Hydrologie und Wasserwirtschaft

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.

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 bis 3 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 verbundende Abkühlung von rd. 1 K pro 100 Höhenmeter (trockenadiabatischer Temperaturgradient) führt zu einer Verringerung der Dampfspannung und Zunahme des relativen Feuchtegehalts. In der Kondensationshöhe hat die relative Luftfeuchtigkeit 100%. Werden gleichzeitig Kondensationskerne, z.B. kleine Staubpartikel in der Luft angetroffen, kann es durch Zusammenlagerung von Wassermolekülen zur Bildung von Dunsttröpfchen kommen. Zur Entstehung eines Regentropfens ist die Zusammenlagerung von etwa einer Million Wolkentröpfchen erforderlich. Beim Absinken der Regentropfen in eine Wolke vergrößern sie sich durch Anlagerung anderer Wasserteilchen, zerplatzen oder fallen durch die Wolke als Sprüh- oder Nieselregen mit Tropfendurchmessern von < 0,5 mm Durchmesser. Die physikalischen Grundlagen des Niederschlagsprozesses sind in [2.1, 2.2] behandelt.

Die erfolgreiche Lösung wasserwirtschaftlicher Aufgaben erfordert leichtzugängliche und verläßliche Beobachtungswerte über die verschiedenen Teilprozesse des hydrologischen Kreislaufs. In der Regel dienen hydrologische Beobachtungen mehreren unterschiedlichen Aufgabenstellungen, wobei regionale klimatische Besonderheiten zu beachten sind, z.B. bei der Beobachtung von Schnee (Bild 3.1). Die Aufgaben ändern sich mit dem Grad der wasserwirtschaftlichen Entwicklung und die Anforderungen an die Daten verschieben sich im Laufe der Zeit. So werden in einem wasserwirtschaftlich hoch entwickelten Land im humiden Klimabereich die Daten für die Wasserver- und entsorgung sowie für den Hochwasserschutz benötigt. Bereits in der Planung von Einrichtungen zur Erfassung, Übertragung und Aufbereitung von hydrologischen Daten muß einfließen, wie die Daten künftig genutzt werden sollen, da in Meßsystemen mit hoher zeitlicher Auflösung Sensoren, Datenspeicher und -übertragung häufig eine Einheit bilden. Die Art der Datenaufbereitung ist oft mit der zu verwendenden Rechenanlage gekoppelt. Um hier zu einer Vereinheitlichung zu gelangen, bestehen Richtlinien für die Datenerfassung und -aufbereitung [3.1 — 3.3]. Für die Analyse oder Synthese des Übertragungsverhaltens eines Einzugsgebiets werden zusätzlich Informationen über seine physikalischen Eigenschaften benötigt. Im Hinblick auf eine Systemanalyse lassen sich Daten in hydrologische und meteorologische Daten, physiographische Parameter und Prozeßparameter klassifizieren [3.4].

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) Wasserstandablesungen 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 außerdem die Zeitabhängigkeit der hydrologischen Größe unterstrichen, spricht man meist von einer stochastischen Größe, sonst von einer statistischen Größe.

Durch die Korrelation werden Zusammenhänge zwischen mehreren Kollektiven von Zufallsgrößen untersucht. Dieser Zusammenhang ist nicht streng funktional, wird aber in der Form y = f (x) ausgedrückt und verbindet hydrologische Beobachtungen, zwischen denen eine sachlogische Beziehung hergestellt werden soll. So hängen die Wasserstände längs eines Flusses voneinander ab. Im allgemeinen hat das Steigen des Wasserstandes an einem Punkt auch einen steigenden Wasserstand an einem flußabwärts gelegenen Punkt zur Folge. Niederschläge im Zwischeneinzugsgebiet, seitliche Zuflüsse und andere Störgrößen sind Ursachen dafür, daß einem bestimmten Wasserstand am ersten Pegel nicht eindeutig ein bestimmter Wasserstand am zweiten unterhalb gelegenen Pegel entspricht. Vielmehr kann dem Wasserstand am ersten Pegel nur ein Kollektiv von Wasserständen am zweiten Pegel zugeordnet werden. Die Vorhersage des Wasserstandes am unterhalb gelegenen Pegel kann mit der Korrelationsrechnung gelöst werden.

