Vorlesung: 1803 Wasserbau und Wasserwirtschaft 6. Semester U, 2Vo + 2Ue

1. Vorlesung: 1803 Wasserbau und Wasserwirtschaft 6. Semester U, 2Vo + 2Ue Raum: 314, Zeit: Mittwoch 13.30 – 16.45 Prüfung: P6-Prüfung

2. ÜBERSICHT „HYDROLGIE“: Meteorologie Klimatologie Geologie Geographie Biologie einfließende Wissenschaften HYDROLOGIE: Lehre von den Eigenschaften, Erscheinungsformen und dem Kreislauf des Wassers Hydrogeologie (Wasser in der Erdrinde) Hydrobiologie (Leben im Wasser) Ozeanologie (Ozeanographie) Kryologie(Schnee, Eis) Potamologie(Flusskunde) Gewässerkunde Limnologie(Seekunde) Unterdisziplinen der Hydrologie INGENIEURHYDROLOGIEunter technischen Aspekten für Bauingenieure

3. ÜBERSICHT WASSERKREISLAUF: NiederschlagRegen, Schnee, Tau, Reif Wolke VersickerungBoden Vegetation Abflussoberirdisch STEUERUNG WASSER-NUTZUNG Grundwasser WASSER-NUTZUNG Trink- und Brauchwasser Abflussunterirdisch Flüsse, Seen,Meere Trink- und Brauchwasser, Bewässerung, Wasserkraft, Schifffahrt, Fischerei, Erholung VerdunstungBoden, Pflanzen, Flüsse, Seen, Meere

4. ÜBERSICHT WASSERKREISLAUF:

5. ÜBERSICHT WASSERKREISLAUF:(Begriffsdefinitionen) WASSERHAUSHALT: unscharfer Begriff für Wasserkreislauf mit Eingriffen WASSERBILANZ: mengenmäßige Erfassung des Wassers im Kreislauf INGENIEURHYDROLOGIE: Methoden zur quantitativen Beschreibung von Teilen des Wasserkreislaufs zum Zwecke der Nutzung und Beeinflussung

6. ELEMENTE DES WASSERKREISLAUFS: • Beschreibung der wichtigsten Elemente des (quantitativen) Wasserkreislaufes- Niederschlag (N)- Verdunstung (V)- Versickerung (S)- Abfluss (Q) • Messung der Elemente des Wasserkreislaufs • Messauswertung zum Zwecke ingenieurhydrologischer Untersuchungen

7. ELEMENTE DES WASSERKREISLAUFS: NIEDERSCHLAG (N) Niederschlagsformen: Regen (einschl. Hagel und Graupel) Schnee (einschl. Schneeregen) von geringer Bedeutung: Tau ReifNiederschlagstypen (nach Entstehung):  Vb Wetterlage Zyklonaler Niederschlag: über größere Gebiete, längere Dauer (aus Aufgleitfronten bei Tiefdruckgebiet) Konvektiver Niederschlag: kurzfristige Starkregen aus Konvektion Orographischer Niederschlag: aus Aufgleitfronten an Bodenerhebungen Luvseite von Gebirgen, Zunahme des Niederschlages mit der Höhe

8. ELEMENTE DES WASSERKREISLAUFS: NIEDERSCHLAG (N) Niederschlagstypen (nach Intensität): Dauerniederschlag: lang anhaltend, große Ausdehnung (Regen, Schnee) → Zyklonaler Niederschlag, → Orographischer Niederschlag, mind. 6h Dauer, i ≥ 0,5 mm/h Schauer: plötzlich einsetzend, kurzandauernd (Regen, Schnee, plötzlich endend, geringe Flächenausdehnung Graupel) → Konvektiver Niederschlag Platzregen: starke mehrere Minuten dauernde Regenschauer (Regen) → Konvektiver Niederschlag

