Ulrich Maniak

Schnee und Eis

Schnee bildet in gebirgigen und polaren Gebieten einen kennzeichnenden Teil des Wasserkreislaufs. Weltweit sind 23% der Erdoberflache bzw. 50% der Landflache permanent oder zeitweise mit Schnee bedeckt. Masgebend fur das Auftreten von Schneefall an der Erdoberflache sind die Hohe der 0 °-Grenze in der Atmosphare sowie die Hohenlage des Einzugsgebiets. Die raumliche Verteilung des Schnees ist stark an die Hohenlage gekoppelt. Die Bildung einer Schneedecke hangt auserdem vom Zustand des Bodens und dem Landschaftscharakter ab. Auf die Hohe der Schneedecke (Schneehohe) hat die Orographie Einfluss, da auf der Luvseite eines Gebirges im Allgemeinen mehr Niederschlag fallt. Fur die Erhaltung der Schneedecke ist neben den Niederschlagen und der Lufttemperatur die Exposition von Bedeutung, da sie bei erhohter Einstrahlung ein schnelleres Abschmelzen oder Verdunsten der Schneedecke bewirkt. Sinken die mittleren Monatstemperaturen nicht unter 10 °C, liegt der Schneeanteil am Niederschlag unabhangig von der Hohenlage unter 10%.

Ökonomische Grundlagen und Bewertungsmaßstäbe von wasserwirtschaftlichen Systemen

Der fur die Wirtschaftlichkeitsberechnung masgebliche Untersuchungszeitraum beginnt fruhestens mit dem Planungsbeginn und endet beim Planungshorizont. Diese Zeitspanne wird auch als Kalkulationsperiode oder kalkulatorische Lebensdauer bezeichnet. Der Untersuchungszeitraum soll die Zeitspanne umfassen, innerhalb der die yom Projekt hervorgerufenen Kosten zu berucksichtigen sind. Er reicht yom Beginn der Investitionsphase bis zum Ende der Betriebsphase (Bild 3.1). Wahrend des gesamten Untersuchungszeitraums fallen Kosten als Kostenstrom an, Nutzen in der Regel erst nach der letzten Investition oder Betriebsbeginn. Investition ist die Geldverwendung, Finanzierung die Geldbeschaffung.

Der Wasserhaushalt und Beobachtung einzelner Komponenten

Zum Niederschlag zahlen alle Kondensationsprodukte, die aus der Atmosphare zum Boden gelangen. Niederschlage entstehen, wenn feuchte Luft unter ihren Taupunkt abkuhlt und anschliesend Kondensation einsetzt. In Mitteleuropa enthalten die unter 3 bis 3 km der Lufthulle etwa die Halfte des atmospharischen Wassers, was im Mittel einer Niederschlagssumme von 20 mm entspricht. Die Kondensation des Wasserdampfes in der Atmosphare fuhrt zur Bildung von Wolken durch Hebung der Luftmassen. Die mit der Hebung verbundene Abkuhlung von rd. 1 K pro 100 Hohenmeter (trockenadiabatischer Tenperaturgradient) fuhrt zu einer Verringerung der Dampfspannung und Zunahme des relativen Feuchtegehalts. In der Kondensationshohe hat die relative Luftfeuchtigkeit 100%. Werden gleichzeitig Kondensationskerne, z.B. kleine Staubpartikel, in der Luft angetroffen, kann es durch Zusammenlagerung von Wassermolekulen zur Bildung von Dunsttropfchen kommen. Zur Entstehung eines Regentropfens ist die Zusammenlagerung von etwa einer Million Wolkentropfchen erforderlich. Beim Absinken der Regentropfen in eine Wolke vergrosern sie sich durch Anlagerung anderer Wasserteilchen, zerplatzen oder fallen durch die Wolke als Spruh- oder Nieselregen mit Tropfendurchmesser von < 0,5 mm Durchmesser. Die physikalischen Grundlagen des Niederschlagsprozesses sind in [2.1, 2.2] behandelt.

