Elemente des Wasserkreislaufs:

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1 0. Einleitung: Aufgaben und Ziele der Hydrologie Die Hydrologie ist die Lehre von den Eigenschaften, den Erscheinungsformen und dem Kreislauf des Wassers in der sogenannten Hydrosphäre. Die als eine Subdisziplin der allgemeinen Hydrologie soll die Grundlagen für wasserwirtschaftliche und wasserbauliche Planungen schaffen, indem sie das mengenmäßige Auftreten des Wassers (z.b. aus Regen) sowie den zeitlichen Ablauf untersucht. Das Ergebnis hydrologischer Untersuchungen (z.b. Bemessungsabfluß) wird als Belastungsgröße für die Dimensionierung wasserbaulicher Anlagen, bei der Vorhersage von Hochwasserereignissen, oder allgemein bei der Bewirtschaftung von Wasserresourcen verwendet. Beispiele für wasserbauliche Planungen, die hydrologische Voruntersuchungen erfordern: 6 Regenwasserableitung aus Siedlungsgebieten 6 Regenwasserrückhaltung und -behandlung in der Stadtentwässerung 6 Hochwasservorhersage 6 Hochwasserschutz 6 Wasserwirtschaft (Mengenprobleme) 6 Wasserwirtschaft (Güteprobleme) 6 Wasserkraftanlagen 6 Binnenschiffahrt 6 Be- und Entwässerung im landwirtschaftlichen Wasserbau Elemente des Wasserkreislaufs: 6 Niederschlag 6 Versickerung 6 Grundwasserneubildung 6 Verdunstung 6 Abflußbildung 6 Abflüsse aus den natürlichen Wasserspeichern (Boden, Grundwasser) Obwohl die Hydrologie sich überwiegend mit dem Vorkommen des Süßwassers auf der Landoberfläche beschäftigt und sich daher z.t. gegenüber der Ozeanographie (Salzwasser in den Meeren) und der Meteorologie (Wasser in der Atmosphäre) abgrenzt, kann eine vollständige Behandlung dieser Wissenschaft nur interdisziplinär mit diesen beiden anderen Fachgebieten erfolgen. Insbesondere bei Fragen der globalen Hydrologie, die auch bei der Behandlung von mittel- und langfristigen klimatischen Änderungen (Anm.: 100 jähriger Kalender) auftreten, kann die Hydrologie nur unter diesem fachübergreifenden Aspekt betrieben werden. Für die Untergrund-Komponente der Hydrologie ergeben sich weitere Verbindungen mit der Bodenkunde und der Hydrogeologie, die auch die Wechselwirkungen des Wassers mit Bodenund Gesteinsmaterial beinhalten. FG Geohydraulik und Prof. Dr. rer. nat. M. Koch 1.1

2 1. Globale (Erd) Systeme und Kreisläufe 1.1 Konzept eines Systems Bedeutung: Durch die Einführung des Systemkonzeptes kann ein komplexes Erdmodell oder System in kleinere, einfachere Teile zerlegt werden, die einer Beschreibung eher als das ursprüngliche große System zugänglich sind Arten von Systemen: isoliertes System geschlossenes System offenes System Austausch von weder Nur Austausch von Austausch von Materie Materie noch Energie Energie und Energie Abb. 1.1: Die drei Typen von Systemen (Murck et al., 1996) Beispiele für Systeme: Abb. 1.2: Die Erde als geschlossenes System (Murck et al., 1996) FG Geohydraulik und Prof. Dr. rer. nat. M. Koch 1.2

3 Abb. 1.3: Beispiel eines offenen Systems (Murck et al., 1996) 1.4: Aufteilung des Erdsystemes in vier offene Untersysteme (Murck et al., 1996) Abb Mathematische Beschreibung: Durch sogenannte Systemfunktionen oder Übertragungsfunktionen H, die den Eingang eines Systems I mit dem Ausgang O verknüpfen: O = H(I) (1.1) für ein allgemeines nichtlineares System, bzw für ein lineares System (obwohl wünschenswert leider meistens in der Natur nicht der Fall, so daß häufig eine sogenannte Linearisierung durchgeführt wird): FG Geohydraulik und Prof. Dr. rer. nat. M. Koch 1.3