9. ELEMENTE DES WASSERKREISLAUFS: MESSUNG DES NIEDERSCHLAGS (N) Niederschlagshöhen hN[mm]: Niederschlagshöhe am Boden, wenn nichts versickert oder verdunstet [hN] = 1 mm = 1 Liter/m² = 1 l/m² hN – Angabe auch für Wasserinhalt einer Schneedecke üblich (dort Messen der Schneehöhen) hN – Angabe erfordert zugehörige Zeitspanne, in der hN aufgetreten ist. (dort Messen der Schneehöhen) Niederschlagsintensität iN[mm/h]:iN = hN / Δt [mm/h]

10. MESSUNG DES NIEDERSCHLAGS (N) Messgeräte für Regen und Schnee (Pluviometer): Prinzip der Messung: Auffangen des Niederschlages mit Gefäß bestimmter Auffangfläche, meist 200 cm²Geräte: Regenmesser, NiederschlagsmesserHellmannscher Regenmesser Geeignet für kurzfristige Messungen z.B. tägl. Messung durch tägl. Bestimmen der N-Menge mit Messglas. Bei Ablesung feststellbar die seit der letzten Messung gefallene N- Höhe Messergebnis: Niederschlagshöhe hN zwischen zwei Ablesungen

11. MESSUNG DES NIEDERSCHLAGS (N) Geräte: Totalisator wie Regenmesser, aber mit größeren Sammelgefäß für Langzeitregistrierung → langfristige Messungen (Monat, Jahr) Erforderlich in unwegsamen Gelände, z.B. Gebirge. Aufstellhöhe meist 5-6 m wegen Bewuchs und Schneetiefe. Auffangfläche ebenfalls 200cm², aber auch 500 cm² möglich. Messergebnis: Niederschlagshöhe hN zwischen zwei Ablesungen

12. MESSUNG DES NIEDERSCHLAGS (N) Geräte: Regenschreiber, Niederschlagsschreiber selbstregistrierender Regenmesser → kontinuierliche Messungen Registrierung der Niederschlagsmenge über Schwimmer (3) in Sammelgefäß (2), Abhebern (4) bei Vollfüllung und Fortsetzen der Registrierung (5,6) auf neuen Niveau. Messergebnis: N-Summenlinie auf Papierstreifen (Diagramm)

13. MESSUNG DES NIEDERSCHLAGS (N) Geräte: Andere Hellmann-Messgeräte, Wippe und Tropfenzähler selbstregistrierender Regenmesser → kontinuierliche Messungen Registrierung der Niederschlagsmenge über Wippe (1) und einer Lichtschranke (3) oder Magnetschalter (3) Messergebnis: Diskrete Niederschlagshöhe oder Summenlinie in digitaler Form

14. KLIMASTATIONEN DES DWD (Beispiel Stand 2000): Als Datenquelle für die KLIDABA (Klimadatenbank des DWD) dienen im wesentlichen die Stationsnetze des Deutschen Wetterdienstes (Zahlen: Stand 2000): • ca. 230 klimatologische Meldestellen("Wetterstationen") als automatische Stationen mit und ohne Fachpersonal als Beobachter. • ca. 530 Klimastationen mit einem umfassenden Messprogramm durch Laienbeobachter • ca. 3500 Niederschlagsstationen mit einem eingeschränkten Messprogramm durch Laienbeobachter • ca. 260 Stationen mit Messungen der Erdbodentemperatur • zusätzlich Auswertungen von analogen Registrierungen an ausgewählten Stationen bzw. stündliche Werte an Automaten (Wind, Temperatur, Feuchte und Sonnenscheindauer) • ca. 230 automatische Stationen für 10 - Minuten – Werte (davon ca. 50 nur für Windparameter) • ca. 20 aerologische Stationen (davon 9 mit einem vollständigen Messprogramm) Die Klimadatenbank (KLIDABA) enthält die meteorologischen Daten der verschiedenen Stationsmessnetze des Deutschen Wetterdienstes aus dem Gebiet der Bundesrepublik Deutschland, meist seit den 50er Jahren dieses Jahrhunderts zum Teil aber auch seit den 70er Jahren des vorletzten Jahrhunderts, so z.B. Daten des Hohenpeißenbergs bis zum Jahr 1781. Quelle: DWD

