Themen der Übung im Sommersemester 2007

Größe: px

Ab Seite anzeigen:

Download "Themen der Übung im Sommersemester 2007"

Dominic Wolf
vor 6 Jahren
Abrufe

Themen der Übung im Sommersemester 2007 1. Auswertung von Niederschlagsmessungen, Abflusskurve 2. Verfahren zur Ermittlung der Verdunstung 3. Aufstellen und Berechnen von Wasserbilanzen 4.

1 Themen der Übung im Sommersemester Auswertung von Niederschlagsmessungen, Abflusskurve 2. Verfahren zur Ermittlung der Verdunstung 3. Aufstellen und Berechnen von Wasserbilanzen 4. Einführung zur Extremwertstatistik für Hochwässer 5. Verfahren zur Beschreibung der Abflussbildung 6. Verfahren zur Beschreibung der Abflusskonzentration, Teil 1 7. Verfahren zur Beschreibung der Abflusskonzentration, Teil 2 Literatur: Dyck & Peschke (1995): Grundlagen der Hydrologie; Verl. f. Bauwesen Maidment (ed.) (1992): Handbook of Hydrology; McGraw-Hill Dingman (2002): Physical Hydrology; Prentice Hall

2 Grundbegriffe 1 Verdunstung: Übergang von Wasser in den gasförmigen Zustand bei Temperaturen unter dem Siedepunkt Gebietsverdunstung (z.b. eines Einzugsgebiets): Evapotranspiration Evaporation Verdunstung von unbewachsener Bodenoberfläche, freier Wasserfläche und des auf Pflanzenoberflächen zurückgehaltenen Wassers (Interzeption) Evapotranspiration Transpiration Physiologisch regulierte Abgabe von Wasserdampf durch die oberirdischen Pflanzenorgane (Stomata, Kutikula) --> durch die Pflanze transportiertes Bodenwasser

3 Verdunstung als Prozess des Wasser- und Energiehaushalts Wasserhaushalt Energiehaushalt P = ET + R + S Abfluss R Niederschlag P Evapotranspiration Bodenwasservorratsänderung S ET ET Zusammensetzung der Nettostrahlung R n R n = ET + H + B fühlbare Wärme H Nettostrahlung R n Bodenwärmestrom B (nach Dyck/Peschke, 1995) (Synonym: Strahlungsbilanz) R n = (1-µ)*R G + (R Ge - R A ) R G : Globalstrahlung (direkte + diffuse kurzwellige Einstrahlung) kurzwellige Bilanz langwellige Bilanz µ: Albedo R Ge : Langwellige Gegenstrahlung der Atmosphäre R A : Langwellige Abstrahlung der Erdoberfläche

4 Verdunstung als Prozess des Wasser- und Energiehaushalts Aufgabe: Berechnung des Energiebedarfs für die Verdunstung von 2 mm/d gegeben: Gl. 1: ET = ET * L * ρ ET ET L ρ gesucht: Verdunstungswärmestrom [Energie / Fläche / Zeit] Verdunstungshöhe [Volumen / Fläche / Zeit] spez. Verdunstungswärme von H 2 O [Energie / Masse] Dichte von H 2 O [Masse / Volumen] Gl. 2: L = * T mit T in [ C] und L in [kj kg -1 ] ET in den Einheiten [MJ m -2 d -1 ] und [W m -2 ] bei einer Temperatur von 4 C und 28 C Dichte von H 2 O T [ C] Rho [g/l]

5 Wichtige Einflussfaktoren im Verdunstungsprozess Verfügbare Energie --> Überwindung der Verdunstungswärme des Wassers Sättigungsdefizit der Atmosphäre über verdunstender Fläche --> z.b. ausgedrückt über die relative Luftfeuchte Abtransport des Wasserdampfs durch Wind oder Konvektion --> Aufrechterhaltung des Potentialgradienten Boden-Atmosphäre Wasserdargebot am Standort --> z.b. abhängig von Boden, GW-Flurabstand Eigenschaften der Vegetation --> z.b. Blattflächenindex, Saisonalität, Oberflächen-Rauhigkeit

Zwei Standard-Definitionen für ETP: Reale Verdunstung ETR Verdunstung unter gegebenen meteorolog.

