1 Vorlesung Hydrologie I Fred F. Hattermann (Vertr. Prof. Axel Bronstert) Übung: Maik Heistermann Do 8.15-9.45 Haus 12 [email protected] SS 2014

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Vorlesung Hydrologie I

Fred F. Hattermann (Vertr. Prof. Axel Bronstert)Übung: Maik Heistermann

Do 8.15-9.45Haus 12

[email protected]

SS 2014

Das gesamte Modul umfasst 9 LP:

- VL/Ü Hydrologie - Mittelseminar Hydrologie - VL/Ü Gewässerhydraulik

Modulprüfung ist eine Klausur zur Hydrologie. Teilnahmevoraussetzung dafür sind die Hausaufgaben in Gewässerhydraulik.

Teilnahmevoraussetzungen: keine

Modulbeschreibung für die Hydrologie http://www.geo.uni-potsdam.de/tl_files/studium/geoecology/bsc/Modulhandbuch_BSc_2014-03.pdf

http://www.geo.uni-potsdam.de/tl_files/studium/geoecology/bsc/Modulhandbuch_BSc_2014-03.pdf

http://www.geo.uni-potsdam.de/tl_files/studium/geoecology/bsc/Modulhandbuch_BSc_2014-03.pdf

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Inhalts- und Terminübersicht

1. VL 10.04.14 Einführung2. VL 17.04.14 Wasserkreislauf3. VL 24.04.14 Strahlung

(1.5.14 Feiertag)

4. VL 08.05.14 Komponenten und Prozesse des Wasserkreislaufs5. VL 15.05.14 Niederschlag I6. VL 22.05.14 Niederschlag II

(29.05.14 Feiertag)

7. VL 05.06.14 Verdunstung

4


8. VL 12.06.14 Versickerung9. VL 19.06.14 Infiltration10. VL 26.06.14 Abfluss I11. VL 03.07.14 Abfluss II12. VL 10.07.14 Einheitsganglinie I13. VL 17.07.14 Einheitsganglinie II

• Geschichte der Hydrologie• Definition von Hydrologie und

Wasserwirtschaft• Aufgaben der wasserwirtschaftlichen Planung• Beispiele

Gliederung Vorlesung I

„Das Prinzip aller Dinge ist das Wasser.Aus Wasser ist allesund ins Wasser kehrt alles zurück“

(Thales von Milet, 600 v. Chr.)

„panta rhei“ (griechisch πάντα ῥεῖ, „Alles fließt“)-> Heraklit, ~520 v. Chr

Einführung1.1 Geschichte der Hydrologie


• Starke Verankerung in Religionen (Sintflut, Taufe, rituelle Waschungen)

• Fast alle frühen Hochkulturen entstanden an Flüssen oder in Flussdeltas

• Schon früh Probleme mit Wasserextremen, Versalzung, Erosion etc.

Nilometer auf der Insel Roda in Kairohttp://de.wikipedia.org/wiki/Nilometer

Jahr v. Chr. kg/ha Gesamtertrag Verhältnis Weizen/Gerste

3500 unbekannt 1:12400 2400 1:62100 1000 1:501700 700 nur Gerste

Getreideanbau in Mesopotamien Bewässerung / Versalzung(Gerste ist salztoleranter als Weizen)


http://de.wikipedia.org/wiki/Geschichte_der_Wassernutzung

Z.B. Rom:Auf lange Strecken wurden Druckleitungen vermieden (nur Gefälle - Aquädukte), auf kurzen Strecken gab es aber ein Druckleitungsnetz

http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Roman_aqueduct_Tarragona.jpg



• 1674: Erste Abflussmessungen an der Seine durch Perrault und Edmé

• 1452-1519: Leonardo Da Vinci (verschiedene Studien zur Hydraulik)

• 1510-1590: Bernard Palissy (artesische Brunnen)

• 1611-1680: Pierre Perrault „De l‘orgines des fonaines“

• 18. Jahrhundert: Weiterentwicklungen in der Regen- und in der Abflussmessung

• 1717: erste Abflussmessungen in Deutschland

• Dalton (1766-1844): erste Wasserhaushaltsberechnungen und Definition des Verdunstungsgesetzes

• Darcy-Gesetz (-> Henry Darcy): Gesetzmäßigkeit der Strömungsmechanik

In Deutschland war der Begriff Hydrologie bis in die 1960er Jahre nicht klar definiert. Impuls kam 1963 aus dem Ausland -> „internationale Hydrologische Dekade“ (IHD) der UNESCO (1965 bis 1974). Hydrologie war laut DFG (Deutschen Forschungsgemeinschaft ) im Vergleich zu anderen Ländern in Deutschland völlig rückständig und bedarf für eine Mitarbeit in internationalen Rahmen besonderer Förderung.In den späten 1970er Jahren Studiengang Physische Geographie mit Vertiefung und Abschluss in Hydrologie an der Universität Freiburg ins Leben gerufen. Am 23. September 2011 fand in Koblenz die Gründungs- und erste Mitgliederversammlung der Deutschen Hydrologischen Gesellschaft (DHydroG) statt.