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. Es kann bestimmte Eingaben z.B. Niederschläge, aufnehmen, sie transformieren und als Ausgaben, z.B. Hochwasserwellen, ausgeben. Das Ergebnis (output) wird von der Eingabe (input) oder Belastung sowie von den Übertragungseigenschaften des Systems beeinflußt, welche mit Hilfe von mathematisch-deterministischen Modellen simuliert werden können. Bei deterministischen Modellen wird eine physikalisch begründete Ursache-Wirkung-Beziehung zwischen den Variablen vorausgesetzt (Bild 5.14). Als Parameter wird eine quantitative Kenngröße für das hydrologische System definiert, die mit der Zeit konstant bleibt, z.B. die Flächengröße eines Einzugsgebietes. Die Wirkung des hydrologischen Systems wird mit wenigen charakteristischen Gleichungen beschrieben. Die Hauptaufgabe jeder Systemuntersuchung besteht in der Bestimmung dieser Übertragungseigenschaften. Das Modellverhalten kann durch kleinmaßstäbliche Naturversuche in Form von Lysimeter- oder Parzellenversuchen oder von Beobachtungen in Repräsentativgebieten überprüft werden.

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 (Bild 7.1). Als wichtiges technisches Mittel werden hierfür Speicher eingesetzt. Die Ermittlung der Bemessungsgrößen und die Aufstellung von Betriebsplänen für Talsperren erfordern umfangreiche hydrologische und wasserwirtschaftliche Untersuchungen. So muß nicht nur das mittlere Verhalten von Wasserdargebot und Bedarf berücksichtigt werden, sondern auch extreme Beanspruchungen sind unter Beachtung ihres zeitlichen Auftretens in die Untersuchung einzubeziehen und ihre Auswirkung auf den Wasserhaushalt aufzuzeigen.

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 werden. Neben der Gewässertemperatur dienen der Sauerstoffhaushalt sowie der biologische bzw. chemische Zustand als Kriterien bei der Beurteilung von Wärmeeinleitungen. Bezüglich dieser und weiterer limnologischer Fragen wird auf die Literatur verwiesen [8.1 — 8.6].

Maßgebend für das Auftreten von Schneefall an der Erdoberfläche sind die Höhe der 0°-Grenze in der Atmosphäre sowie die Höhenlage des Einzugsgebiets. Die räumliche Verteilung des Schnees ist stark an die Höhenlage gekoppelt. 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. Für die Erhaltung der Schneedecke ist neben den Niederschlägen und der Lufttemperatur die Exposition von Bedeutung, da sie bei erhöhter Einstrahlung ein schnelleres Abschmelzen oder Verdunsten der Schneedecke bewirkt.

Zu den Feststoffen zählen alle festen Stoffe, die vom Wasser fortbewegt oder abgelagert werden, ausschließlich Eis [10.1]. Sie treten in Form von Schwimmstoffen, Schwebstoffen oder Geschiebe auf. Sinkstoffe als Sammelbegriff für abgelagerte Schwebstoffe und Sedimente als Sammelbegriff für abgelagerte Inhaltsstoffe kennzeichnen nur ungenau das abgelagerte Material. Hinsichtlich der geologischen bzw. bodenkundlichen Einteilung der Sedimentgesteine als Endprodukte der Erosion wird auf [10.2] verwiesen. Schwebstoffe, die im allgemeinen den Hauptanteil der Feststoffe darstellen, stehen mit dem Wasser im statischen oder dynamischen Gleichgewicht und werden durch die Turbulenz in Schwebe gehalten. Zum Geschiebe rechnen die Feststoffe, die sich an der Gewässersohle gleitend, rollend oder teilweise hüpfend bewegen. Schwimmstoffe sind vorwiegend organischen Ursprungs wie Wasserpflanzen und Baumteile und werden als Treibsel oder Treibzeug bezeichnet. Sie sind im Vergleich zur übrigen Stofffracht klein; sie machen überschläglich 2 bis 5% der Feststoffe aus. Sie können jedoch für den Betrieb von Wehren von Bedeutung sein.