Hydrologie und Wasserwirtschaft

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1 Ulrich Maniak Hydrologie und Wasserwirtschaft Eine Einführung für Ingenieure 5., bearbeitete und erweiterte Auflage mit 235 Abbildungen fyj Springer

2 Inhaltsverzeichnis 1 Einführung in die Hydrologie und Wasserwirtschaft Begriffe der Hydrologie Wasserkreislauf und Wasserbilanz Aufgaben der Wasserwirtschaft Beispiele für die Wasserbewirtschaftung Wasserwirtschaft im Ruhreinzugsgebiet Hochwasserschutz durch Hochwasserrückhaltebecken Überleitung von Wasser mit einem Schifffahrtskanal Wasserkraftnutzung eines Flusses 13 Der Wasserhaushalt und Beobachtung einzelner Komponenten Niederschlag Erscheinungsformen Niederschlagsmessung Verdunstung Begriffe Meßverfahren Berechnung der Verdunstung aus meteorologischen Beobachtungen Energiebilanzverfahren Anwendung des Strahlungskonzeptes Anwendung des aerodynamischen Konzepts Kombinierte Methode von aerodynamischem Konzept und Energiebilanz Abfluss Wasserstand Direkte Abflussmessung mit Meßwehren und Meßgerinnen Ermittlung des Abflusses über Fließgeschwindigkeit und Durchflussfläche Aufstellung und Kontrolle der Abflusskurven Beobachtungsnetze

3 XII Inhaltsverzeichnis 3 Aufbereitung und erste Auswertung der hydrologischen 77 Beobachtungen 3.1 Datenarten und Datenbanken Erste Auswertung von Wasserstands-und Abflussdaten Mittel-und Hauptwerte Gang-und Summenlinie Dauerlinien Erste Auswertung von Niederschlagsbeobachtungen Auswertung punktförmiger Messungen Methoden zur Ermittlung von Gebietsniederschlägen Überprüfung der Homogenität Anpassung von Verteilungsfunktionen an hydrologische Daten 105 zur Ermittlung von Bemessungswerten 4.1 Grundlegende Konzepte für hydrologische Zufallsvariablen Hydrologische Zufallsvariable und Wahrscheinlichkeit Statistische Eigenschaften der Zufallsvariablen Kenngrößen für das zentrale Verhalten Kenngrößen für die Streuung Kenngrößen für die Symmetrie Weitere Kenngrößen bei vereinigten Zufallsvariablen Diskrete Verteilungsfunktionen und Risiko Normalverteilung und logarithmische Normalverteilung Empirische Wahrscheinlichkeiten Ermittlung von Hochwasser bestimmter Häufigkeit Typen und Merkmale von Hochwasser Jährliche und partielle Serien Verteilungsfunktionen für Hochwasser Anpassung von Verteilungsfunktionen an Hochwasserdaten Pearson-Typ-III-Verteilung und Standardverfahren zur 136 Berechnung von Hochwasserhäufigkeiten Extremwert-Typ-I-Verteilung Anpassungstests für Verteilungsfunktionen Chi-Quadrat-Test Kolmogorov-Smirnov-Test(K-S-Test) Konfidenzintervalle für Verteilungsfunktionen Ausreißertest für Extremwerte Abschätzung regional gültiger Hochwasserscheitelabflüsse 159 auf statistischer Grundlage 4.3 Niedrigwasser Entstehungsursachen und kennzeichnende Größen Datenkollektive für Niedrigwasseranalysen Anpassung von Verteilungsfunktionen an Niedrigwassermerkmale 170

4 Inhaltsverzeichnis XIII Einseitig begrenzte Verteilungsfunktionen und freie Anpassung Extremwert-Typ-III- Verteilung Vergleich von Verteilungen bei Niedrigwasseruntersuchungen Zweidimensionale Wahrscheinlichkeitsuntersuchungen Maßgebliche Trockenperioden für die Speicherwirtschaft Abhängigkeiten von Zufallsvariablen in Zeitreihenmodelle Anwendung von Regressionen Mathematische Grundlagen und einfache lineare Regression Lineare Mehrfachregression Nichtlineare Regressionen Konfidenzintervalle von Regressionen Anwendung der Korrelationensrechnungen Korrelationskoeffizienten und ihre Bewertung Scheinkorrelationen Autokorrelation und Kreuzkorrelation Einführung in die Zeitreihenanalyse und einfache 230 stochastische Zeitreihenmodelle Überblick über mathematische Modelle und Zeitreihenanalyse Weitere Techniken der Zeitreihenanalyse Selbsterklärende Zeitreihenmodelle Autoregressionsmodell zur Simulation monatlicher Abflüsse Niederschlag-Abfluss-Modelle für Hochwasserabläufe Systemanalytische Behandlung von Abflussprozessen Modellkonzepte für Niederschlag-Abflussprozesse Grundlagen für lineare zeitinvariante Modelle Lineare Speicher Lineare Speicherkaskaden (Serienspeicher) Niederschlag-Abfluss-Modelle für Hochwasserwellen aus 270 Einzugsgebieten Datenumfang für Niederschlag-Abflussanalysen Gebietsniederschläge von Hochwasserereignissen Abflusswirksamer Niederschlag (Abflussbildung) Ansätze für Interzeption und Muldenrückhalt Grundlagen und Zusammenhänge der Infiltrationsansätze Verlustraten-und Abflussbeiwertansätze bei einfachen 286 Abflussmodellen Koaxiale graphische Darstellung zur Vorhersage des 289 Gesamtabflussbeiwerts Ermittlung des Gesamtabflussbeiwerts aus Gebietsgrößen Ermittlung der Übertragungsfunktion 298

