Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Hydrologie – was ist das ? Definitionen & Teilbereiche Angrenzende Wissenschaften Kennzahlen zum Wasservorkommen Hydrologische

Einfhrungsveranstaltung Wasserwirtschaft & Hydrologie

Hydrologie was ist das ?Definitionen & TeilbereicheAngrenzende WissenschaftenKennzahlen zum WasservorkommenHydrologische ModellierungSkalenbereiche der ModellierungVorlesung Wasserwirtschaft & Hydrologie I

Themen: Vorlesung 1

Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken1analysierenanwendenverstehenerinnernLehrziele der Veranstaltungerschaffenbewerten und verstehen den natrlichen Wasserhaushalt / Wasserkreislauf.Sie kennen die unterschiedlichen Aufgabenbereiche der Hydrologie ...Sie kennen die Grenordnungen der unterschiedlichen Wasserressourcen.Sie verstehen das Grundprinzip wasserwirtschaftlicher Modelle.Sie beschreiben den Ablauf einer Modellierung mit eigenen Worten fachlich richtig.

Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken2Quelle: Der Brockhaus Multimedial 2000Niederschlag = Abfluss + Verdunstung + SpeichernderungWasserhaushaltsgleichungDer Wasserkreislauf

Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. NackenDie Hydrologie ist die Wissenschaft von den Erscheinungsformen des Wassersberder Erdoberflche sowie der Zirkulation des Wassers.(=> Wasserkreislauf) Eigenschaften und Wirkungen des Wassers, als auch den Wechselwirkungen des Wassers mit der Umwelt.aufund unterkologischenund chemisch/physikalischenDie Hydrologie beschftigt sich sowohl mit denDefinition zur Hydrologiequantitativen

Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. NackenErmittlung von ExtremabflssenErstellung von VorhersagenModellierung des WasserhaushaltsErhebung, Analyse und Bereitstellung von GrundlagendatenBereitstellung hydrologischer Informationen fr Planungs- und BemessungsaufgabenSystematische Analyse und Erforschung der Prozesse des WasserkreislaufsErstellung von Modellen zur Simulation hydrologischer ProzesseQuantifizierung von WasserressourcenTheoretische HydrologieHydrometrieIngenieurhydrologieIngenieurhydrologieIngenieurhydrologieIngenieurhydrologieIngenieurhydrologieOperative HydrologieDie Aufgabenbereiche der Hydrologie

Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken

ErdoberflchePedosphreLithosphreBiosphreAtmosphreHydrosphreGeologieBodenkundeBiologie/Zoologie/kologieKlimatologieHydrologieHydrologie: eine multidisziplinre Wissenschaft

Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. NackenMeteorologie:Die Meteorologie beschftigt sich mit der Beobachtung, Beschreibung sowie Modellierung und Vorhersage von Klima- und Wetterphnomenen.Die meteorologischen Beobachtung und Messungen beziehen sich auf:Die Messungen erfolgen sowohl am Boden als auch in der (hheren) Atmosphre. LuftdruckTemperaturFeuchtigkeitWindrichtung und -geschwindigkeitGrad der Bewlkung, Wolkenhhen und SichtweitenNiederschlag (als Regen oder Schnee)Hydrologie: Angrenzende Wissenschaften

Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. NackenHydrogeologie:Die Hydrogeologie ist sowohl ein Teilbereich der Wissenschaft der Hydrologie als auch der Geologie.Sie beschftigt sich schwerpunktmig mit der Prozessabbildung fr das Grundwasser und beschreibt die Vorgnge der Aufnahme, Speicherung und Abgabe von Wasser im Erdboden.Die Hydrogeologie wird oftmals als Teilbereich der quantitativen Hydrologie aufgefasst.Hydrologie: Angrenzende Wissenschaften

Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. NackenLimnologie:Die Limnologie beschftigt sich mit der Beschreibung der biologischen, physikalischen und chemischen Prozesse, die in Seen, Flssen und Gewssern ablaufen.Im Fokus der limnologischen Forschung stehen die Lebewesen der Seen und Gewsser, die Beschreibung ihrer Interaktionen sowie die Darlegung des Stoffhaushaltes.Hydrologie: Angrenzende Wissenschaften

Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken=>Gesamtwasservolumen: 1,4 Mrd km3=>Swasseraufkommen: 36 Mio kmDie globale Wasser Perspektive

Bildquelle : RamsarGlobales Angebot an Frischwasser:140.000 km

verfgbar sind jedoch nur14.000 km

Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. NackenVon 100.000 Liter ist (potentiell) nur 1 Liter fr menschliche Nutzungen verfgbar.Der Wasserbedarf vervierfachte sich zwischen 1940 1990,whrend sich die Bevlkerung nur verdoppelte.30 40 % der weltweiten Nahrungs-mittelproduktion ist abhngig von Bewsserung.Die globale Wasser PerspektiveNutzungsanteile des weltweiten Wasserverbrauchs:

Private Haushalte9 %Industrie19 %Landwirtschaft67 %Verdunstung in Grostaudmmen5 %

Bildquelle : Ramsar

Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. NackenDie nationale Wasserbilanz

Quelle: BMBFBMBFLink

Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. NackenWasserkreislauf

UNEP LinkQuelle: UNEP

Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken13Text der UNEP Seite (http://www.unep.org/dewa/vitalwater/article24.html)The water cycleThe water cycle consists of precipitation, vapour transport, evaporation, evapo-transpiration, infiltration, groundwater flow and runoff. Figure 1 explains the global water cycle, illustrating how nearly 577,000 km3 of water circulates through the cycle each year. A table of estimated residence times shows the approximate times that water resources exist as biospheric water, atmospheric water and so on.The worlds surface water is affected by varying levels of precipitation, evaporation and runoff, in different regions. Figure 2 illustrates the different rates at which these processes affect the major regions of the world, and the resulting uneven distribution of freshwater. Water is transported in various forms within the hydrologic cycle. Shiklomanov in Gleick (1993) estimates that each year about 502,800 km3 of water evaporates over the oceans and seas, 90% of which (458,000 km3) returns directly to the oceans through precipitation, while the remainder (44,800 km3) falls over land.With evapo-transpiration and evaporation totalling about 74,200 km3, the total volume in the terrestrial hydrologic cycle is about 119,000 km3. Around 35% of this, or 44,800 km3, is returned to the oceans as run-off from rivers, groundwater and glaciers. A considerable portion of river flow and groundwater percolation never reaches the ocean, having evaporated in internal runoff areas or inland basins which lack outlets to the ocean. However, some groundwater that bypasses the river systems reaches the oceans. Annually the hydrologic cycle circulates nearly 577,000 km3 of water (Gleick, 1993).Swasser Ressourcen pro Kontinent

Quelle: UNEPUNEP Link

Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken14Text von der UNEP Seite (http://www.unep.org/dewa/vitalwater/article32.html)Freshwater resources: volume by continentGlaciers and ice caps cover about 10% of the worlds landmass. These are concentrated in Greenland and Antarctica and contain 70% of the worlds freshwater. Unfortunately, most of these resources are located far from human habitation and are not readily accessible for human use. According to the United States Geological Survey (USGS), 96% of the worlds frozen freshwater is at the South and North Poles, with the remaining 4% spread over 550,000 km2 of glaciers and mountainous icecaps measuring about 180,000 km3 (UNEP, 1992; Untersteiner, 1975; WGMS, 1998, 2002).Groundwater is by far the most abundant and readily available source of freshwater, followed by lakes, reservoirs, rivers and wetlands. Analysis indicates that: Groundwater represents over 90% of the worlds readily available freshwater resource (Boswinkel, 2000). About 1.5 billion people depend upon groundwater for their drinking water supply (WRI, UNEP, UNDP, World Bank, 1998). The amount of groundwater withdrawn annually is roughly estimated at 600-700 km3, representing about 20% of global water withdrawals (WMO, 1997). A comprehensive picture of the quantity of groundwater withdrawn and consumed annually around the world does not exist.Most freshwater lakes are located at high altitudes, with nearly 50% of the worlds lakes located in Canada alone. Many lakes, especially those in arid regions, become salty through evaporation, which concentrates the inflowing salts. The Caspian Sea, the Dead Sea, and the Great Salt Lake are among the worlds major salt lakes.Rivers form a hydrologic mosaic, with an estimated 263 international river basins covering 45.3% (231,059,898 km2) of the earths land surface, excluding Antarctica (UNEP, Oregon State University et al., in preparation). The total volume of water in the worlds rivers is estimated at 2,115 km3 (Groombridge and Jenkins, 1998).Erneurbares Swasseraufkommen

Quelle: UNEPUNEP Link

Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken15Text von der UNEP Seite (http://www.unep.org/dewa/vitalwater/article30.html)Renewable surface water produced internallyIt is difficult to determine the amount of renewable water produced internally from the total renewable water resources (external and internal). However the FAO gives a rather precise definition of this indicator. Internal Renewable Water Resources (IRWR) includes: Average precipitation: long-term double average over space and time of the precipitation falling on the country in a year. Surface water produced internally: long-term average annual volume of surface water generated by direct runoff from endogenous precipitation. Groundwater produced internally: long-term annual average groundwater recharge, generated from precipitation within the boundaries of the country (estimated by the annual infiltration rate (in arid countries) or river base flow (in humid countries). Overlap between surface water and groundwater: part of the renewable water resources common to both surface water and groundwater. It is equal to groundwater drainage into rivers (typically, base flow of rivers) minus seepage from rivers into aquifers. Total internal renewable water resources: long-term average annual flow of rivers and recharge of aquifers generated from endogenous precipitation. Double counting of surface water and groundwater resources is avoided by deducting the overlap from the sum of the surface water and groundwater resources.Eingangsgre[zeitvariant]SystemoperationAusgangsgre[zeitvariant]NiederschlagN(t)ModellAbflussQ(t)Systemtheorie

Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. NackenNiederschlagsbildungNiederschlagsverteilungAbflussbildungAbflusskonzentrationWellenablaufNiederschlagsentstehungals Regen oder SchneeRumliche Verteilung des NiederschlagsErmittlung des abfluss-wirksamen NiederschlagsFlood Routing im GewsserTranslation und RetentionDie Phasen der NA - Modellierung


Niederschlagsverteilung


Quelle: DWDDie Niederschlagsverteilung

Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. NackenNiederschlagInterzeptionEvaporationEvapotranspirationGrundwasserzuflussEffektiver NiederschlagabflusswirksamerNiederschlagInfiltrationBodenfeuchte-speicherPerkolationGrundwasser-speicherDie Abflussbildung

Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. NackenWelkepunktFeldkapazittMaximale Bodenfeuchte[mm][%]20406080100PerkolationInfiltrationEvapotranspirationDie funktionalen Zusammenhnge bei der Bodenfeuchtesimulation

Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken[mm/h][m/s]NiederschlagGemessener AbflussGerechneter AbflussKalibrierung von NA - Modellen

Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. NackenNA ModellNA ModellTeilgebieteSpeicherdatenBodendatenZeitflchen- FunktionenNutzungenGerinnedatenZeitreihen

NiederschlgeVerdunstungTemperaturAbflsseDigitale GelndedatenDie Datenbasis fr NA - Modelle


TeileinzugsgebieteTeilgebieteSpeicherBodenZeitflchenNutzungenGerinneZeitreihen

DGMGIS Anwendung fr NA - Modelle


Digitale BodenkarteTeilgebieteSpeicherBodenZeitflchenNutzungenGerinneZeitreihen



Landnutzung und VersiegelungTeilgebieteSpeicherBodenZeitflchenNutzungenGerinneZeitreihen



TeilgebieteSpeicherBodenZeitflchenNutzungenGerinneZeitreihen

DGM

Digitales GelndemodellDGM 25DGM mit ATKIS Daten

GIS Anwendung fr NA - Modelle


Quelle: Topscan

Quelle: TopscanGewinnung von digitalen Hhendaten

Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. NackenNiedrigwasserabflsseMittelwasserabflsseHochwasserabflsse

NNQ5niedrigster NiedrigwasserabflussNQNiedrigwasserabflussMNQmittlerer NiedrigwasserabflussMQMittlerer AbflussMHQmittlerer HochwasserabflussHQXHochwasserabflussHHQhchster HochwasserabflussDie Hauptzahlen des Abflusses


NA Modellierung zur Ausweisung von berschwemmungsgebieten


Quelle: MOZ Die operationelle Hochwasservorhersage


Information von Satellitensystemen

Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. NackenQuelle: DWD

Information von Satellitensystemen

Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. NackenAtmosphrenwasser ~10 TageFlusswasser ~16 TageWasser der ungesttigten Bodenzone ~1 JahrGrundwasser ~1400 JahreWasser der Weltmeere ~2500 JahreDie Austauschzeiten ergeben sich aus dem Quotienten des jeweiligen Gesamtvolumens und dem Abfluss Q: t= V/Q. Die Angaben sollen lediglich zur Abschtzung der Grenordnung dienen.Austauschzeiten im Wasserkreislauf

Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. NackenMakroskaligeAbbildungenFlcheneinheit > 1000 kmLngeneinheit > 30 kmMesoskaligeAbbildungenFlcheneinheit > 0,1 km 1000 kmLngeneinheit > 100 m 30 kmFlcheneinheit > 1000 m 0,1 kmLngeneinheit > 3 m 100 m MikroskaligeAbbildungenSkalenbereiche bei hydrologischen Prozessen

Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Erkenntnis WissenSpitzenabfluss [m/s]Abflussvolumen [m3]Raumskala InformationStochastische ModelleRegelbasierte ModelleMonte Carlo ModelleEmpirische VerfahrenStatistische VerfahrenNeuronale NetzeProzess ModelleFuzzy ModelleMesoskalaMakroskala[> 1000 km2][0,1 bis 1000 km2]Skalen und Modelle

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