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 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.

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 sind in einem wasserwirtschaftlich hoch entwickelten Land im humiden Klimabereich die Daten für die Wasserver- und -entsorgung sowie für den Hochwasserschutz besonders wichtig. Bereits bei der Planung von Einrichtungen zur Erfassung, Übertragung und Aufbereitung von hydrologischen Daten muss ihre künftige Nutzung berücksichtigt werden, da in Messsystemen mit hoher zeitlicher Auflösung Sensoren, Datenspeicher und -übertragung häufig eine Einheit bilden.

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 außerdem die Zeitabhängigkeit der hydrologischen Größe berücksichtigt, spricht man meist von einer stochastischen Größe, sonst von einer statistischen Größe. Eine Stichprobe umfasst N Beobachtungen, die verfügbare sind und in der Grundgesamtheit, die alle Beobachtungen umfasst und erwartungstreue Parameter (englisch unbiased Parameter) liefert, enthalten ist. Eine Zufallsvariable ist der Wert der nächsten Beobachtung bei der Messung einer hydrologischen Größe. Eine systematische Störung (bias) - im Gegensatz zur zufallsbedingten Störung – einer Statistik ist das Ergebnis der Beobachtungsprozedur. Sie kann nicht durch vermehrte Beobachtungen beseitigt werden. Statistik ist eine realisierte Quantität; sie wird aus Daten gewonnen, welche die Grundgesamtheit repräsentieren. Ein Parameter ist eine idealisierte Größe, die mit der Grundgesamtheit assoziiert wird und durch die Statistik als Schätzwert ermittelt wird. Die Genauigkeit der Reproduzierbarkeit eines Messwertes ist eine Funktion der Messgenauigkeit und des systematischen Fehlers.

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 Regressionausgedrückt. 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.

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 zufrieden stellende 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. Die Hauptaufgabe von deterministischen Abfluss-Modellen ist die Transformation des meteorologischen Inputs auf das Einzugsgebiet in eine Abflussganglinie an einen Gewässerpunkt. Demgegenüber ist eine fundamentale Eigenschaft der stochastischen Modelle die statistische Beschreibung von Beobachtungsdaten, bei denen der hydrologische Aspekt nur in den Daten selbst enthalten ist.

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 und begrenzt werden, damit die Gewässer ihre vielfältigen Funktionen auch künftig sicher erfüllen können [8.1–8.6].

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 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. Sinken die mittleren Monatstemperaturen nicht unter 10 °C, liegt der Schneeanteil am Niederschlag unabhängig von der Höhenlage unter 10%.

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 meist 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.

Stehende oder 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 Rauhheit, 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 entsprechenden Auswirkungen auf Hydrobiologie und Hydrochemie.