Anpassung von Verteilungsfunktionen an hydrologische Daten

Wenn der Ablauf eines hydrologischen Prozesses bzw. die Ergebnisse von Beobachtungen als Folge von Zufallsvariablen aufgefast werden, unterliegen alle Beobachtungen einer Wahrscheinlichkeitsverteilung. Der Umfang aller Beobachtungen wird als Stichprobe oder Kollektiv bezeichnet, z. B. die (taglichen) Wasserstandsablesungen an einem Pegel, die aus der Grundgesamtheit, also den unendlich vielen Wasserstanden entnommen sind. Dabei wird ein wesentliches Merkmal (hier: Wasserstand) benutzt, um Stichprobe und Grundgesamtheit zu beschreiben. Wird auserdem die Zeitabhangigkeit der hydrologischen Grose berucksichtigt, spricht man meist von einer stochastischen Grose, sonst von einer statistischen Grose. Eine Stichprobe umfasst N Beobachtungen, die verfugbare sind und in der Grundgesamtheit, die alle Beobachtungen umfasst und erwartungstreue Parameter (englisch unbiased Parameter) liefert, enthalten ist. Eine Zufallsvariable ist der Wert der nachsten Beobachtung bei der Messung einer hydrologischen Grose. Eine systematische Storung (bias) - im Gegensatz zur zufallsbedingten Storung – einer Statistik ist das Ergebnis der Beobachtungsprozedur. Sie kann nicht durch vermehrte Beobachtungen beseitigt werden. Statistik ist eine realisierte Quantitat; sie wird aus Daten gewonnen, welche die Grundgesamtheit reprasentieren. Ein Parameter ist eine idealisierte Grose, die mit der Grundgesamtheit assoziiert wird und durch die Statistik als Schatzwert ermittelt wird. Die Genauigkeit der Reproduzierbarkeit eines Messwertes ist eine Funktion der Messgenauigkeit und des systematischen Fehlers.

Gewässergüte stehender und fließender Gewässer und Gewässerschutz

Stehende oder Still- oder Standgewasser sind Seen oder Talsperren, d.h. oberirdische Suswasserkorper von meist groserer Tiefe, die ringsum von Land umgeben sind und keine direkte Verbindung zum Meer haben. Zwischen Still- oder Standgewasser und Fliesgewasser (Fluss) bestehen hydraulische, hydrologische und okologische Unterschiede. Im Fluss bestimmen hauptsachlich Gefalle, hydraulische Rauhheit, Durchflussquerschnitt und Abfluss das Fliesen in Form einer fast horizontalen Stromung. Infolge Turbulenz ist die Wassertemperatur annahernd im gesamten Durchflussquerschnitt gleich. Flusse andern ihr hydraulisches Verhalten langs ihres Laufes mit entsprechenden Auswirkungen auf Hydrobiologie und Hydrochemie.

Niederschlag-Abfluss-Modelle für Hochwasserabläufe

Hydrologische Erscheinungen, wie der Ablauf von Hochwasserwellen, konnen nach Methoden der Systemanalyse untersucht werden. Als ein hydrologisches System kann im Allgemeinen ein materielles Gebilde in der Natur aufgefasst werden, z. B. das Einzugsgebiet eines Flusses. Streng genommen gehoren alle hydrologischen Systeme zu nicht linearen, zeitvarianten Systemen mit verteilten Parametern. Zwar konnten mit linearen zeitinvarianten Systembeschreibungen zufriedenstellende Ergebnisse erreicht werden durch Einteilung eines Flusses in Abschnitte, jedoch sind die Laufzeiten von Hochwassern von der Wellenhohe und –form abhangig, so dass die linearen Systemmodelle zu charakteristischen Abweichung der simulierten und beobachteten Werte fuhren.