15. KLIMASTATIONEN DES DWD (Beispiel Stand 2000): Quelle: DWD

16. NIEDERSCHLAGSMESSUNG MIT RADAR Im Rahmen des Großprojektes Messnetz 2000 soll das Niederschlagsmessnetz des Deutschen Wetterdienstes (DWD) ausgedünntund die bisher zumeist verwendeten konventionellen durch automatische Messstationen ersetzt werden. Die Ausdünnung soll zum einen aus Kostengründen erfolgen. Zum anderen steht mit der Niederschlagsmessung mittels Radar eine Methode zur Verfügung, die im Gegensatz zu herkömmlichen Messungen mit so genannten Hellmann-Regenmessern den Niederschlag nicht nur für einzelne Punkte (die Auffangfläche bei einem "Hellmann" beträgt 200 cm² bei einer Stationsentfernung von ca. 10 bis 20 km) sondern flächenhaft erfassen kann. Allerdings kann durch Radar die Niederschlagshöhe am Boden nicht direkt gemessen werden. Die an Regentropfen reflektierten Radarimpulse liefern nur eine flächenhafte Verteilung der Stärke der Radarechos. Da die Stärke der Rückstreuung von der Größe und der Menge der Regentropfen abhängt, kann über empirische Beziehungen sowie Korrekturverfahren die Niederschlagshöhe berechnet werden. Das Aneichen der Radardaten geschieht mittels der Niederschlagsmessungen am Boden. Der Radarverbund des DWD umfasst 16 Radarstandorte, die eine weitgehende Abdeckung des Bundesgebiets gewährleisten. Quelle: DWD

17. Quelle: DWD

19. NUMERISCHE WETTERVORHERSAGE Die Simulationen atmosphärischer Prozesse auf einem Rechner mit dem Ziel, ausgehend von dem aktuellen Zustand eine Prognose der zukünftigen Entwicklung abzuleiten wird als numerische Wettervorhersage bezeichnet. Mit Ausnahme von extrem kurzen Vorhersagezeiträumen werden heutzutage alle Wettervorhersagen auf dieser Basis erstellt. Quelle: DWD

20. AUSWERTUNG DES NIEDERSCHLAGS (N)

21. AUSWERTUNG DES NIEDERSCHLAGS (N) Polygonmethode: Der Niederschlagsmessstelle werden Flächenanteile „Einflussflächen“ zugerechnet z.B. mit Hilfe von Vielecken → Thiessenpolygone Der Niederschlagsmessstelle Rj zugeordnete Fläche Aj wird aus den Mittelsenkrechten auf die Verbindungsgeraden zu den benachbarten Messstellen gebildet.

22. Niederschlagsauswertung 

24. ELEMENTE DES WASSERKREISLAUFS: MESSUNG DES ABFLUSSES (A) Wasser, das nicht verdunstet oder im Boden (Bodenfeuchte), an der Oberfläche (Seen) und Grundwasser gespeichert wird, fließt in Wasserläufen ab. Im Gewässer an einem Kontrollpunkt aus dem Einzugsgebiet zu beobachten: Gesamt-(Abfluss) aus dem Einzugsgebiet(Einschränkung: unterirdischer Abfluss) Definition: Abfluss Q [m³/s] = Wasservolumen, das pro Zeit einen Abflussquerschnitt durchfließt. DIREKTE MESSUNG VON Q Behältermessung: Nur bei kleineren Wassermengen möglich (Behältermessung) Messen von V in Δt mit Gefäß und Stoppuhr (Quellen, kl. Wasserläufe) Q = V / Δt [m³/s]

25. MESSUNG DES ABFLUSSES (A) DIREKTE MESSUNG VON Q Messüberfall: Anwendbar bei Quellen und kleinen Wasserläufen Messen von h, Berechnen von Q aus eindeutiger Zuordnung durch Überfallformel Reebock-Wehr Q - Überfallwassermenge [m³/s] - Überfallbeiwert [-] b - Überfallbreite [m] h - Überfallhöhe [m] Der Überfallbeiwert  ist primär eine Funktion der Überfallform und berücksichtigt damit die Form der Strahlumlenkung.

