RWTH Aachen Ingenieurhydrologie - Vorlesung Hydrologie I: Verdunstung

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

Vorlesung Wasserwirtschaft & Hydrologie I

Themen:

Vorlesung 4

Grundlagen der Verdunstung

Bilanzierungsansätze

Gebietsverdunstung

Jährliche Schwankungen

Verdunstungsmessung

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Die Verdunstung setzt sich aus zwei Teilprozessen zusammen:

Evaporation

Transpiration

Als Evoporation wird die Verdunstung über freien Wasserflächen (Seen) sowie von vegetationsfreien Landflächen bezeichnet.

Bei der Transpiration handelt es sich um die Verdunstung über die Oberfläche von Pflanzen.

Bei hydrologischen Modellierungen wird die Evapotranspiration (als Zusammenfassung beider Prozesse) abgebildet.

Verdunstung

Hier stand ein Bild mit Rechten Dritter, das nicht freigegeben wurde.

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Die Evapotranspiration ist eine ausschlaggebende Größe bei folgenden Aufgabenstellungen:

Wasserhaushaltsbilanzierungen

Ermittlung des langjährigen Wasserdargebots

Niederschlag - Abfluss Modellierungen

Wachstums- und Ertragsmodelle der Land- und Forstwirtschaft

Für diese Fragestellungen ist es notwendig, die (möglichst) exakte Größe der Evapotranspiration sowohl als Mittelwert für langan-haltende Prozessabbildungen sowie in hoher raumzeitlicher Auflösung zu bestimmen.

Evapotranspiration

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Atmosphäre

Wasserdargebot Energiedargebot

Boden Vegetation

Standortbedingungen

Verdunstung

Entscheidend für die Verdunstung sind:

der Dampfdruckgradient

das Wasserdargebot

das Energiedargebot

Verdunstungsprozess

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P+

-R

+RW+ -

Wasserbilanz

P + E + R + W = 0

P: Niederschlag

E: Verdunstung

R: Abflusshöhe (ober- und unterirdisch)

W: Wasservorratsänderung

- E

Verdunstung aus der Wasserbilanz

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Rn+ - + H - +LE-

+ G -

Energiebilanz

Rn + H + G +LE = 0

R: Nettostrahlung

H: fühlbarer Wärmestrom

G: Bodenwärmestrom

LE: latenter Wärmestrom

Verdunstung aus der Energiebilanz

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Abhängigkeit der Verdunstung

Die Verdunstung ist physikalisch von folgenden Faktoren abhängig:

der Differenz des Dampfdruckes an der Oberfläche und dem Dampfdruck der oberflächennahen Luft

der Energie, die an der Oberfläche zur Verfügung steht

der Menge des Wasserdampfes, die in der Luft transportiert wird

der Menge des Wassers, das an der Oberfläche vorhanden ist oder dahin transportiert wird

Einflussfaktoren für die Verdunstung

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Die nachfolgende Tabelle gibt Aufschluss über das Verhältnis der jährlichen Verdunstung zum jährlichen Niederschlag in Abhängigkeit der Vegetation.

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100h

V/h

N i

n %

Nackter Boden

Getreideland

Hackfrüchte

Grünland

Wälder

freie Wasserfläche

feuchte Erdoberfläche

Jährliche Verdunstungsverhältnisse

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Bei den Angaben zur Verdunstung wird unterschieden zwischen

Potentielle Verdunstung ETP

Reale Verdunstung ETR

Die potentielle Verdunstung ETP ist eine Rechengröße, die angibt, wie viel Wasser bei gegebenen meteorologischen Verhältnissen verdunsten würde, falls unbegrenzte Wassermengen zur Verfügung stehen.

Die tatsächliche oder reale Verdunstung ETR wird bei den vorhandenen Wassermengen und klimatischen Bedingungen (beispielsweise per Lysimeter) gemessen.

Es gilt: ETP ETR

Evapotranspiration

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0

100

200

300

400

500

600

700

800V

erd

un

stu

ng

in m

m

ETa Winter

ETp Winter

ETa Sommer

ETp Sommer

ETa Gesamtjahr

ETp Gesamtjahr

Jahreswerte der Verdunstung in Deutschland

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Orientierungswerte der monatlichen Gebietsverdunstung in Prozent der Jahreswerte

0,0

5,0

10,0

15,0

20,0

25,0

JAN FEB MRZ APR MAI JUN JUL AUG SEP OKT NOV DEZ

niederschlagsreiche Gebiete niederschlagsarme Gebiete

Jahreszeitliche Schwankung der Verdunstung

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Welkepunkt Feldkapazität Maximale Bodenfeuchte

[mm]

[%]

20

40

60

80

100

Perkolation

Infiltration

Evapotranspiration

Verdunstung im Bodenkörper

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[%]

20

40

60

80

100

Funktionale Zusammenhänge bei Sand-Böden

[mm/dm]