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Einführung1.1 Definition von Hydrologie und Wasserwirtschaft

DIN 4049:

Hydrologie: Wissenschaft vom Wasser, seinen Eigenschaften und seinen Erscheinungsformen auf und unter der Landoberfläche

Wasserwirtschaft: Zielbewußte Ordnung aller menschlichen Einwirkungen auf das ober- und unterirdische Wasser

Wasserkreislauf: Ständige Folge der Zustands- und Ortsänderungen des Wassers mit den HauptkomponentenNiederschlag, Abfluß, Verdunstung und atmosphärischerWassertransport

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Aufgaben der Wasserwirtschaft:1. Bewässerung der Landwirtschaft2. Wasserversorgung (Trinkwasser, Brauchwasser)3. Abwasserbehandlung4. Flussregulierung (Hochwasserschutz, Niedrigwasseraufhöhung,

Renaturierung)5. Melioration/Drainage6. Wasserkraftnutzung7. Schifffahrt8. Fischereiwirtschaft9. Erholung

1820

1870

1990

Der Oberrhein bei BreisachOberrhein nördlich von Basel (Isteiner Klotz) um 1800

(Gemälde von Peter Birrmann, Kunst-museum Basel)

Wasserstraße Rhein nördlich Breisach

Bronstert (2005)


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Wasserwirtschaftliche Planung

Dargebot

Entscheidung

Bedarf

VerteilungPlanung Bau, Betriebe

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Trinkwasser- verbundsystem der Harz- wasserwerke



194. April 2013


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50-60 % Uferfiltrat

10 % künstliche GW-Neubildung

30-40 % natürliche GW-Neubildung

360 Mio. m³/a Grundwasserförderung, davon

Rupelton

Mergelschicht

künstliche GW-Beubildung

Uferfiltrat



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Einführung1.1 Definition von Hydrologie und Wassertwirtschaft

Aufgaben der Wasserwirtschaft:

→ Aufgaben teilweise komplimentär, teilweise divergierend

→ Integrierte überregionale Herangehensweise ist erforderlich

→ Mehrfachnutzung anstreben

→ Zukünftige Entwicklung von Wasserdargebot und -bedarf beachten

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Einführung1.2 Aufgaben der wasserwirtschaftlichen Planung

1.2.1 Nationale Einrichtungen

Gesetzgebung

Das Wasserrecht umfaßt die Vorschriften, die zur rechtlichen Ordnung des Wasserhaushaltes erlassen sind. Es enthält Regeln für die Bewirtschaftung des in der Natur vorhandenen Wassers nach Menge und Güte. Seine Schwerpunkte sind der Schutz des Wassers vor Beeinträchtigung, Regelung über die Benutzung der Gewässer sowie Vorkehrungen gegen Gefahren, die vom Wasser drohen.

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BUND• Aufgabe der Rahmengesetzgebung• Verwaltung der bundeseigenen Anlagen: Bundeswasserstraßen,

bundeseigene HäfenRahmengesetzgebung nach Art. 75 Nr. 4 Wasserhaushaltsgesetz (WHG): Die Gewässer sind als Bestandteil des Naturhaushalts so zu bewirtschaften, daß sie dem Wohl der Allgemeinheit und im Einklang mit ihm auch dem Nutzen Einzelner dienen, und daß jede vermeidbare Beeinträchtigung unterbleibt §1a Abs. 1. WHG u.a. Gesetz über die Umweltverträglichkeitsprüfung Abwasserabgabengesetz Wassersicherstellungsgesetz Gesetz über die Umweltverträglichkeit von Wasch- und Reinigungsmitteln Bundeswasserstraßengesetz

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Einführung

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LAND Aufgabe der Länder ist die Grundlagenbeschaffung, also insbesondere die

Meßdienste für die darauf aufbauenden wasserwirtschaftlichen Planungen (Sammlung von Grundwasser- und Abflußdaten bezüglich Menge und Güte) sowie die Wahrnehmung der hoheitlich regelnden Verwaltung, insbesondere Zulassung und Überwachung.