6 Grundbegriffe 2 Potentielle Verdunstung ETP Verdunstung unter gegebenen meteorolog. Bedingungen bei unbegrenztem Wasserdargebot ETP ist reine Rechengröße! Zwei Standard-Definitionen für ETP: Reale Verdunstung ETR Verdunstung unter gegebenen meteorolog. Bedingungen beim gegebenen (i.d.r. begrenzten) Wasserdargebot Verdunstung v. ausgedehnter Wasserfläche ETP 0 Verdunstung von Standardrasen ohne Wassermangel ( Bezugswert der Pflanzenverdunstung ETP B, engl: Reference Crop Evaporation ETP rc )

7 Messung der Verdunstung: Verdunstungskessel Kesselverdunstung liefert Schätzwert der potentiellen Verdunstung, da unbegrenztes Wasserangebot, aber nicht direkt ETP 0 oder ETP B! Dynamik von ETP erfassbar Schätzung von ETP 0 und ETP B aus Kesselverdunstung über empirische Korrekturfaktoren Bilanzgleichung zur Berechnung der Evaporation E K des Kessels: E K = P S Verdunstungskessel class A pan (P: Niederschlag, S: Speicheränderung) Schätzung von ETP 0 oder ETP B aus E K : ETP? = E K * k (k: empirischer Faktor) Korrektur von Erwärmung des Kessels, Windwirkung, Oaseneffekt etc. Es existieren empirische Faktoren zur weiteren Umrechnung von ETP B für diverse Kulturpflanzenbestände

Messung der Verdunstung: Verdunstungskessel Aufgabe: Schätzen von ETP B aus Kessel-Verdunstung gegeben: Beobachtete Verlustmenge aus Class A pan: 32 Liter binnen 1 Woche mittlere rel.

8 Messung der Verdunstung: Verdunstungskessel Aufgabe: Schätzen von ETP B aus Kessel-Verdunstung gegeben: Beobachtete Verlustmenge aus Class A pan: 32 Liter binnen 1 Woche mittlere rel. Luftfeuchte im Beobachtungszeitraum: 62 %, kein Wind, kein Regen Standort: große, gemähte Wiese ETP B = E k * k E k : Kessel-Verdunstung, k: Kessel-Koeffizient gesucht: ETP B in [mm d -1 ] d = 1.21 m Verdunstungskessel class A pan Faktor k zur Umrechnung der class A pan Verdunstung in Reference crop evaporation (aus Maidment, 1992) Wind [m/s] < >8 Länge v. Messwiese gegen Windrichtung [m] rel. Luftfeuchte < 40% 0,55 0,65 0,7 0,5 0,6 0,65 0,45 0,55 0,6 0,4 0,45 0,5 rel. Luftfeuchte 40%- 70% 0,65 0,75 0,8 0,6 0,7 0,75 0,5 0,6 0,65 0,45 0,55 0,6 rel. Luftfeuchte > 70% 0,75 0,85 0,85 0,65 0,75 0,8 0,6 0,65 0,7 0,5 0,6 0,65

Bodenfeuchtemessung oder wägbarem Lysimeter Bei Betrachtung langer Zeiträume (viele Jahre) darf S vernachlässigt werden

9 Messung der Verdunstung: Lysimeter Bestimmung der realen Verdunstung ETR als Restglied der Wasserbilanz der Bodensäule: ETR= P R S mit P: Niederschlag, S: Speicheränderung, R: Sickerwasserabfluss Bestimmung von S mittels Bodenfeuchtemessung oder wägbarem Lysimeter Bei Betrachtung langer Zeiträume (viele Jahre) darf S vernachlässigt werden Bei geneigten Standorten bereitet lateraler Abfluss Probleme DWD Lysimeter mit meteorolog. Messgeräten DWD Wage und Sickerwasser-Auffang

10 Messung der Verdunstung: Lysimeter Aufgabe: Berechnung von ETR aus Daten eines wägbaren Lysimeters gegeben: Oberfläche des Lysimeters: 4 m 2 Lysimetermasse zu Beginn und Ende der Messperiode: kg, kg Niederschlag während der Messperiode: 83 mm gemessene Sickerwassermenge: Liter gemessener Oberflächenabfluss: 0.0 Liter gesucht: Tatsächliche Verdunstung ETR des Standorts während der Messperiode in [mm] Waage

11 Berechnung der potentiellen Verdunstung: Übersicht Ziel: Berechnung von ETP B aus meteorologischen Standard-Messgrößen Es existieren viele Verfahren, die untersch. Einflussgrößen berücksichtigen Verfahren Penman- Monteith Penman Priestley- Taylor Turc Haude Dalton berücksichtigte Einflussgrößen Nettostrahlung, Luftfeuchte, Temperatur, Windgeschwindigkeit, Bestandesparameter (Widerstände) Nettostrahlung, Luftfeuchte, Temperatur, Windgeschwindigkeit Nettostrahlung, Temperatur Globalstrahlung, Luftfeuchte, Temperatur (explizit) Luftfeuchte Windgeschwindigkeit, Luftfeuchte Empirische Formeln liefern z.t. stark unterschiedliche Werte für ETP B Bei Berechnung zeitlich hoch aufgelöster Verdunstungsraten nimmt die Güte der Schätzung mit der Anzahl berücksichtigter Einflussgrößen zu Anwendungsbeschränkungen bzgl. Standortbedingungen zu beachten; Zeitliche Auflösung der Ergebnisse berücksichtigen (ggf. aggregieren)

