Wasserkreislauf und Wasserbilanz, Abflusstypen.

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung

2 Historischer Rückblick

3 Wissenschaftliche Einordnung des Themas

4 Die Komponenten des Wasserkreislaufes
4.1 Niederschlag (Precipation)
4.2 Verdunstung
4.3 Abfluss (Runoff)
4.3.1 Abflussprozess und Abflusskomponenten
4.3.2 Infiltration
4.3.3 Abflussregime und Abflusstypen
4.3.4 Regimefaktoren
4.3.5 Abflussmessung
4.4 Rücklage (Reserve) und Aufbrauch (Use)

5 Wasserbilanzgleichung

6 Literaturverzeichnis

Abbildungs- und Tabellenverzeichnis

Abb.1 Hydrologischer Zyklus zwischen Festland und Ozean

Abb.2 Schematische Darstellung der Abflusskomponenten und des Abflussvorganges

Abb.3 Beispiele für einfache und komplexe Abflussregime

Abb.4 Auswirkungen eines Niederschlagsereignisses auf den oberirdischen (Ao) und den unterirdischen Abfluss (Au)

Tab.1 Hauptgruppen und Formen des Niederschlags

1. Einleitung

Wasser ist eine der wichtigsten Ressourcen der Erde. Es kommt in allen drei Aggregatzuständen vor und hat in nahezu allen Lebensbereichen eine entscheidende Funktion. Wasser ist Lebensmittel, Transportmittel, Energieträger, Energieregler, Lösungsmittel und Bestandteil von Organismen.

Der steigende Wasserbedarf und die Zunahme der Probleme, die durch menschliche Aktivitäten den Wasserkreislauf, zum Beispiel durch Bodenversiegelung oder den Bau von Stauseen, und die Wasserqualität beeinflussen, haben in der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts die Sensibilität für die Zusammenhänge verstärkt und die Forschung wurde intensiviert.

Der Wasserkreislauf, auch hydrologischer Zyklus genannt, ist nach dem Deutschen Institut für Normung als „ständige Folge der Zustands- und Ortsänderungen des Wassers in Form von Niederschlag, Abfluss und Verdunstung“(DIN 1990) definiert. Das Meerwasser verdunstet, wird als Wasserdampf landwärts transportiert, gelangt als Niederschlag auf die Festländer und kehrt von dort als überirdischer oder unterirdischer Abfluss wieder ins Meer zurück. In diesen globalen Wasserkreislauf sind verschiedene Teilkreisläufe eingebettet, hier sind besonders die über dem Meer beziehungsweise über den Landflächen intern ablaufenden Verdunstungs-Niederschlags-Kreisläufe zu nennen. Die Antriebsenergie des Wasserkreislaufes ist die Sonnenwärme, sie lässt das Wasser verdunsten und erwärmt die feuchte Luft. Bei Niederschlägen wird ein Teil der verbrauchten Energie wieder abgegeben. Damit kommt dem Wasserkreislauf auch eine wichtige Rolle bei dem Wärme – und Energiehaushalt der Erde zu.

Abb.1: Hydrologischer Zyklus zwischen Festland und Ozean

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Quelle: Baumann, H., Schendel U. u. G. Mann (1974): Wasserwirtschaft in Stichworten, Wasserhaushalt und seine Regelung, Kiel, S.41

Die Wasserbilanz ist als „volumenmäßige Erfassung des Wasserkreislaufs in einem Betrachtungsgebiet während einer Betrachtungszeitspanne“ (DIN 1990) definiert. Sie stellt Einnahmen und Ausgaben des Wasserhaushalts einander gegenüber. Hierbei kann sowohl die Größe des zu bilanzierenden Gebietes, als auch der Zeitraum, in dem diese Bilanz erstellt wird, variieren. Auf der Einnahmeseite steht der Niederschlag (N), auf der Ausgabenseite Verdunstung (V) und Abfluss (A). Da die Wasserbilanz langfristig ausgeglichen ist, ergibt sich folgende Wasserbilanzgleichung, häufig auch hydrologische Grundgleichung genannt:

N = A + V

Diese Gleichung gilt für einen längeren Zeitraum. Für eine kürzere Zeitspanne gilt:

N = A + V + (R – B)

Diese modifizierte Formel beinhaltet die Größen Rücklage (R) und Aufbrauch (B). Sie berücksichtigt zwischenzeitliche Speicherung von Wasser zum Beispiel die Bildung von Rücklagen im Winterhalbjahr und den Aufbrauch dieser Rücklagen im Sommer.

Die vorliegende Arbeit beginnt mit einem Rückblick auf die Geschichte der Wassernutzung und –forschung, woran sich eine Einordnung der Themas innerhalb der Wissenschaft anschließen wird. Im darauf folgenden Abschnitt werden die Komponenten des Wasserkreislaufes näher vorgestellt. Abschließend wird ein Überblick über die verschiedenen gebräuchlichen Wasserbilanzgleichungen gegeben.