Aufbereitung und erste Auswertung der hydrologischen Beobachtungen

Die erfolgreiche Losung wasserwirtschaftlicher Aufgaben erfordert leichtzugangliche, verlassliche und einschlagige hydrologische Beobachtungswerte uber die Teilprozesse des hydrologischen Kreislaufs (Abb. 3.1). Die Aufgaben, die sich mit dem Grad der wasserwirtschaftlichen Entwicklung verschieben, erfordern meist im Laufe der Zeit eine Erweiterung der Daten im Hinblick auf die zu beobachtenden Phanomene, die Beobachtungsfrequenz und die Netzdichte. So sind in einem wasserwirtschaftlich entwickelten Land im humiden Klimabereich hochaufgeloste Daten fur die Wasserver- und -entsorgung und den Hochwasserschutz notig. Bereits bei der Planung von Einrichtungen zur Erfassung, Ubertragung und Aufbereitung von hydrologischen Daten sollte ihre kunftige Nutzung berucksichtigt werden. Zwecks einer Vereinheitlichung bestehen Richtlinien fur die Datenerfassung und –aufbereitung [1–3]. Fur das hydrologische Ubertragungsverhaltens eines Einzugsgebiets werden zusatzliche Informationen uber seine physikalischen Eigenschaften benotigt. Im Hinblick auf eine Systemanalyse lassen sich Daten in hydrologische und meteorologische Daten, physiographische Parameter und Prozessparameter klassifizieren [4]. Dazu zahlen auch die Daten uber die Gewassergute.

Einführung Hydrologie und Wasserwirtschaft

Die Hydrologie ist die Wissenschaft vom Wasser, seinen Erscheinungsformen uber, auf und unter der Landoberflache und seinen Eigenschaften sowie seinen naturlichen Zusammenhangen. Wasser ist dabei die Sammelbezeichnung fur alle in der Natur vorkommenden Arten von Wasser einschlieslich aller darin gelosten, emulgierten und suspendierten Stoffe. Entsprechend dem internationalen Sprachgebrauch bezieht sich die Hydrologie auf das Wasser des Festlands und grenzt sich dadurch zur Ozeanographie ab.

Wärmebelastung von Gewässern

Der Warmehaushalt der Gewasser ist ein wichtiges Bindeglied zwischen der mengen- und guteorientierten Wasserwirtschaft. Eingriffe in das Gewasser wie Kuhlwassereinleitungen, die eine Veranderung der Wassertemperatur nach sich ziehen, mussen in wasserwirtschaftlicher Hinsicht aus ganzheitlicher, alle Okofaktoren berucksichtigender Sicht beurteilt und begrenzt werden, damit die Gewasser ihre vielfaltigen Funktionen auch kunftig sicher erfullen konnen. Neben der Gewassertemperatur dienen der Sauerstoffhaushalt sowie der biologische bzw. chemische Zustand als Kriterien bei der Beurteilung von Warmeeinleitungen. Bezuglich dieser und weiterer limnologischer Fragen wird auf die Literatur verwiesen [8.1 – 8.6].

Bemessung und Betrieb von Talsperren und Hochwasserrückhaltebecken

Der Ausgleich zwischen dem unregelmasig schwankenden naturlichen Wasserdargebot und dem ortlich nach Menge und Nutzungsform stark wechselnden Wasserbedarf des Menschen fur seine vielseitigen Bedurfnisse wird durch die Wasserbewirtschaftung erreicht (Bild 7.1). Als wichtiges technisches Mittel werden hierfur Speicher eingesetzt. Die Ermittlung der Bemessungsgrosen und die Aufstellung von Betriebsplanen fur Talsperren erfordern umfangreiche hydrologische und wasserwirtschaftliche Untersuchungen. So muss nicht nur das mittlere Verhalten von Wasserdargebot und Bedarf berucksichtigt werden, sondern auch extreme Beanspruchungen sind unter Beachtung ihres zeitlichen Auftretens in die Untersuchung einzubeziehen und ihre Auswirkung auf den Wasserhaushalt aufzuzeigen.