Landeswassergesetze

WASSERBEHÖRDEN- Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit:Abteilung WA: Wasserwirtschaft, Abfallwirtschaft, Bodenschutz

- Umweltbundesamt: „Fachbereich II Gesundheitlicher Umweltschutz, Schutz der Okosysteme“

- Abt. II 2: Wasser- Abt. II 3: Trink- und Badebeckenwasserhygiene- Abt. II 4: Boden

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WASSERBEHÖRDEN- Bundesministerium für Forschung und Bildung (BMBF)- Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft und Verbraucherschutz (BMELV):

- Biologische Bundesanstalt für Land- und Forstwirtschaft- Bundesministerium für Verkehr:

Abteilung WS: Wasserstraßen und Schifffahrt- Bundesanstalt für Wasserbau (BAW)- Bundesanstalt für Gewässerkunde (BfG)- Bundesamt für Schifffahrt und Hydrographie (BSH)- Wasser- und Schifffahrtsdirektionen- Wasser- und Schifffahrtsämter- Deutscher Wetterdienst (DWD)

- Bundesministerium für Wirtschaft (BMW):- Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe (BGR)- Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM)

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Länderbeispiel Baden-Württemberg

Oberste Wasserbehörde: Umweltministerium Baden-Württemberg Fachdienststelle: Landesamt für Umweltschutz, Messungen und Naturschutz Baden-Württemberg (LUBW)Höhere Wasserbehörde: Regierungspräsidien (Karlsruhe, Freiburg, Tübingen, Stuttgart)Untere Wasserbehörde: Stadt- und Landkreise, Amt für Umweltschutz Technische Fachbehörde: Ämter für Wasserwirtschaft und Bodenschutz (ab Juli 1995 Landratsämter und Flußbaudirektionen) Kommunen und Wasserverbände (Selbstverwaltung)

Neue Bundesländer z.B. Sachsen-Anhalt

Ministerien für Umwelt und Naturschutz Landesamt für Umweltschutz (LAU) Bezirksregierung Staatliches Amt für Umweltschutz

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Z.B. Brandenburg

Ministerium für Ländliche Entwicklung, Umwelt und Verbraucherschutz (MLUV) mit der zuständigen Abteilung:

- Abt. 6: Wasser- und Bodenschutz- Ref 61: Grundsatzfragen Wasser- und Bodenschutzangelegenheiten- Ref 62: Wasserwirtschaft und Gewässerschutz- Ref 63: Wasserversorgung, Abwasserbehandlung, Schuldenmanagement, Altlasten- Ref 64: Hochwasserschutz, Wasserbau, Gewässerunterhaltung- Ref 65: Boden und Umweltgeologie

Landesumweltamt (LUA) Brandenburg ist eine wissenschaftlich-technische Landesoberbehörde, die der Dienst- und Fachaufsicht des MLUV untersteht. Die Dienststelle befindet sich in Potsdam mit Aussenstellen in Cottbus und Frankfurt/Oder. Zuständige Abteilung ist:

- Abt. ONW: Ökologie, Naturschutz, Wasser

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Berlin:

Senatsverwaltung für Gesundheit, Umwelt und Verbraucherschutz:- Abt II: Integrativer Umweltschutz:

- IID Gewässerschutz

- IIE Wasserwirtschaft, Wasserrecht, Geologie

Andere Bundesländer z.B. Niedersachsen / Nordrhein-Westfalen:

Umweltministerium/Ministerium für Umwelt, Raumordnung und Landwirtschaft

Landesamt für Ökologie/Wasser- und Abfall (LAWA) Bezirksregierungen/Regierungspräsident Staatliche Ämter für Wasser und Abfall (StAWA)/Wasser und

Abfallwirtschaft


Wer hat das Sagen?DFG-Forschergruppe „Internationale Verwaltung. Entstehung und Entwicklung von Verwaltungsmustern und ihr Einfluss auf die internationale Politikgestaltung“

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1.2.2 Internationale Einrichtungen

Europäische UnionSeit dem 14. Sept. 2001 gilt in den Staaten der Europäischen Union die EU-Wasserrahmenrichtlinie: Richtlinie des Rates zur Schaffung eines Ordnungsrahmens für Maßnahmen der Gemeinschaft im Bereich der Wasserpolitik - Wasserrahmenrichtlinie (WRRL) Bewirtschaftungspläne für ganze Flusseinzugsgebiete den Schutz und die Verbesserung der aquatischen Ökosysteme die Förderung einer nachhaltigen Nutzung der Wasserressourcen eine stetige Verringerung der Gewässerverschmutzung durch gefährliche

Stoffe entsprechend den Meeresschutzabkommen eine Verminderung der ökologischen Auswirkungen von Hochwasser und

Dürren

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EU-Wasserrahmenrichtlinie: Richtlinie zur Schaffung eines Ordnungs- rahmens für Maßnahmen der Gemeinschaft im Bereich WasserpolitikZiel: Erhaltung und Verbesserung der Qualität aquatischer Lebensräume und

des Grundwassers ->guter ökologischer und chemischer ZustandInkrafttreten: Dezember 2000Links: http://ec.europa.eu/environment/water/water-framework

Zeitplan:

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EU-Hochwasserrichtlinie: Richtlinie über die Bewertung und das Management von HochwasserrisikenZiel: Verringerung der hochwasserbedingten Risiken für Menschen, Eigentum

und UmweltInkrafttreten: November 2007Links: http://ec.europa.eu/environment/water/flood_risk/key_docs.htm

Zeitplan:

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1.2.2.2 Andere Internationale Einrichtungen und Programme

WMO UNESCO: IHP, OHP International Geosphere and Biosphere Programm (IGBP) World Climate Research Program (WCRP) International Decade for Natural Disaster Reduction (IDNDR) verschiedene internationale Einrichtungen zur Bewirtschaftung großer

Flußgebiete ...