26. MESSUNG DES ABFLUSSES (A) DIREKTE MESSUNG VON Q Tompson-Wehr, Dreiecks-Wehr Q - Überfallwassermenge [m³/s] - Überfallbeiwert [-] α - Winkel an der Überfallkante [°] h - Überfallhöhe [m] Der Überfallbeiwert  ist primär eine Funktion der Überfallform und berücksichtigt damit die Form der Strahlumlenkung.

27. ELEMENTE DES WASSERKREISLAUFS: INDIREKTE MESSUNG VON Q Einzelmessung oder laufende Messung (Registrierung der Wasserstanshöhe bzw. des Wasserstandes W [m]: Mit Lattenpegel: Mit Schwimmerschreibpegel:

28. INDIREKTE MESSUNG VON Q Einzelmessung oder laufende Messung (Registrierung der Wasserstanshöhe bzw. des Wasserstandes W [m]: Mit Druckluftpegel:

29. INDIREKTE MESSUNG VON Q Einzelmessung von Q zur Aufstellung von Q (W) mit hydrometrischen Flügel:

30. INDIREKTE MESSUNG VON Q Einzelmessung von Q zur Aufstellung von Q (W) mit hydrometrischen Flügel:

32. W [müNN PNP] Pegelkurve Q [m³/s]

33. VERDUNSTUNG (V) Im Wasserkreislauf durch Verdunstung  Rückkehr des Wassers von der Erde in die Atmosphäre. Physikalisch: Übergang vom flüssigen in dampfförmiges Wasser.Einflussfaktoren: a) Sättigungsdefizit der Luft (E-e) E = Sättigungsdampfdruck der Luft bei vorhandener Temperatur e = aktueller Dampfdruck bei vorhandener Temperatur b) Luftbewegung, Windgeschwindigkeit (Austausch feuchter Luftmassen) Arten der Verdunstung im Wasserkreislauf: vom Boden Evaporation VE von feuchten Pflanzenoberflächen Interception VI von Pflanzen (Stoffhaushalt der Pflanze) Transpiration VT

34. VERDUNSTUNG (V) Arten der Verdunstung im Wasserkreislauf: vom Boden Evaporation VE von feuchten Pflanzenoberflächen Interception VI von Pflanzen (Stoffhaushalt der Pflanze) Transpiration VT Aktuelle Verdunstung von vegetationsbedeckten Flächen Evapotranspiration V=VE+VI+VT Beispiel Wald : 100=10+30+60% Grünland: 100=25+25+50% Sonderfall: Verdunstung von freien Wasseroberfläche = potentielle Evaporation VP = Maximalwert der Verdunstung von Boden und feuchten Pflanzen In der Regel: aktuelle Verdunstung von vegetationsbedeckten Flächen < Verdunstung von freien Wasserflächen

35. MESSUNG DER VERDUNSTUNG (V) • Messgerät (Evaporimeter) • Von Boden und Pflanzen: schwer messbar • Von freier Wasseroberfläche: gut erfassbarVerdunstungskessel (US Pan Class A)als Schwimmkessel in Wasserflächeauch an Land aufstellbarWasserspiegeländerung durch Stechpegel erfassbar,zusätzlich N-Messung erforderlichSchwierigkeit: Wellenschlag, Algenbewuchs ….Gemesenen Werte zu hoch VP≈0,9 ·VKESSELVerdunstungswaage (Wild´sche Waage)abzulesen oder selbst registrierendLastschale mit 250 cm² VerdunstungsflächeVerdunstungsmenge aus GewichtsdifferenzNachteil: zu große Verdunstungshöhen gemessenWassertemperatur zu hochUmrechnung der Werte erforderlich VP=a ·VWaagea je nach Standort, Eichung erforderlich