10 20 30 40 50 60 70

WP FK BMAX

Perkolation

Evapotranspiration

Infiltration

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[%]

20

40

60

80

100

Funktionale Zusammenhänge bei Lehm-Böden

[mm/dm]

10 20 30 40 50 60 70

Perkolation

Infiltration

WP FK BMAX

Evapotranspiration

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[%]

20

40

60

80

100

Funktionale Zusammenhänge bei Ton-Böden

[mm/dm]

10 20 30 40 50 60 70

Perkolation

Evapotranspiration

Infiltration

WP FK BMAX

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I II III IV[mm] [mm] [mm] [mm]

Niederschlag [hn] 588 588 588 588Verdunstung [hv] 335 231 166 102Grundwasserneubildung [ds] 208 117 118 99Oberflächenabfluss [ha] 45 240 304 387

hn - hv - ha - ds = 0 0 0 0 0

Versiegelungsstufen I: 10 - 50 % Einfamilienhaus SiedlungII: 45 - 75 % BlockrandbebauungIII: 70 - 90 % Städtische BebauungIV: 85 - 100 % Innerstädtische Blockbauweise

Verdunstung in städtischen Gebieten

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Die Messung der Verdunstung kann grundsätzlich über folgende Methoden vorgenommen werden:

Wasserbilanzmethode

Wasserdampfstrommethode

Energiebilanzmethode

Beispiele: VerdunstungskesselLysimeter

Methoden der Verdunstungsermittlung

Verdunstungsmessung

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Bildquelle: DVWK Merkblatt 238

hV = hN - h - hS

Wägbare Lysimeteranlage

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Lysimeteranlage für Grünlandstandort

Bildquelle: ETH Zürich

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Bildquelle: DVWK Merkblatt 238

Verdunstungsfloß

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Bildquelle: DVWK Merkblatt 238

Kannenmessung

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Volumenkörper [1m³]

1 kg / m³ Wasserdampfdichte

1 kg / m² = 1l / m²

1 kg / m² = 1l / m² = 1mm

1 mmGrundfläche [1m²]

Spezifische Verdampfungswärme zur Umwandlung von 1 kg Wasser in Wasserdampf

L* = ( )2,498 0,00242T 10 6 J

kgEnergie = Arbeit

Spezifische Verdampfungswärme

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Dabei wird die Energiebilanz zur Ermittlung der Verdunstungshöhe herangezogen, indem der Verdunstungswärmestrom ermittelt wird.

LE = Rn H + G +

Der Tageswert der Verdunstung errechnet sich dann wie folgt:

hV =LE

L[ ]mm

L = 28,9 0,028 T

w

m²

mm

Verdunstungsmessung

LE: latenter Wärmestrom

Rn: Nettostrahlung

H: fühlbarer Wärmestrom

G: Bodenwärmestrom

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Die Formel von Penman gilt als die bekannteste und beste Näherungsformel für die potentielle Verdunstung.

hierbei sind:

ξ = temperaturabhängiger Faktor

Q = Strahlungsbilanz

v = Einflussfaktor der Windgeschwindigkeit

(EL-eL) = Sättigungsdefizit der Luft

Die Penman Formel ist gültig für Flächen mit unbegrenzter Wasserzuführung (z.B. offene Wasserflächen)

)e(Eνζ)(1QζW LL -××-+×=

Penman Formel

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Das Verfahren ermöglicht die Berechnung von Tages- und Monatswerten der potentiellen Evapotranspiration.

ETPHaude = f ( )e s ( )T e 14

mm

d

eS(T) – e Sättigungsdefizit der Luft mit Wasserdampf in hPa zum

Messzeitpunkt (14:30 MEZ)

f zeitvarianter Haudefaktor

Haude Formel

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Auf der Basis der Messwerte der Lufttemperatur, der Sonnen-scheindauer und der relativen Luftfeuchte erfolgt bei diesem Ansatz die rechnerische Ermittlung von Tageswerten für die potentielle Evapotranspiration.

ETPTurc = 0,0031 C ( )Rg 209 + T

T 15 +

mm

d

Rg Globalstrahlung [J/cm²]

T Tagesmittelwert der Lufttemperatur [C°]

C Faktor in Abhängigkeit der mittleren Luftfeuchte

Die Anwendung dieser Methode kann nicht bei negativen Tagestemperaturen erfolgen.

Turc Verfahren

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Diese Methode (die für den praktischen Einsatz ungeeignet ist) ermit-telt die Verdunstungshöhe hV durch die direkte Messung der relativen Luftfeuchtigkeit in der Vertikalen sowie der Windgeschwindigkeit.

Das Ergebnis ist nur belastbar, wenn die Messgrößen in hoher zeitlicher Detaillierung (kurze Messintervalle) vorliegen.

Bildquellen: Thies Clima

Wasserdampfstrommethode