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2016 | Book

Einführung Hydrologie und Wasserwirtschaft Read chapter Read first chapter

Hydrologie und Wasserwirtschaft

Eine Einführung für Ingenieure

Author: Ulrich Maniak

Publisher: Springer Berlin Heidelberg

Part of: Springer Professional "Wirtschaft+Technik" , Springer Professional "Technik" , Springer Professional "Wirtschaft"

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About this book

Die aktualisierte und überarbeitete 7. Auflage des Fachbuchs Hydrologie und Wasserwirtschaft beschreibt hydrologische Grundlagen und Lösungsansätze für Aufgaben in der Wassermengen- und -gütewirtschaft und im Gewässerschutz.

Erweitert wurden die Verfahren der Abflussermittlung und Datenverarbeitung sowie die Ermittlung von Bemessungswerten für Wasserbauten und ihren Betrieb mit Flussgebietsmodellen, auch unter Einfluss des Klimawandels, der Risikobetrachtungen für ihr Versagen und der Durchflussvorhersage. Ergänzt wurden Stoffbilanz- und -transportmodelle zur Prognose der Gewässergüte bei Sanierungsmaßnahmen. Die Interpretation der Ergebnisse wird durch zahlreiche Praxisbeispiele veranschaulicht. Die Neuauflage ist ein unverzichtbares Arbeitsbuch, genau und aktuell auf die Praxis des Ingenieurs zugeschnitten.