4 O = I (1.2) oder eine systemtheoretische Darstellung Input > H > Output (1.3) Für ein lineares System werden die mathematischen Methoden der Systemtheorie (vornehmlich Laplace und Fourier Transformierte) angewendet. Beispiel: Niederschlags-Abflußsystem in einem Einzugsgebiet Das Niederschlags-Abflußsystem in einem Einzugsgebiet ist das wohl am meisten untersuchte und kleinste System. Der besondere Vorteil liegt in der klaren Definition der Systemgrenzen: Input: Niederschlag Output: Abfluß, gemessen im Vorfluter Übertragungsfunktionen H: Physikalisches, hydrologische und geologische Eigenschaften des Einzugsgebietes Abb. 1.5: Niederschlags-Abflußsystem in einem Einzugsgebiet (Ven te Chow et al., 1988) Bilanz-Gleichung (Kontinuitätsgleichung) eines Systems (Energie oder Materie) I = O + ds/dt (1.4) mit I = Input (Summe aller Zuflüsse) Energie (Materie) - Fluß [J/s bzw. m³/s] O = Output (Summe aller Abflüsse) Energie (Materie) - Fluß [J/s bzw. m³/s] S = Speicherungsvolumen Energie (Materie) [J bzw. m³] Für stationäre Zustände (in der Hydrologie, i.a. langjährige Mittelwerte) ist ds/dt = 0. Obige Gleichung wird für vielfältige Budget-Betrachtungen in der Hydrologie verwendet und FG Geohydraulik und Prof. Dr. rer. nat. M. Koch 1.4

5 kann pro Zeiteinheit (wie angegeben) oder über eine beliebige Zeitdauer integriert angewendet werden (s. Kap ). Wichtig für die korrekte Anwendung dieser Formel ist die angemessene Definition des Systems mit seinen Grenzen, die entweder natürlicher Art oder aber auch gedanklicher Natur sein können. 1.2 Kreisläufe von Energie und Materie Der Energie-Kreislauf der Erde Bedeutung in Hydrologie, Meteorologie und Klimatologie (globale Erwärmung), sowie in der Landwirtschaft und Biologie (Lebensspender ). Erstreckt sich über die Hydrosphäre hinaus. Bilanz-Gleichung der Energie an der Erdoberfläche: Rn = B + H + l ET (1.6) mit: Rn = Nettostrahlung (nach Abzug der von Atmosphäre absorbierten, und von Erdoberfläche reflektierten Strahlung) B = H = Bodenwärmestrom fühlbare Wärme let = latente Verdunstungswärme (aufgebraucht bei der Verdampfung von Wasser) Abb. 1.6: Aufbau der Atmosphäre (Für die Hydrologie von Bedeutung ist eigentlich nur die Troposphäre) FG Geohydraulik und Prof. Dr. rer. nat. M. Koch 1.5

6 Abb. 1.6a: Der globale Energie Kreislauf der Erde (Dyck und Peschke, 1995, oben) Abb. 1.6b: Der globale Energie Kreislauf der Erde (NASA) FG Geohydraulik und Prof. Dr. rer. nat. M. Koch 1.6

