt. Das U.S. Army Corps of Engineers beschrieb schon 1936 in einem Buch die neueren Ansätze für Hochwasservorhersagen. In den Lehrbüchern von MEINZER (1942), FOSTER (1949) und KAZMANN (1965) wurde noch die klassische Hydrologie behandelt. In dem weltweit verbreiteten Lehrbuch von LINSLEY, KOHLER & PAULUS (1949) sind die damals neuen Verfahren zusammenfassend beschrieben. Mit dem Erscheinen der Open-Channel Hydaulic und des Handbook of Applied Hydrology (VEN TE CHOW 1959 bzw. 1964) wurde den Praktikern ein umfangreiches Werkzeug zur Verfügung gestellt. Weitere Handbücher dokumentieren den Fortschritt der hydrologischen Modellierung in den 1970er- und frühen 1980er-Jahren: - Handbook on the Principles of Hydrology von GRAY (1970) - Engineering Hydrology von WILSON (1970) - Mathematical Models for Surface Water Hydrology von CIRIANI et al. (1977) - Hillslope Hydrology von KIRKBY (1978) - Hydrological Modeling of Small Watersheds von HAAN et al. (1982) VEN TE CHOW ( ) galt nach der Mitte des 20. Jahrhunderts als weltweit führender Hydrologe. Ab Mitte der 1960er-Jahre begannen sich die mathematischen Modelle durchzusetzen. Internationale Nichtregierungsorganisationen wie die IAHS und die IAHR griffen dieses Thema auf. Bereits 1967 fanden zwei derartige Konferenzen statt: Das IAHS-Symposium in Bern/ Schweiz, bei dem u. a. DOOGE die Systemhydrologie vorstellte (IAHS 1968a, DOOGE 1968) und der IAHR-Kongress in Fort Collins/USA (IAHR 1967). Einem weiteren Symposium noch im gleichen Jahr mit dem Rahmenthema Computergestützte mathematische Modellierung in der Hydrologie (IAHS 1968a,b) folgte in 1972 das Internationale Symposium Floods and Droughts (SCHULZ et al. 1973). Nationale und internationale Organisationen schlossen sich diesen Beispielen an. Heute stehen mathematische Modelle bei fast jeder Hydrologie- Veranstaltung auf dem Programm Entwicklungen in Deutschland Nach dem Erscheinen des ersten deutsch-sprachigen hydrologischen Lehrbuches von SCHAF- FERNAK (1935) publizierte WALLNER (1938) ein deutsch-sprachiges Buch über die hydrologische Hochwasservorhersage, in dem er offenbar ohne Kenntnis der zeitgleichen Entwicklung des U.S. Army Corps of Engineers Fließzeit und Retention als Variable in seinem Vorhersagemodell verwendete. In den 1950er- bis Anfang der 1960er-Jahren erschienen weitere deutschsprachige Hydrologie-Lehrbücher (KALWEIT 1953, STRECK 1953, WUNDT 1953, KELLER 1961, WECHMANN 1963). Diese Lehrbücher berücksichtigten jedoch nicht die neueren hydrologischen Erkenntnisse aus den Jahren 1930 bis Lediglich KELLER beschrieb in seinem Lehrbuch kurz das Einheitsganglinien-Verfahren. Ab Mitte der 1960er-Jahre wurde dieses Defizit in den beiden damals getrennten deutschen Staaten erkannt, und es wurden Anstrengungen unternommen, Anschluss an den internationalen Standard zu gewinnen. In beiden deutschen Staaten wurden damals Studien in Auftrag gegeben, um die in der Praxis tätigen Hydrologen und Wasserwirtschaftler mit den neuen Verfahren vertraut zu machen (SCHULTZ 1967, 1968; MENDEL 1968a,b, BECKER & GLOS 1969, BMI 1975, DFG 1975, KÖHLER 1976 und Seite 19