Table of Contents

Frontmatter
1. Einführung Hydrologie und Wasserwirtschaft
Zusammenfassung
Die Hydrologie ist die Wissenschaft vom Wasser, seinen Erscheinungsformen über, auf und unter der Landoberfläche und seinen Eigenschaften sowie seinen natürlichen Zusammenhängen. Wasser ist dabei die Sammelbezeichnung für alle in der Natur vorkommenden Arten von Wasser einschließlich aller darin gelösten, emulgierten und suspendierten Stoffe. Entsprechend dem internationalen Sprachgebrauch bezieht sich die Hydrologie auf das Wasser des Festlands und grenzt sich dadurch zur Ozeanographie ab.
Ulrich Maniak
2. Der Wasserhaushalt und Beobachtung einzelner Komponenten
Zusammenfassung
Zum Niederschlag zählen alle Kondensationsprodukte, die aus der Atmosphäre zum Boden gelangen. Niederschläge entstehen, wenn feuchte Luft unter ihren Taupunkt abkühlt und anschließend Kondensation einsetzt. In Mitteleuropa enthalten die unteren 2 km der Lufthülle etwa die Hälfte des atmosphärischen Wassers, was im Mittel einer Niederschlagssumme von 20 mm entspricht. Die Kondensation des Wasserdampfes in der Atmosphäre führt zur Bildung von Wolken durch Hebung der Luftmassen. Die mit der Hebung verbundene Abkühlung von rd. 1 K pro 100 Höhenmeter (trockenadiabatischer Temperaturgradient) führt zu einer Verringerung der Dampfspannung und Zunahme des relativen Feuchtegehalts. Der adiabatische Gradient feuchter Luft ist geringer; überschläglich kann er mit ≤ 6,5 °C km−1 angenommen werden.
Ulrich Maniak
3. Aufbereitung und erste Auswertung der hydrologischen Beobachtungen
Zusammenfassung
Die erfolgreiche Lösung wasserwirtschaftlicher Aufgaben erfordert leichtzugängliche, verlässliche und einschlägige hydrologische Beobachtungswerte über 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 Phänomene, die Beobachtungsfrequenz und die Netzdichte. So sind in einem wasserwirtschaftlich entwickelten Land im humiden Klimabereich hochaufgelöste Daten für die Wasserver- und -entsorgung und den Hochwasserschutz nötig. Bereits bei der Planung von Einrichtungen zur Erfassung, Übertragung und Aufbereitung von hydrologischen Daten sollte ihre künftige Nutzung berücksichtigt werden. Zwecks einer Vereinheitlichung bestehen Richtlinien für die Datenerfassung und –aufbereitung [1–3]. Für das hydrologische Übertragungsverhaltens eines Einzugsgebiets werden zusätzliche Informationen über seine physikalischen Eigenschaften benötigt. Im Hinblick auf eine Systemanalyse lassen sich Daten in hydrologische und meteorologische Daten, physiographische Parameter und Prozessparameter klassifizieren [4]. Dazu zählen auch die Daten über die Gewässergüte.
Ulrich Maniak
4. Anpassung von Verteilungsfunktionen an hydrologische Daten
Zusammenfassung
Wenn der Ablauf eines hydrologischen Prozesses bzw. die Ergebnisse von Beobachtungen als Folge von Zufallsvariablen aufgefasst werden, unterliegen alle Beobachtungen einer Wahrscheinlichkeitsverteilung. Der Umfang aller Beobachtungen wird als Stichprobe oder Kollektiv bezeichnet, z. B. die (täglichen) Wasserstandsablesungen an einem Pegel, die aus der Grundgesamtheit, also den unendlich vielen Wasserständen entnommen sind. Dabei wird ein wesentliches Merkmal (hier: Wasserstand) benutzt, um Stichprobe und Grundgesamtheit zu beschreiben. Wird die Zeitabhängigkeit der hydrologischen Größe berücksichtigt, spricht man meist von einer stochastischen Größe, sonst von einer statistischen Größe. Eine Stichprobe umfasst N verfügbare Beobachtungen aus einer Grundgesamtheit, die alle Beobachtungen umfasst und erwartungstreue Parameter (unbiased parameters) liefert. Eine Zufallsvariable ist z. B. der nächste Beobachtungswert einer hydrologischen Größe.
Ulrich Maniak
5. Abhängigkeiten von Zufallsvariablen und Zeitreihenmodelle
Zusammenfassung
Die Korrelationsanalyse untersucht stochastische Zusammenhänge zwischen gleichwertigen (normal verteilten) Zufallsvariablen. Maß für die Straffheit des linearen Zusammenhanges ist der Korrelationskoeffizient; dabei kann sowohl von der ersten auf die zweite Variable geschlossen werden als auch umgekehrt. Eine Abhängigkeit nach Ursache und Wirkung wird bei voneinander abhängigen Kollektiven angenommen und durch die Regression ausgedrückt. Wird die Variable y als abhängige und die andere x als unabhängig aufgefasst, handelt es sich um eine Regression von y bezüglich x. Eine Abgrenzung der Begriffe Korrelation als Zusammenhang der Grundgesamtheit und Regression als Zusammenhang der Stichprobe wird nicht vorgenommen. Durch die Regression kann über die Eintrittshäufigkeit der Werte keine Aussage gemacht werden.
