I N G E N I E U R H Y D R O L O G I E

Transkript

1 Fachgebiet Geohydraulik und Fachbereich Bauingenieurwesen Vorlesungsskript I N G E N I E U R H Y D R O L O G I E I Prof. Dr. rer. nat. Manfred Koch Sommersemester 2003

2 0. Einleitung: Aufgaben und Ziele der Hydrologie 1. Globale (Erd) Systeme und Kreisläufe 1.1 Konzept eines Systems Bedeutung Arten von System Mathematische Beschreibung 1.2 Kreisläufe von Energie und Materie Energie Kreislauf der Erde Biochemische Kreisläufe Sauerstoff-Kohlenstoff Kreislauf Stickstoff Kreislauf Phosphor Kreislauf Schwefel Kreislauf Anthropogen-induzierte Schadstoff Kreisläufe Hydrologischer (Wasser) Kreislauf Komponenten des Wasser Kreislaufes Wasservorrat der Erde Freies Wasser Geologisch gebundenes Wasser Verweilzeiten des Wassers in Kreislauf Bilanzgleichungen des Kreislaufes Anthropogene Einflüsse 2. Physikalische und chemische Eigenschaften des reinen Wassers 2.1 Das Wassermolekül 2.2 Temperaturabhängige Kenngrößen des Wassers 2.3 Aggregatzustände (Phasen) des Wassers Der Wärmeinhalt des Wassers: Phasenumwandlungen des Wassers Die latente Wärme Phasendiagramme des Wassers Sättigungsdampfdruckkurven Allgemeine Betrachtungen

3 Die Sättigungsdampfdruckkurve des Wassers Implikation für die Verdunstung und Kondensation des Wassers 3. Wasser und Wasserdampf in der Atmosphäre 3.1 Chemische Zusammensetzung der Atmosphäre Box 3.1: Erhöhung des CO 2 -Gehaltes seit Beginn der Industrialisierung 3.2 Druck- und Temperaturänderungen in der Atmosphäre Aufbau der Atmosphäre Barometrische Druckabnahme in der Atmosphäre Adiabatische Temperaturänderungen in der Atmosphäre Grundlagen der Thermodynamik: Der erste Hauptsatz der Wärmelehre Der adiabatische Temperaturgradient Die konvektive (In) Stabilität der trockenen Atmosphäre Adiabatische Abkühlung von trockener und feuchter Luft Box 3.2: Der Föhn als trockenadiabatischer und feuchtadiabatischer Prozess 3.3 Physik der Wolkenbildung und des Niederschlages Dichte von trockener und feuchter Luft Kondensation und Tröpfchenbildung Sinkgeschwindigkeit der Tröpfchen Box 3.3 : Box 3.4: Isotope als Tracer des hydrologischen Zyklus Wie kalt war es in Zürich vor 20'000 Jahren? Isotopenmessungen im Grundwasser des Glattals 4. Der Niederschlag 4.1 Arten der Niederschlagsentstehung Orographische Niederschläge - Stauniederschläge - Steigungsregen Konvektive Niederschläge - Wärmegewitterregen Zyklonale Niederschläge - Frontregen Niederschläge durch nächtliche Abkühlung (Tau, Nebel) 4.2 Ingenieurhydrologische Messungen und Quantifizierung des Niederschlags Kenngrößen des Niederschlags Niederschlagshöhe H Regenintensität R Regendauer T Trockendauer T t Verteilung der Niederschläge über das Jahr

4 4.2.2 Punktmessungen des Niederschlags Allgemeine Betrachtungen Regenmeßgeräte Regenmesser Regenschreiber Regenmesser mit elektronischer Registrierung und/oder Fernübertragung Automatischer Regenmesser mit Wippe Probleme und Meßfehler bei Regenmessungen Flächenmessungen von Niederschlägen Meßtechnische Verfahren Optoelektronische Lasermessungen Das Wetterradar Satelliten-Messungen Regionalisierung von Punkt - Niederschlagsmessungen Der einfach arithmetisch gemittelte Niederschlag Thießen-Polygon-Methode Die isohyeten Methode Statistische Interpolationsmethoden (Kriging) Statistische Aussagekraft von Niederschlagsmessungen 4.3 Globale geographische Verteilung des Niederschlages und Klimazonen der Erde Die globale atmosphärische Zirkulation Klimazonen der Erde 4.4 Zeitliche Variationen von Niederschlägen Saisonal bedingte Variationen Mittelfristige periodische Variationen von globalen und regionalen Niederschlägen El Nin ~ o Effekte Die El Nin ~ o-southern Oscillation (ENSO) Globale und regionale Niederschlags-Anomalien als Folge von ENSO- Ereignissen Langfristige Trends des globalen und regionalen Niederschlages als Folge von anthropogenen Einflüssen Einfluß der Erhöhung des CO 2 -Gehaltes der Atmosphäre auf den globalen Niederschlag Regionale Trends infolge von Entwaldung und Entwässerung

