Vorlesung Wasserwirtschaft Hydrologie I Vorlesung 1 Themen Hydrologie

Vorlesung Wasserwirtschaft & Hydrologie I Vorlesung 1 Themen: Hydrologie – was ist das ? Definitionen & Teilbereiche Angrenzende Wissenschaften Kennzahlen zum Wasservorkommen Hydrologische Modellierung Skalenbereiche der Modellierung

Lehrziele der Veranstaltung erschaffen bewerten analysieren anwenden Sie beschreiben den Ablauf einer Modellierung mit eigenen Worten fachlich richtig. verstehen … und verstehen den natürlichen Wasserhaushalt / Wasserkreislauf. Sie verstehen das Grundprinzip wasserwirtschaftlicher Modelle. erinnern Sie kennen die unterschiedlichen Aufgabenbereiche der Hydrologie. . . Sie kennen die Größenordnungen der unterschiedlichen Wasserressourcen. Vorlesung Wasserwirtschaft & Hydrologie I | 1. Vorlesung |Univ. -Prof. Dr. -Ing. Heribert Nacken

Der Wasserkreislauf • Vorlesung Wasserwirtschaft & Hydrologie I | 1. Vorlesung |Univ. -Prof. Dr. -Ing. Heribert Nacken Bildzitat: Der Brockhaus Multimedial 2000

Wasserhaushaltsgleichung Vorlesung Wasserwirtschaft & Hydrologie I | 1. Vorlesung |Univ. -Prof. Dr. -Ing. Heribert Nacken

Definition zur Hydrologie Die Hydrologie ist die Wissenschaft von den Erscheinungsformen des Wassers • über • auf • und unter der Erdoberfläche sowie der Zirkulation des Wassers ( => Wasserkreislauf). Die Hydrologie beschäftigt sich sowohl mit den • quantitativen • ökologischen • und chemisch/physikalischen Eigenschaften und Wirkungen des Wassers, als auch den Wechselwirkungen des Wassers mit der Umwelt. Vorlesung Wasserwirtschaft & Hydrologie I | 1. Vorlesung |Univ. -Prof. Dr. -Ing. Heribert Nacken

Die Aufgabenbereiche der Hydrologie Theoretische Hydrologie Hydrometrie Systematische Analyse und Erforschung der Prozesse des Wasserkreislaufs Erhebung, Analyse und Bereitstellung von Grundlagendaten Ingenieurhydrologie Erstellung von Modellen zur Simulation hydrologischer Prozesse Ingenieurhydrologie Modellierung des Wasserhaushalts Ingenieurhydrologie Quantifizierung von Wasserressourcen Ingenieurhydrologie Ermittlung von Extremabflüssen Ingenieurhydrologie Bereitstellung hydrologischer Informationen für Planungs- und Bemessungsaufgaben Operative Hydrologie Erstellung von Vorhersagen Vorlesung Wasserwirtschaft & Hydrologie I | 1. Vorlesung |Univ. -Prof. Dr. -Ing. Heribert Nacken

Hydrologie: eine multidisziplinäre Wissenschaft Meteorologie Atmosphäre Hydrologie Hydrosphäre Biologie/Zoologie/Ökologie Biosphäre Erdoberfläche Lithosphäre Geologie Vorlesung Wasserwirtschaft & Hydrologie I | 1. Vorlesung |Univ. -Prof. Dr. -Ing. Heribert Nacken Pedosphäre Bodenkunde

Hydrologie: Angrenzende Wissenschaften Meteorologie: Die Meteorologie beschäftigt sich mit der Beobachtung, Beschreibung sowie Modellierung und Vorhersage von Klima- und Wetterphänomenen. Die meteorologischen Beobachtung und Messungen beziehen sich auf: • Luftdruck • Temperatur • Feuchtigkeit • Windrichtung und -geschwindigkeit • Grad der Bewölkung, Wolkenhöhen und Sichtweiten • Niederschlag (als Regen oder Schnee) Die Messungen erfolgen sowohl am Boden als auch in der (höheren) Atmosphäre. Vorlesung Wasserwirtschaft & Hydrologie I | 1. Vorlesung |Univ. -Prof. Dr. -Ing. Heribert Nacken

Hydrologie: Angrenzende Wissenschaften Hydrogeologie: Die Hydrogeologie ist sowohl ein Teilbereich der Wissenschaft der Hydrologie als auch der Geologie. Sie beschäftigt sich schwerpunktmäßig mit der Prozessabbildung für das Grundwasser und beschreibt die Vorgänge der Aufnahme, Speicherung und Abgabe von Wasser im Erdboden. Die Hydrogeologie wird oftmals Teilbereich der quantitativen Hydrologie aufgefasst. Vorlesung Wasserwirtschaft & Hydrologie I | 1. Vorlesung |Univ. -Prof. Dr. -Ing. Heribert Nacken