Ulrich Maniak
6. Niederschlag-Abfluss-Modelle für Hochwasserabläufe
Zusammenfassung
Hydrologische Erscheinungen, wie der Ablauf von Hochwasserwellen, können 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 gehören 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 Wellenhöhe und –form abhängig, so dass die linearen Systemmodelle zu charakteristischen Abweichung der simulierten und beobachteten Werte führen.
Ulrich Maniak
7. Bemessung und Betrieb von Talsperren und Hochwasserrückhaltebecken
Zusammenfassung
Der Ausgleich zwischen dem unregelmäßig schwankenden natürlichen Wasserdargebot und dem örtlich nach Menge und Nutzungsform stark wechselnden Wasserbedarf des Menschen für seine vielseitigen Bedürfnisse wird durch die Wasserbewirtschaftung erreicht. Als wichtiges technisches Mittel werden hierfür Speicher eingesetzt. Bei Talsperren wird für den Aufstau das gesamte Tal herangezogen, das auf der gesamten Talbreite durch die Stauanlage abgeschlossen wird. Der Speicher vergleichmäßigt die jahreszeitliche Abflussverteilung und verringert ihre Schwankungen. Die Wasserableitung reduziert das Mittelwasser und die Abgaben ins Unterwasser. Der Rückhalt begünstigt die Sedimentation im Becken. Da die Transportkapazität der Abgabe größer wird als die des Zuflusses besteht Erosionsgefahr. Bei großen Ausbaugraden kann der Einfluss auf Temperatur und O2-Gehalt bei hohem Nährstoffangebot eine Eutrophierung begünstigen. Bei Speichern zur Pumpspeicherung, zu Klärzwecken oder zur Kühlwasserreserve, kommen oft längliche bis kreisförmige künstliche Becken in Betracht. Durch den saisonal variablen künstlichen Aufstau von natürlichen Seen lassen sich ebenfalls Speichereffekte erzielen (s. Kap. 6).
Ulrich Maniak
8. Wärmebelastung von Gewässern
Zusammenfassung
Der Wärmehaushalt der Gewässer ist ein wichtiges Bindeglied zwischen der mengen- und güteorientierten Wasserwirtschaft. Eingriffe in das Gewässer wie Kühlwassereinleitungen, die eine Veränderung der Wassertemperatur nach sich ziehen, müssen in wasserwirtschaftlicher Hinsicht aus ganzheitlicher, alle Ökofaktoren berücksichtigender Sicht beurteilt erden, damit die Gewässer ihre vielfältigen Funktionen auch künftig sicher erfüllen können.
Ulrich Maniak
9. Schnee und Eis
Zusammenfassung
Schnee bildet in gebirgigen und polaren Gebieten einen kennzeichnenden Teil des Wasserkreislaufs. Weltweit sind 23 % der Erdoberfläche bzw. 50 % der Landfläche permanent oder zeitweise mit Schnee bedeckt. Maßgebend für das Auftreten von Schneefall an der Erdoberfläche sind die Höhe der 0°-Grenze in der Atmosphäre und die Höhenlage des Einzugsgebiets. Die räumliche Verteilung des Schnees ist stark von der Höhenlage abhängig. Die Bildung einer Schneedecke hängt außerdem vom Zustand des Bodens und dem Landschaftscharakter ab. Auf die Höhe der Schneedecke (Schneehöhe) hat die Orographie Einfluss, da auf der Luvseite eines Gebirges im Allgemeinen mehr Niederschlag fällt.
Ulrich Maniak
10. Feststoffe
Zusammenfassung
Zu den Feststoffen zählen alle festen Stoffe, die vom Wasser fortbewegt oder abgelagert werden, ausschließlich Eis. Sie treten in Form von Schwimmstoffen, Schwebstoffen oder Geschiebe auf. Sinkstoffe als Sammelbegriff für abgelagerte Schwebstoffe und Sedimente als Sammelbegriff für abgelagerte Inhaltsstoffe kennzeichnen ungenau das abgelagerte Material, da Sedimente komplexe Mischungen aus gasförmigen, gelösten und partikulären Verbindungen sind, die aus autochthonen und allochthonen Quellen stammen. Schwebstoffe umfassen mineralische und organische Partikel.
Ulrich Maniak
11. Gewässergüte stehender und fließender Gewässer und Gewässerschutz
Zusammenfassung
Still- oder Standgewässer sind Seen oder Talsperren, d. h. oberirdische Süßwasserkörper von meist größerer Tiefe, die ringsum von Land umgeben sind und keine direkte Verbindung zum Meer haben. Zwischen Still- oder Standgewässer und Fließgewässer (Fluss) bestehen hydraulische, hydrologische und ökologische Unterschiede. Im Fluss bestimmen hauptsächlich Gefälle, hydraulische Rauheit, Durchflussquerschnitt und Abfluss das Fließen in Form einer fast horizontalen Strömung. Infolge Turbulenz ist die Wassertemperatur annähernd im gesamten Durchflussquerschnitt gleich. Flüsse ändern ihr hydraulisches Verhalten längs ihres Laufes mit Auswirkungen auf Hydrobiologie und Hydrochemie.
Ulrich Maniak
Backmatter
Metadata
Title
Hydrologie und Wasserwirtschaft
Author
Ulrich Maniak
Copyright Year
2016
Publisher
Springer Berlin Heidelberg
Electronic ISBN
978-3-662-49087-7
Print ISBN
978-3-662-49086-0
DOI
https://doi.org/10.1007/978-3-662-49087-7