7 Box 1.1: Der Treibhauseffekt (Quelle: FG Geohydraulik und Prof. Dr. rer. nat. M. Koch 1.7

8 Biochemische Kreisläufe Der Sauerstoff-Kohlenstoff-Kreislauf Bedeutung für die Photosynthese und die Respiration: wobei 6 H 2 O + 6 CO 2 + Sonnenenergie <====> C 6 H 12 O O 2 ====> Photosynthese (Aufbau von organischen Kohlenstoffverbindungen und Sauersstoffbildung, Verbrauch von Sonnenenergie) <====> Respiration (Als Energiespender in den Zellen, bzw beim Verbrennen, Freiwerden der Energie, Erhöhung des CO 2 in der Atmosphäre) Abb. 1.7: Der Kohlenstoffkreislauf (in Gt/a) (DKRZ) Der CO 2 -Haushalt neben seinen biologischen Aspekten von Bedeutung für das Klima der Erde (Global Change). Der antropogene Beitrag in den 80er Jahren beträgt auf der Quellen-Seite (+) Gesamt + Senken Seite (-) 5,5 Gt/a : fossile Verbrennung von Öl Kohle und Gas 1,6 Gt/a : Abholzung von Wäldern ,1 Gt/a 2 Gt/a : Aufname durch Ozeane (die große Unbekannte) FG Geohydraulik und Prof. Dr. rer. nat. M. Koch 1.8

9 0,5 Gt/a : Aufforsten von Wäldern (Nodrhalbkugel) 1,3 Gt/a: Erhöhte Planzendügung Gesamt - 3,8 Gt/a ===> Nettoeintrag in das Atmosphären+ Ozean system: 3,3 Gt/a (Treibhauseffekt) ( Kap. ) Der Stickstoff-Kreislauf Stickstoff ist ein bedeutendes Element in den Aminosäuren, dem Grundbaustein der biologischen Zelle, und daher essentiell für das Leben. Abb. 1.8a: Der Stickstoff-Kreislauf (Dyck und Peschke, 1995) Abb. 1.8b: Der Stickstoff-Kreislauf FG Geohydraulik und Prof. Dr. rer. nat. M. Koch 1.9

10 Der Phosphor-Kreislauf Phosphor ist ebenfalls ein bedeutendes Aufbau-Element in der biologischen Zelle, und als Enzym unabdingbar für die Photosynthese. Nur anorganisches Phosphat (Orthophosphat) kann von der Pflanze aufgenommen werden. Abb. 1.9: Der Phosphor-Kreislauf Der Schwefel-Kreislauf Der natürliche biogene Schwefel wird vorwiegend bei der anaeroben (ohne Sauerstoff) Bildung von H 2 S und bei der aeroben (mit Sauerstoff) Bildung von Sulfaten frei. Ein großer Teil des Schwefels wird auch freigesetzt bei Vulkanexplosionen. Darüber hinaus werden beträchtliche Mengen durch anthropogene (s. f. Kap.) Verbrennung von fossilen Brennstoffen emittiert Anthropogen-induzierte Schadstoff-Kreisläufe Anthropogen-induzierte Schadstoffe werden zum Teil in die oben genannten Kreisläufe des Sauerstoff-Kohlenstoffs, Stickstoff, Phosphors und Schwefels eingebunden. Dadurch kann es zu Störungen des natürlichen biologischen und biochemischen Gleichgewichtes mit negativen Auswirkungen kommen. Beispiele: Biologische Abwässer (erhöhter BOD [biologischer Sauerstoff Bedarf] und COD [chemischer Sauerstoff Bedarf]) Nitratbelastung von Gewässern vorwiegen in landwirtschaftlich genutzten Gebieten Eutrophierung von Seen und Oberflächenwässern durch Phosphate (übermäßiges Algenwachstum Schwefeldioxid-Emissionen (saurer Regen) Darüber hinaus Belastung durch FG Geohydraulik und Prof. Dr. rer. nat. M. Koch 1.10

11 Schwermetalle (Nicht abbaubar und daher toxische Anreicherungseffekte) Mineralöle (BTX-Komposition) Chlorierte Kohlenwasserstoffe (CKW) (Lösungsmittel) Pestizide (Herbizide und Insektizide) Die folgende Abbildung zeigt die verschiedenen chemischen und physikalischen Prozesse die bei der Ausbreitung von Schadstoffen in einem Fließgewässer eine Rolle spielen. Abb. 1.10: Chemische und physikalischen Prozesse die bei der Ausbreitung von Schadstoffen in einem Fließgewässer eine Rolle spielen. FG Geohydraulik und Prof. Dr. rer. nat. M. Koch 1.11