37. MESSUNG DER VERDUNSTUNG (V) • Messgerät (Evaporimeter) • Messung der Verdunstung an Verdunstungskörpernfeuchte Papierkörper: (Piche-Evaporimeter)poröse feuchte KeramikNachteil: Evapotranspiration nur durch Eichung zu erhaltennatürliche Bodenkörper: Lysimeter (Bodenverdunstungsmessser)Prinzip: Kasten mit ungestörtem Bodenmaterial (1-8 m³) und Vegetation (oft mit Waage) darunter Auffanggefäß für SickerwasserBestimmung der Verdunstung: für Zeitintervalle Δt aus der Differenz zwischen N (Messen) und durchgesickerten Niederschlag AS, Bodenfeuchtemessung (oder wiegen) erforderlich zur Bestimmung vonΔR=N-AS-Voder beim wägbaren Lisemeter: Bestimmung durhc laufende Registrierung des Bodenprobengewichtes, des Niederschlags und der durchsickernden Wassermenge.

38. Lysimeter (Bodenverdunstungsmessser) Einschränkung: Messwerte genau nur für den einen Bodenkörper mit Bewuchs gültig, keine Horizontalbewegung erfassbar.

39. BERECHNUNG DER VERDUNSTUNG (V) Bilanz für Bodenvolumen in Zeitraum Δt V = N – A - ΔR in [m³] oder als Verdunstungshöhe in [mm] Bodenfeuchteänderung während ΔtVolumen des Abflusses in Δt (ober- und unterirdisch) Volumen des Niederschlags in Δt Für Bilanzperioden mir ΔR≈0 (Frühjahr-Frühjahr) gilt V = N – A in [m³] oder als Verdunstungshöhe in [mm] Berechnung aus Dampfdruckdefizit und Windgeschwindigkeit Vielzahl empirischer Ansätze für potentielle Verdunstung (von freien Wasserflächen) z.B. v – Windgeschwindigkeit [m/s] in 2 m Höhe (mittel über Tag) E – Sättigungsdampfdruck e – aktuelle Dampfdruck

40. VERSICKERUNG (S) • Eindringen des Wassers in die Bodenoberfläche • Aufteilung des versickerten Wassers • Bodenfeuchteanreicherung (Pflanzen, Verdunstung) • Interflow (lateraler Zwischenabfluss) • Grundwasserzufluss aus durchsickerndem Wasser • Messung der Versickerung: • Versickerungszylinder (Infiltrometer, besser Doppelringinfiltrometer) • Nachteil falsches Bild wegen seitlicher Ausbreitung • Lysimeter: Nachteil Aussagekraft örtlich begrenzt.

44. VERFAHREN IN DER INGENIEURHYDROLOGIE (ÜBERSICHT) VERFAHREN IN DER INGENIEURHYDROLOGIE Eichung anhand von Naturmessungen hydrologische Größen Statistische Verfahren(Zufallsabhängig) Deterministische Verfahren(Ursache – Wirkung) Behandlung des Gesamtsystems(Black-Box) Behandlung des detaillierten Systems(Distributed-System) Probabilistische Verfahren(rein zufällige Prozesse) Stochastische Verfahren(nicht reinzufällige Prozesse) WASSERBAULICHE UND WASSERWIRTSCHAFTLICHE BERECHNUNGSGRUNDLAGE

45. VERFAHREN IN DER INGENIEURHYDROLOGIE (ÜBERSICHT) • Statistische Verfahren: • Ingenieurhydrologie  Schaffung von Bemessungsgrundlagen für Wasserbauliche und Wasserwirtschaftliche Maßnahmen • dazu erforderlich qualitative und quantitative Beschreibung des Wasserkreislaufs • z.B. durch statistische Verfahren, welche liefern: 1) Bemessungsgrößen mit „statistischen Sicherheiten“ 2) „statistische Sicherheiten“ für deterministisch ermittelte Bemessungsgrößen • Die Anwendung statistischer Verfahren erfordert: • genaue Definition der hydrologischen Größe x (Variable) • Die ermittelten Werte müssen repräsentativ für die Größe x sein • Die Daten müssen von einander unabhängig sein oder deren Abhängigkeit muss klar fassbar sein • Die Daten müssen homogen sein, d.h. das verursachende hydrologische System muss zeitinvariant sein oder stetig variant sein.