5 5. Die Verdunstung 5.1 Allgemeine Betrachtungen und Definitionen 5.2 Bedeutung der Verdunstung 5.3 Einfluß von meteorologischen Faktoren auf den Grad der Verdunstung 5.4 Berechnung der Evaporation über einer offenen Wasseroberfläche Wasser Budget Methode Energie Budget Methode Bilanzgleichung Berechnung der kurzwelligen Strahlung Berechnung der langwelligen Strahlung Fluiddynamische Betrachtung der Evaporation und der sensiblen Wärme Transfer der latenten Wärme der Evaporation Transfer der sensiblen Wärme Das Bowen-Verhältnis Bilanzgleichung mittels des Bowen-Verhältnisses Massen-Transfer (aerodynamische) Methode Penman Kombinations-Methode Evaporation in Verdunstungskesseln 5.5 Evapotranspiration Transpiration Potentielle Evapotranspiration Energie-Methode nach Priesley und Taylor Temperatur-Methode nach Thornwaite Temperatur-Methode nach Blaney-Criddle Temperatur-Methode nach Turc Dampfdruck-Formel von Haude Kombinationsmethode nach Penman-Monteith Transpirationswiderstand Penman-Monteith Gleichung Aktuelle Evapotranspiration Bestimmung der aktuellen Evapotranspiration über die Bodenfeuchte Lysimeter Messung Budget-Berechnung der aktuellen Evapotranspiration Temperatur-Niederschlags-Formel von Turc 5.6 Zusammenfassende Anhaltswerte für die Verdunstung

6 6. Grundwasser und Aquifere 6.1 Grundwasser als Bestandteil des hydrologischen Kreislaufs 6.2 Hydrologische Aufteilung des Untergrundes Feuchtigkeitszonen Aquifere Definitionen Der Aquifer als Grundwasserressource 6.3 Hydraulik des Grundwassers Hydraulisch bedeutende Gesteins- und Bodenparameter Die Porosität Die hydraulische Durchlässigkeit Das Gesetz von Darcy Experimenteller Befund Allgemeine vektorielle Formulierung des Darcy Gesetztes 7. Der Abfluß 7.1 Allgemeine Betrachtungen und Definitionen 7.2 System-Betrachtung des Niederschlags-Abfluß-Vorganges in Einzugsgebieten 7.3 Analyse der Vorfluter-Ganglinie (Hydrograph) Aufteilung des Hydrographen Die Separation des Hydrographen 7.4 Entstehung und zeitliche Variation des kurzzeitigen oberirdischen Abflusses Die Infiltration Das Horton Konzept der Infiltration und des oberirdischen Abflusses Das Infiltrations-Modell von Green und Ampt Die n-index Methode für die Infiltration Die SCS-Methode für den oberirdischen Abfluß Die SCS-Grundgleichung Die CN-Zahl Die Rational-Methode für den oberirdischen Abfluß 7.5 Hydrometrische Messungen Messung von Wasserständen Messung der Fließgeschwindigkeit Messung des Abflusses

7 Direkte Messung Indirekte Messung 8. Statistische Methoden in der Hydrologie 8.1 Begriffe der Statistik 8.2 Häufigkeiten und Verteilungen Häufigkeitsmaße Relative Häufigkeit und Dichtefunktion Summenhäufigkeit und Verteilungsfunktion Statistische Parameter von Verteilungen Diskrete Verteilungen Kontinuierliche Verteilungen Hydrologisch bedeutende theoretische Verteilungen Normalverteilung (Gauss-Verteilung) Log-Normal Verteilung Exponential Verteilung Gamma Verteilung Extremal-Verteilungen Typ-I Extremal-Verteilung Typ-I Extremal-Verteilung Log-PearsonTyp-III Extremal-Verteilung 8.3 Empirische Wahrscheinlichkeiten für hydrologische Vorhersagen 8.4 Wasserwirtschaftliche Hauptwerte