12 Berechnung der potentiellen Verdunstung (ETP B ): HAUDE-Formel ETP B = f * (E e) 14 gegeben: Zeit Haude-Faktoren [mm hpa -1 d -1 ] aus Dyck/Peschke (1995) f Jan 0, Werte der Station Campus Golm Lufttemp. [ C] Feb 0,22 Mrz 0,22 Apr 0,29 f: Haude-Faktor [mm hpa -1 d -1 ] e, E 14 : akt. Dampfdruck (e) und Sättigungsdampfdruck (E) der Luft um 14 in [hpa] rel. Luftfeuchte [%] Mai 0,29 Jun 0,28 Jul Definiton der relat. Luftfeuchte U [%] 0,26 Magnus-Formel für den Sättigungsdampfdruck E [hpa] über Wasser als Funktion der Lufttemperatur T [ C] : E(T ) U = Aug 0,25 = 6. 11* 10 e * 100 E Sep 0,23 Okt 0, * T T Nov 0,22 Dez 0,22 gesucht: Verdunstungssumme für die Messwoche in [mm]

13 Berechnung der potentiellen Verdunstung (ETP B ): TURC-Formel ETP B = * C * (R G + 24) * (T / (T+15)) mit C = 1 + (50 U) / 70 bei U < 50% bzw. C = 1 bei U 50% gegeben: Tagesmittelwerte der Station Campus Golm Zeit Lufttemp. [ C] 21,4 23,2 25,8 26,7 24,8 20,5 22,0 Globalstr. [W /m²] 343,6 327,8 290,2 304,2 278,1 321,0 317,7 gesucht: Verdunstungssumme für die Messwoche in [mm] R G : Globalstrahlung [W / m²] T: Lufttemperatur [ C] U: rel. Luftfeuchte [%] Formel gilt nur für T > 5 C, ETP B wird in [mm d -1 ] berechnet rel. Luftfeuchte [%] 56,4 51,6 44,7 41,7 59,7 65,6 61,3

14 Schätzung von ETP B für beliebige Pflanzenbestände Reale Pflanzenbestände unterscheiden sich vom Standardrasen, u.a.: Blattflächenindex (LAI), Phänologie, Wurzeltiefe... Albedo Höhe, Rauhigkeit (Turbulenzbildung; aerodynamischer Widerstand) ETP X = ETP B * k ETP X : ETP des Bestands X, k: empirischer Faktor k-werte aus Dyck/Peschke (1995) Bestand Schnittgras Winterweizen Kartoffeln Mrz Apr Mai Wie kann man die Faktoren für unterschiedliche Bestände bestimmen? Jun 1.10 Für die Monate Juni und Juli (61 Tage) wurde mittels TURC-Formel für ETP B ein Wert von 187 mm bestimmt. Ist der Wert mm (187 * 1.4) ein realistischer Schätzwert für die reale Verdunstung eines Winterweizenbestands? Jul Aug Sep Okt

15 Langjähriges Mittel der realen Verdunstung eines Einzugsgebiets Wasserbilanzgleichung P - ETR - R - S = 0 Bei Langzeitbetrachtungen ist S meist vernachlässigbar ( S=0) und das langjährige Mittel von ETR ist aus langjährigen Mitteln von P und R berechenbar. Beispiel: EZG der Nieplitz südlich v. Potsdam Fläche des Einzugsgebietes am Pegel Blankensee: ca. 805 km² mittlerer Niederschlag (Station Potsdam, ): 580 mm/a mittlerer Durchfluss am Wehr Blankensee ( ): 3,26 m 3 /s P: Niederschlag R: Abfluss S: Änderung der im Gebiet gespeicherten Wassermenge ETR: reale Verdunstung Gesucht: langjähriges Mittel von ETR [mm/a]

Ähnliche Dokumente

Vergleichende Analyse der Energiebilanz zweier Untersuchungsflächen der Landnutzungen Grasland und Wald in der südlichen Oberrheinebene

Vergleichende Analyse der Energiebilanz zweier Untersuchungsflächen der Landnutzungen Grasland und Wald in der südlichen Oberrheinebene Jutta Rost der Universität Freiburg Vergleichende Analyse der Energiebilanz