Beispiele

Nicht genug Wasser:

Sommer 2003

Nicht genug Wasser

„Badlands“ in Spanien

Wasserqualität:

Albenblüte

Zu viel Wasser:

Elbe-Hochwasser 2013

Zu wenig Wasser:

Sommer 2002

Lokale Wasserbilanz in Potsdam:

Niederschlag in Potsdam ~600mmVerdunstung in Potsdam ~500mmDer Rest (~100 mm) fließt über die Flüsse zum Meer

Daraus folgt: eine Niederschlagsänderung von 10% des Niederschlags oder der Verdunstung entspricht ca. 50% des Abflusses.

(25mm/a Niederschlag / Verdunstung entsprechen ~110m3/s Abfluss am Elbepegel Neu Darchau)

Beispiele

Beispiele

41

Beispiele

Aralsee

42

Beispiele

43Quelle: NASA 2002

Beispiele

44.Źródło: 2011 Münchener Rückversicherungs-Gesellschaft, Geo Risks Research, NatCatSERVICE –January 2011

Geophysikalische Ereignisse

Erdbeben, Vulkanausbrüche

Meteorologische Ereignisse

Tropische Stürme, Winterstürme,

Hagel, Tornados, Unwetter

Hydrologische Ereignisse

Sturzflut, Flussüberschwemmungen,

Sturmflut, Erdrutsch

Klimatologische Ereignisse

Hitze- Kältewelle, Waldbrand,

Dürre

Beispiele

NO3-N

0.01.02.03.04.05.06.0

1981

1983

1985

1987

1989

1991

1993

1995

1997

1999

[mg/

l]

SchmilkaZollenspieker

PO4-P

00.05

0.10.15

0.20.25

0.3

1981

1983

1985

1987

1989

1991

1993

1995

1997

1999

[mg/

l]

SchmilkaZollenspieker

Schmilka

Zollenspieker

Beispiele

Beispiele

(Fischer 2006)

Beispiele

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1.3 Allgemeine Literatur zu Hydrologie und WasserwirtschaftBaumgartner, A. & Liebscher, H.J. (1996): Allgemeine Hydrologie: quantitative Hydrologie, 2. Auflage; Borntraeger, BerlinBretschneider, Lecher, Schmidt (Herausgeber) (1993): Taschenbuch der Wasserwirtschaft, 7. Auflage; Parey Verlag, BerlinDeutsches Institut für Normung (1992): DIN 4049-1, Ausgabe: 1992-12, Hydrologie; Grundbegriffe. Beuth Verlag, KölnDingman, S.L. (1994): Physical Hydrology; Macmillan Publishing Company, New YorkDyck, S. & Peschke, G. (1995): Grundlagen der Hydrologie, 3. Auflage; Verlag für Bauwesen, BerlinEagelson, P.S. (1970): Dynamic Hydrology; Mc Graw Hill, New YorkMaidment, D.R. (1993): Handbook of Hydrology; McGraw-Hill, New YorkManiak, U. (1997): Hydrologie und Wasserwirtschaft. Eine Einführung für Ingenieure, 4. Auflage; Springer, BerlinWard, R.C. & Robinson, M. (1990): Principles of Hydrology, 3. Auflage; McGraw-Hill, London

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1. VL 10.04.14 Einführung2. VL 17.04.14 Wasserkreislauf3. VL 24.04.14 Strahlung

(1.5.14 Feiertag)

4. VL 08.05.14 Komponenten und Prozesse des Wasserkreislaufs5. VL 15.05.14 Niederschlag I6. VL 22.05.14 Niederschlag II

(29.05.14 Feiertag)

7. VL 05.06.14 Verdunstung

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8. VL 12.06.14 Versickerung9. VL 19.06.14 Infiltration10. VL 26.06.14 Abfluss I11. VL 03.07.14 Abfluss II12. VL 10.07.14 Einheitsganglinie I13. VL 17.07.14 Einheitsganglinie II

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Einführung

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Einführung

Documents

1 Vorlesung Hydrologie I Fred F. Hattermann (Vertr. Prof. Axel Bronstert) Übung: Maik Heistermann Do 8.15-9.45 Haus 12 [email protected] SS 2014