12 1.2.4 Der hydrologische (Wasser) Kreislauf Komponenten des Wasser Kreislaufes Abb. 1.12: Schematische Darstellung des Wasserkreislaufes mit seinen Komponenten (Mattheß und Ubell, 1983, Watson and Burnett, 1995 ) FG Geohydraulik und Prof. Dr. rer. nat. M. Koch 1.12

13 Abb. 1.13: Der Wasserkreislauf Fig. 1.14: Jährliche Wasserflüsse durch den hydrologischen Kreislauf F i g Wasserhaushalt der E r d e f ü r e i n m i t t l e r e s J a h r (modelliert (rot) und b e o b a c h t e t (schwarz)) FG Geohydraulik und Prof. Dr. rer. nat. M. Koch 1.13

14 Der Wasservorrat der Erde Freies Wasser Tab. 1.1: Verteilung des Wasservorrates auf der Erde (Dyck und Peschke, 1995) Geologisch gebundenes Wasser Neben den in der Hydrosphäre freien Wasser (Tab.1.1) ist ein Großteil chemisch gebunden in Mineralien, die bei der chemischen Verwitterung entstehen, z.b. bei der Hydrolyse von Feldspat zu Tonen: 2 KALSI 3 O H 2 O + 2 H > Al 2 Si 2 O 5 (OH) H 4 SiO K + Ein Teil von diesem Wasser wird wieder frei bei der Entgasung von Magmen, wobei die Bindungsrate durch Verwitterung etwa gleich der Entgasungsrate ist. Geringe Mengen von Wasser werden auch durch Sedimentationsprozesse und nachfolgende Kompaktierung freigesetzt Verweilzeiten des Wassers im Kreislauf Die Verweilzeit (residence time) t R [year] des Wassers in einem einzelnen Reservoir des hydrologischen Kreislaufes ist die Zeit, bis dieses Reservoir mit dem Speicherungsvermögen S [m 3 ] voll- oder ausgelaufen ist bei einer Zu- oder Abflußrate Q [m 3 /year]: t R = S/Q (1.8) Da die Größen Sund Q in der Praxis nicht genau bekannt, und nur Abschätzungen unterliegen, kann t R auch nur als Anhangspunkt dienen. t R variiert zwischen etwa 10 Tagen für die FG Geohydraulik und Prof. Dr. rer. nat. M. Koch 1.14

15 Atmosphäre und Jahre für Ozeane. Tab. 1.3: Verweilzeiten des Wassers im Kreislauf (Mattheß und Ubell, 1983) Erscheinungsform Verweilzeit (Jahre) Ozeane Gletscher Grundwasser (Bis 4000 m Tiefe) 5000 Süßwasserseen 100 Bodenfeuchte 1 Wasserläufe 1 Atmosphärisches Wasser 0,05-0, Bilanzgleichungen des Kreislaufes Die fundamentale Bilanzgleichung des Kreislaufes ist ein Spezialfall der Gleichung (1.4) und lautet mit den Komponenten der Abb und 1.12: mit: P = ET + R + ) S (1.9) P = Niederschlag [m 3 ] ET = Verdunstung [m 3 ] R = Gebietsabfluß (sowohl ober- als auch unterirdisch) [m 3 ] )S = Änderung des Wasservorrates [m 3 ] Über längere Zeiträume die sich über ein oder mehrere Jahre erstrecken werden saisonale Variationen von P, ET und R heraus gemittelt und man kann davon ausgehen, daß )S =0 (s. Tab. 1.2). Gl. 1.9 ist in der zeit-integrierten Form geschrieben. Durch Teilung der angegebenen Größeneinheiten durch die Fläche des betrachtenden Bilanzgebietes A ergeben sich alle Wert als Höhen [m] (s. Übungen). Mittels Gl. 1.9 kann man die messtechnisch schwer zu erfassende Verdunstung ET berechnen: ET = P - R (1.10) Die Grundgleichung (1.9) kann weiter verfeinert werden: wobei nun P = ET + R s + I + )S (1.11) R s = der oberflächliche Abfluß [m 3 ] FG Geohydraulik und Prof. Dr. rer. nat. M. Koch 1.15