20 CEMBROWICZ et al. 1978). In den Jahren 1976 und 1978 erschienen die beiden Bände des ersten modernen deutschsprachigen Lehrbuches der Angewandten Hydrologie von DYCK, sowie 1988 das Buch Hydrologie und Wasserwirtschaft von MANIAK, in dem die bis dahin entwickelten Verfahren und deren praktische Anwendung ausführlich beschrieben sind. Außerdem erschienen Lehrbücher über die Grundlagen der Hydrologie von DYCK (1983), MATTESS & UBELL (1983), LUCKNER & SCHESTAKOW (1986), BAUMGARTNER & LIEB- SCHER (1990) und DYCK & PESCHKE (1995). In den meisten Lehrbüchern der Hydromechanik, wie z. B. KOZENY (1953), SCHMIDT (1957), PRESS & SCHRÖDER (1966), WECHMANN (1966) und PREIßLER & BOLLRICH (1985), wird auch das stationäre und instationäre Fließen in offenen Gerinnen behandelt. Wie schon erwähnt, beschränkte sich die rasante Entwicklung der Hydrologie zwischen 1930 und 1950 mit wenigen Ausnahmen auf den angelsächsischen Raum. Der Fortschritt zwischen 1930 bis 1960 war in Deutschland durch die Isolation in der NS-, Kriegs- und Nachkriegszeit sowie durch mangelnde Sprachkenntnisse deutscher Wissenschaftler weitgehend unbekannt geblieben. Es gab bis dahin in den meisten Ländern an den Hochschulen keine eigene Ausbildung von Hydrologen. Die meisten Hydrologen in dieser Zeit kamen aus dem Wasserbau oder aus der Geographie. Daher bestand noch bis Mitte der 1960er-Jahre in vielen Ländern die Hauptaufgabe der Hydrologen darin, die Wasserstandsmessstationen (Pegel) entlang der Flussläufe einzurichten und zu unterhalten, Abflussmessungen durchzuführen und auszuwerten, die Wasserstände in Abflüsse umzurechnen und die gemessenen Daten in gewässerkundlichen Jahrbüchern zu veröffentlichen. Hinzu kam, bei Hochwasser mittels einfacher empirischer Verfahren Wasserstandsvorhersagen herauszugeben. In den 1950er-Jahren warteten neue Aufgaben auf die Hydrologen. Daher gewann die Hydrologie ab 1950 zusehends an Bedeutung. Um die Defizite in diesem Wissenschaftsbereich abzubauen, die hydrologischen Kenntnisse weiter zu entwickeln und eine Ausbildung von Hydrologen zu fördern, beschloss die UNESCO für die Jahre die Internationale Hydrologische Dekade (IHD). Diese erwies sich als ein großer Erfolg und trug sehr wesentlich zur eigenständigen Weiterentwicklung der Hydrologie bei. Wegen des Erfolgs dieses Programmes wurde es als Internationales Hydrologisches Programm (IHP) weitergeführt. Das IHP wird in jeweils sechs Jahresabschnitte unterteilt, wobei die Themenschwerpunkte wechseln. Ab 2014 läuft die 8. Phase des IHP. In der zweiten Hälfte der 1960er-Jahre begannen in den beiden deuschen Staaten einige Hochschulinstitute (Braunschweig, Dresden, München), die Bundesanstalt für Gewässerkunde in Koblenz und das Institut für Wasserwirtschaft in Berlin (BfG 1991) mit der Entwicklung und dem Einsatz von mathematischen Modellen. Die Ausbildung von Hydrologen war eine bedeutende Aufgabe der IHD. Bis 1965 gab es an Deutschlands Universitäten keine eigenen Lehrstühle für die Hydrologie. Im Jahr 1967 wurde an der Technischen Universität Dresden ein eigenes Institut für Hydrologie geschaffen. In den anschließenden Jahren wurde die Hydrologie an Lehrstühlen für Wasserbau oder Geographie als Nebenfach angeboten, und erst im Jahr 1988 kam es an der Universität Freiburg zur Einrichtung eines weiteren Institutes für Hydrologie. Heute gibt es Lehrstühle für Hydrologie an den Universitäten Bayreuth, Bochum, Cottbus, Hannover, Kiel, Potsdam und Stuttgart. Weiterhin wird heute Hydrologie an zahlreichen Instituten für Wasserwirtschaft, Wasserbau, Geographie, Geowissenschaften oder Geoökologie gelehrt, wie z. B. in Aachen, Braunschweig, Darmstadt, Karlsruhe, München und Trier. Seite 20

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