2 Historischer Rückblick

Bei der Betrachtung der Historie der Wassernutzung und der Entwicklung der Wissenschaft vom Wasser fällt ein Missverhältnis auf.

Einerseits hat der Mensch schon zu frühester Zeit das Grundwasser zu nutzen gewusst und beeindruckende technologische Leistung bei der Erschließung von Trinkwasser gezeigt. So wurde zum Beispiel vor mehr als 2500 Jahren im Iran der Bau von Sickergalerien entwickelt, die Grundwasser vom Gebirgsfußbereich über weite Distanzen leiten und heute noch zur landwirtschaftlichen Bewässerung und Trinkwasserversorgung eingesetzt werden. Im alten China wurde 1000 v.Chr. bereits Bohrmaschinen aus Holz zum Brunnenbau eingesetzt mit denen Brunnen von bis zu 1500 m Tiefe ausgehoben wurden.

Andererseits entwickelte sich die Wissenschaft vom Wasser, seinen Erscheinungsformen über, auf und unter der Landoberfläche, seinen Eigenschaften und natürlichen Zusammenhängen (heute als Hydrologie bezeichnet) recht langsam.(Vgl. Hölting 1992) Es können drei Epochen unterschieden werden.

Die erste, qualitativ beobachtende, spekulative Periode reichte vom griechischen Altertum bis in das 17. Jahrhundert und wurde von den griechischen Philosophen initiiert. Diese Periode zeichnete sich dadurch aus, dass kein Wissenschaftler seine Aussagen beweisen konnte. Als Essenz kann herausgestellt werden, dass man davon ausging, dass das Grundwasser aus dem Meer durch unterirdische Kanäle in das Land ströme. Zwar gab es schon Ansätze die Grundwasserbildung auf versickernde Niederschläge zurückzuführen, diese wurden jedoch mit der Begründung abgelehnt, die Erde sei zu undurchlässig, als dass dort Regenwasser versickern könnte. Noch im 17. Jahrhundert vertrat der Astronom Johannes Kepler die Auffassung die Erde nehme wie ein riesiges Tier das Meerwasser auf, verdaue es und speie es als Süßwasser über Quellen und Flüsse wieder aus.

Die zweite, die quantitativ messende Periode des 18. und 19. Jahrhunderts begann mit den Versuchen von Pierre Perrault, der mit Messungen feststellte, dass der Abfluss der Seine nur ein Sechstel des Niederschlagvolumens über der Seine ausmachte und damit bewies, dass der Niederschlag mehr als ausreichte um den Abfluss in den Flüssen zu erklären. Wichtig für diese Periode waren außerdem noch die Messungen von Edmé Mariotte, mit denen er die Erkenntnisse von Perrault bestätigte und die Messungen von Verdunstung über dem Mittelmeer durch Edmund Halley, die zeigten dass die Verdunstung über den Meeren ausreicht um die Wassermengen zu erklären die dem Meer durch Flüsse zugeführt werden.

Die mathematisch-analytische Periode des 19. und 20. Jahrhunderts ist zu Ihrem Beginn durch hydrologische Versuche gekennzeichnet. Seit der Mitte des 20. Jahrhunderts begann mit der Entwicklung elektronischer Geräte die theoretische Durchdringung der Hydrologie.

3 Wissenschaftliche Einordnung des Themas

Bei der Bearbeitung des Themas „Wasserkreislauf und Wasserbilanz“ fällt eine klare Abgrenzung der für diesen Bereich zuständigen wissenschaftlichen Disziplin schwer. Die Erforschung des Wassers ist interdisziplinär. Die für das Thema dieser Arbeit wichtigsten Fächer sind.

- Hydrologie: Die Wissenschaft von den Erscheinungsformen, der Verbreitung und den Eigenschaften des Wassers der Erde.
- Hydrogeologie: Teilgebiet der Hydrologie und der Geologie welches Vorkommen, Eigenschaften und Verhalten des Grundwassers und der damit zusammenhängenden Quellen behandelt.
- Hydrogeographie: Teilgebiet der Physischen Geographie, welches sich mit den Erscheinungsformen des Wassers als Bestandteil der Landschaften auf der Erde befasst .

4 Die Komponenten des Wasserkreislaufes

Wie in der Einleitung bereits erwähnt, setzt sich der Wasserkreislauf aus den Komponenten Niederschlag, Verdunstung, Abfluss, Rücklage und Verbrauch zusammen. Diese Komponenten werden im folgenden Kapitel einzeln betrachtet. Es wird Ihre Entstehung, Ihre Erscheinungsformen und das Messen dieser, für die Wasserbilanz so wichtigen, Komponenten erklärt. Da in der Fachliteratur häufig die englischen Begriffe verwandt werden, wurden sie in dieser Arbeit in Klammern hinzugefügt.

[...]