16 I = die Infiltration [m 3 ] Weitere Bilanzgleichungen lassen sich für andere Untersysteme (z.b. Grundwasser) aufstellen, sobald die Grenzen und die möglichen Ein- und Ausflüsse in das Gebiet definiert sind. Insbesondere lassen sich mit einer solchen Bilanzierung auch Grundwasserneubildungsraten bestimmen. Übung 1.1: Wasserbilanz für einen See Ein See hat eine Fläche von 300 Hektar und einen Zufluß von 1 m³/s sowie einen Abfluß von 0,8 m³/s. während eines Monats wird eine Speicherungsreduktion von 5 m gemessen. Mit einem Regenmesser wurden während dieser Zeit 4 cm Niederschlag gemessen. Berechnen Sie die Verdunstungsverluste des Sees unter der Annahme, daß die Infiltration vernachlässigt werden kann. Lösung: mit: Q dt + dt = Q dt + dt + ds (hier integriert über einen Monat) Q in P Q out ET S = Zufluß = Niederschlag = Abfluß =Verdunstung = Speicherung Y ET = Q in + P - Q out -ds mit Zahlenwerten: A see = 300 ha = 10 6 m² Q in = 1 m³/s = 10 6 m³/mon. Q out = 0,8 m³/s = 10 6 m³/mon. ds = 5 m = 10 4 m³/mon. P = 4 cm = 10 4 m³/mon. ET = 10 6 m³/mon m³/mon m³/mon m³/mon.)/ 10 6 m² ET = 22,95 cm Übung 1.2: Wasserbilanzierung für ein Reservoir In einem Einzugsgebiet von 500 km 2 Fläche wird der durchschnittliche jährliche Niederschlag auf 90 cm und der Oberflächenabfluß auf 33 cm geschätzt. Es soll ein Reservoir mit einer Fläche von 1700 Hektar geplant werden, das das Wasser für eine Gemeinde zur Verfügung stellen soll. Die jährlich Verdunstung im Reservoir wird auf 130 cm geschätzt. Berechnen Sie die jährliche Abflußmenge, die für die Gemeinde entnommen werden kann. FG Geohydraulik und Prof. Dr. rer. nat. M. Koch 1.16

17 Lösung: Q dt + dt = Q dt + dt + dt + ds (hier integriert über ein Jahr) mit Q in P Q out ET S R = Zufluß = Niederschlag = Abfluß =Verdunstung = Speicherung = Oberflächenabfluß Y Q out = Q in + P - ET - R - ds mit Zahlenwerten: A EZG = 500 km² = 10 6 m P = 90 cm/a = 10 6 m³/a R = 33 cm/a = 10 6 m³/a A res = 1700 ha = 10 6 m² ET = 130 cm/a = 10 6 m³/a Q in = 0, ds = 0 Y Q out = 10 6 m³/a m³/a m³/a Q out = 10 6 m³/a Übung 1.3: Wasserbilanz für ein Reservoir In einem 500 Hektar großen Reservoir fiel der Wasserspiegel während eines Monates um 50 cm, trotz Wasserzuflusses von m 3 /d. Die Infiltrationsverluste, der Niederschlag und die Verdunstung während dieser Zeit werden auf 2 cm, 10,5 cm und 8,5 cm geschätzt. Wie groß war die Abflußmenge während dieses Monats? Lösung: Q dt + dt = Q dt + dt + dt + ds (hier integriert über einen Monat) mit Q in P Q out ET = Zufluß = Niederschlag = Abfluß =Verdunstung FG Geohydraulik und Prof. Dr. rer. nat. M. Koch 1.17