5 XIV Inhaltsverzeichnis Einheitsganglinienverfahren Translationsmodelle und charakteristische Fließzeiten Kombinierte Translations- und Speichermodelle Ablauf von Hochwasserwellen in Gewässern Grundlagen der hydraulischen Verfahren Überblick über hydrologische Verfahren Hochwasserwellen in Speichern Iterationslösung Verfahren nach Puls Hochwasserwellen in Flussabschnitten Muskingumverfahren Kalinin-Miljukov-Verfahren Flussgebietsmodelle Bemessungsverfahren und Betriebspläne von Talsperren 349 und Hochwasserrückhaltebecken 7.1 Begriffe der Speicherwirtschaft Aufgaben und Speicherarten Einteilung des Speicherraums und Speicherkenngrößen Nutzräume von Talsperren Wasserwirtschaftsplan auf der Grundlage der Summenlinie Summendifferenzenlinie und Speicherwirkungslinie Bemessungsverfahren auf der Grundlage von Simulationen Bemessungsverfahren auf wahrscheinlichkeitstheoretischer 371 Grundlage von Zuflüssen und Speicherfüllungen Grundzüge des Betriebsplans für den Nutzraum Bemessung und Betrieb von Hochwasserrückhalteräumen Bemessungsgrundlagen für den Hochwasserrückhalteraum Betriebspläne für Hochwasserrückhaltebecken Auslegung von Hochwasserentlastungsanlagen Freibord und Freiraum Verfahren auf stochastischer Grundlage Wärmebelastung von Gewässern Wärmehaushalt von Gewässern Wärmequellen und-senken Nutzung der Gewässer für Kühlzwecke Wärmeableitung in Kraftwerken und zulässige 419 Gewässerbeanspruchung Berechnung des Temperaturverlaufs in einem Gewässer Wärmelastplan 432

6 Inhaltsverzeichnis XV 9 Schnee und Eis Schneeverhältnisse und Schneebeobachtungen Physikalische Grundlagen des Schneeschmelzprozesses Ermittlung des Abflusses aus Schneeschmelze Eisbildung in Gewässern Beispiele für die Eisverhältnisse und ihre Auswirkungen Feststoffe Begriffe und Abgrenzung von Schwebstoff und Geschiebe Schwebstofffrachten von Flüssen Geschiebefracht in Flüssen Feststofftransport aus Einzugsgebieten Feststoffe in Speichern Rückhaltewirkung von Speichern Abschätzung der Abnahme des Speicherinhalts Gewässergüte stehender und fließender Gewässer und Gewässerschutz ii.: J.1.4 Stehende Gewässer 507 Einige Unterschiede von natürlichen Seen, Fließgewässern und Talsperren 507 Physikalische Eigenschaften von stehenden Gewässern 510 Lichtverhältnisse und Kompensationsebene 510 Jahreszeitliche Temperatur, Schichtungen und Zirkulationen. Produktionsbestimmende Faktoren und Stoffkreisläufe 521 Lebensräume in Seen und Stoffhaushalt 521 Sauerstoffhaushalt 533 Stickstoffkreislauf 537 Phosphorkreislauf 539 Eutrophierung stehender Gewässer 549 Nährstoffquellen der Stickstoff- und Phosphorverbindungen 549 Trophiegrad und Nutzung von Seen 554 Mathematische Modelle für die Wassergüte 561 Statistische Eutrophierungsmodelle 569 Rehabilitation eutropher Stillgewässer 580 Fließende Gewässer 583 Abbauvorgänge und Sauerstoffhaushalt 583 Biologische Selbstreinigung 583 Größen des Sauerstoffhaushalts und Erscheinungsformen 585 Ein- und zweiparametrige Modelle für den Sauerstoffhaushalt 590 Erweitertes Modell für den Sauerstoffgehalt 600

7 XVI Inhaltsverzeichnis Transport-und Transformationsprozesse Mehrparametrige Gütemodelle zur Beschreibung von Transport- und Transformationsprozessen in Flüssen Dispersion und advektiver Transport bei Transportprozessen in Flüssen Bewertung der Gewässergüte Bioindikatoren und Bewertung der organischen Belastung - Saprobiensystem Bewertung anhand der Fischfauna und der Wasserpflanzen 623 Literaturverzeichnis 629 Sachverzeichnis 661