46. max x Δt AusdehnungR xj min x ta te Umfangn Werte DATENMATERIALBeobachtungsreihe einer hydrologischen Größe x über die Zeit bildet eine Zeitreihe Zeitreihe:besteht aus n Beobachtungswerten x1 .. xj .. xn, von denen jeder repräsentativ ist für ein bestimmtes konstantes Δt.z.B. Jahresniederschlagshöhe an einer Messstelle (Δt = 1Jahr)Wasserstands-Tageswerte (Δt = 1Tag) Umfang: Zahl der BeobachtungswerteAusdehnung: Variationsbreite = max x - min x = R (range) Vorhandene hydrologische Beobachtungsreihe stellen Stichproben (STIP) aus der Grundgesamtheit (GG) aller möglichen Ereignisse (der Variable x) dar

47. Problem und Ziel vieler statischer Verfahren: ist der Schluss von der STIP auf die GG d.h. die Einordnung beobachteter Werte bezüglich ihres Auftretens im Rahmen aller möglichen Werte oder die Angabe einer Unter- oder Überschreitungswahrscheinlichkeit (Wiederkehrintervall) für einen Wert xi, der bisher noch nicht beobachtet wurde (aber möglich ist). oder die Angabe eines Wertes xi für eine gegebene Unter- oder Überschreitungswahrscheinlichkeit (Wiederkehrintervall).

48. x XTR Zeitreihe X XST XPER t Aufbereitung der Zeitreihen Im allgemeinen wird angesetzt, dass eine Zeitreihe aus verschiedenen Komponenten zusammengesetzt ist: X = XTR + XPER + XST • Statistische Untersuchungen nur für statistischen Anteil XST zulässig  Datenaufbereitung erforderlich • Trendanteil a) Erkennung durch Bildung des gleitenden Mittels b) Regressionsrechnung • Periodizität Spektralanalyse • Erhaltungstendenz Bei statistischen Anteil XST noch autokorrelativer Anteil XAK abspaltbar • XST = XAK + XZ • Erhaltungstendenz Zufallsanteil

49. max x Δt AusdehnungR xj min x ta te Umfangn Werte HÄUFIGKEITSANALYSE Zweck: Feststellung der Eigenschaften einer Zeitreihe d.h.Aussagen bezüglich der Häufigkeit des Auftretens oder Überschreiten eines Wertes xj der Variablen x Gegeben: Zeitreihe der Variablen x (x1, x2, x3,… xj,… xn)also n Werte xj (j=1 …n) mit der Ausdehnung R und dem Umfang n·Δt (STIP) Gesucht: Häufigkeitsverteilung und deren Kennwerte 1. Schritt: Klasseneinteilung: Ausdehung R wird in k Klassen der Breite Δx eingeteilt, Kennzeichnung der Klasse i durch den xi-Wert in Klassenmitte k-te Klasse Δx i-te Klasse xi 2. Klasse 1. Klasse

50. max x Δt AusdehnungR xj k-te Klasse min x Δx ta te i-te Klasse Umfangn Werte xi 2. Klasse 1. Klasse HÄUFIGKEITSANALYSE 2. Schritt: Auszählen der Häufigkeit ni der Klasse xi der beobachteten Werte xj. Dabei zählt der xj - Wert am unteren Rand einer Klasse i zu dieser Klasse. Auftragung der n-Werte über xi liefert die Häufigkeitslinie ni = absolute Häufigkeit fi= ni/n = relative Häufigkeit