18 I = Infiltration S = Speicherung Y Q out = Q in + P - I - ET - ds mit Zahlenwerten: A see = 500 ha = 10 6 m² Q in = m³/d = 10 6 m³/mon. I = 2 cm/mon. = 10 5 m³/mon. P = 10,5 cm/mon. = 10 5 m³/mon. ET = 8,5 cm/mon. = 10 5 m³/mon. ds = 50 cm/mon. = 10 6 m³/mon. Q out = 10 6 m³/mon m³/mon m³/mon m³/mon m³/mon. Q out = 10 6 m³/mon. = m³/d Anthropogene Einflüsse auf den Wasser-Kreislauf Anthropogene Einflüsse des Wasser-Kreislaufes entstehen durch: * Erhöhung von Niederschlägen durch "Impfen" von Wolken * Verminderung der Verdunstung durch Aufbringen von Fluidfilmen auf Seen * Urbanisierung (Verringerung der Versickerung) (===>Erhöhung des Abflusses) * Grundwasserentnahme durch Wasserwerke oder bei Baumaßnahmen * Landwirtschaftliche Bewässerung und Beregnung * Unterbindung von Salzwasserintrusion durch Grundwasseranreicherung * Grundwasseranreicherung durch Uferfiltration von Flußwasser * Allgemeine wasserbauliche Maßnahmen FG Geohydraulik und Prof. Dr. rer. nat. M. Koch 1.18

19 Der Wasserkreislauf der BRD FG Geohydraulik und Prof. Dr. rer. nat. M. Koch 1.19

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22 Wasserförderung in West-Deutschland [Mio m 3 /a] Gesamt Grundwasser 2589 Quellwasser 385 Uferfiltrat 268 angereichertes GW 477 Flußwasser 24 Seewasser 139 Talsperrenwasser % Angaben 1979 ohne Kühlwasser Wasserkreislauf Niederschlag Grundwasserabfluß Verdunstung oberflächiger Abfluß 837 mm/a 259 mm/a 501 mm/a 77 mm/a Box 1.1: The International Geosphere-Biosphere Programme (IGBP) Das IGBP ist ein internantionales interdisziplionäres Forschungsprogram und Einbeziehung von Hydrologen, Meteorologen, Geographen, Ozeanographen, das sich mit den biogeochemischen Prozessen innnerhalb der Hydrosphere und insbesondere des globalen Wasserkreislaufes befaßt. Ein größeres Unterprogram ist das BAHC ( Biospheric Aspects of the Hydrological Cycle), welches die die Frage behandelt, wie die Vegetation mit den physikalischen Prozessen des hydrologischen Kreislaufs interagiert. Die Hauptaufgabe besteht darin, mit Hilfe von Messungen und Modellen das Verständnis von Wasser- und Energieflüssen im System Boden - Vegetation - Atmosphäre zu verbessern. Dazu sind geeignete Datenbanken zu entwickeln, mit deren Hilfe die Wechselwirkungen beschrieben und entsprechende Modelle getestet und validiert werden können. Im Vordergrund der Untersuchungen stehen Veränderungen der Biosphäre und Rückwirkungen auf Klima und Wasserressourcen, ausgehend von Änderungen der Landnutzung und einer veränderten Zusammensetzung der Atmosphäre. Ein Beispiel für solche integrierenden, interdisziplinären Fragestellungen ist das LBA Experiment (Large Scale Biosphere-Atmosphere Experiment in Amazonia), an dessen Entwicklung und Durchführung BAHC massgeblich beteiligt ist. (s. auch am Potsdam Institut für Klimaforschung) FG Geohydraulik und Prof. Dr. rer. nat. M. Koch 1.22