Hydrologie: Angrenzende Wissenschaften Limnologie: Die Limnologie beschäftigt sich mit der Beschreibung der biologischen, physikalischen und chemischen Prozesse, die in Seen, Flüssen und Gewässern ablaufen. Im Fokus der limnologischen Forschung stehen die Lebewesen der Seen und Gewässer, die Beschreibung ihrer Interaktionen sowie die Darlegung des Stoffhaushaltes. Vorlesung Wasserwirtschaft & Hydrologie I | 1. Vorlesung |Univ. -Prof. Dr. -Ing. Heribert Nacken

Die globale Wasser Perspektive => Gesamtwasservolumen: 1, 4 Mrd km³ => Süßwasseraufkommen: 36 Mio km³ => Globales Angebot an Frischwasser: 140. 000 km³ verfügbar sind jedoch nur: Bildzitat: Ramsar Vorlesung Wasserwirtschaft & Hydrologie I | 1. Vorlesung |Univ. -Prof. Dr. -Ing. Heribert Nacken 14. 000 km³

Die globale Wasser Perspektive Der Wasserbedarf vervierfachte sich zwischen 1940 – 1990, während sich die Bevölkerung “nur” verdoppelte. Nutzungsanteile des weltweiten Wasserverbrauchs: • Private Haushalte 9% • Industrie 19 % • Landwirtschaft 67 % • Verdunstung in Großstaudämmen 5% 30 – 40 % der weltweiten Nahrungs-mittelproduktion ist abhängig von Bewässerung. Bildzitat: Ramsar Vorlesung Wasserwirtschaft & Hydrologie I | 1. Vorlesung |Univ. -Prof. Dr. -Ing. Heribert Nacken

Die nationale Wasserbilanz BMBF Bildzitat: BMBF Vorlesung Wasserwirtschaft & Hydrologie I | 1. Vorlesung |Univ. -Prof. Dr. -Ing. Heribert Nacken

Wasserkreislauf UNEP Bildzitat: UNEP Vorlesung Wasserwirtschaft & Hydrologie I | 1. Vorlesung |Univ. -Prof. Dr. -Ing. Heribert Nacken

Systemtheorie Eingangsgröße Niederschlag [zeitvariant] N(t) Systemoperation Modell Ausgangsgröße Abfluss [zeitvariant] Q(t) Vorlesung Wasserwirtschaft & Hydrologie I | 1. Vorlesung |Univ. -Prof. Dr. -Ing. Heribert Nacken

Die Phasen der NA - Modellierung Niederschlagsbildung Niederschlagsentstehung als Regen oder Schnee Niederschlagsverteilung Räumliche Verteilung des Niederschlags Abflussbildung Ermittlung des abflusswirksamen Niederschlags Abflusskonzentration Translation und Retention Wellenablauf Flood Routing im Gewässer Vorlesung Wasserwirtschaft & Hydrologie I | 1. Vorlesung |Univ. -Prof. Dr. -Ing. Heribert Nacken

Niederschlagsverteilung Vorlesung Wasserwirtschaft & Hydrologie I | 1. Vorlesung |Univ. -Prof. Dr. -Ing. Heribert Nacken

Niederschlagsverteilung Bildzitat: DWD Vorlesung Wasserwirtschaft & Hydrologie I | 1. Vorlesung |Univ. -Prof. Dr. -Ing. Heribert Nacken Bildzitat: DWD

Abflussbildung Niederschlag Evaporation Interzeption Effektiver Niederschlag abflusswirksamer Niederschlag Infiltration Evapotranspiration Bodenfeuchtespeicher Perkolation Grundwasserzufluss Grundwasserspeicher Vorlesung Wasserwirtschaft & Hydrologie I | 1. Vorlesung |Univ. -Prof. Dr. -Ing. Heribert Nacken

Die funktionalen Zusammenhänge bei der Bodenfeuchtesimulation [%] 100 Infiltration 80 Evapotranspiration 60 40 20 Perkolation [mm] Welkepunkt Vorlesung Wasserwirtschaft & Hydrologie I | 1. Vorlesung |Univ. -Prof. Dr. -Ing. Heribert Nacken Feldkapazität Maximale Bodenfeuchte

Kalibrierung von NA-Modellen Niederschlag [mm/h] [m³/s] Gerechneter Abfluss Gemessener Abfluss Vorlesung Wasserwirtschaft & Hydrologie I | 1. Vorlesung |Univ. -Prof. Dr. -Ing. Heribert Nacken

Die Datenbasis für NA - Modelle Teilgebiete Bodendaten Nutzungen Speicherdaten NA-Modell Gerinnedaten Zeitflächenfunktion Vorlesung Wasserwirtschaft & Hydrologie I | 1. Vorlesung |Univ. -Prof. Dr. -Ing. Heribert Nacken Digitale Geländedaten Zeitreihen Niederschläge Verdunstung Temperatur Abflüsse

GIS Anwendung für NA - Modelle Teilgebiete Bodendaten Speicherdaten Zeitflächenfunktion Nutzungen Gerinnedaten Digitale Geländedaten Zeitreihen Vorlesung Wasserwirtschaft & Hydrologie I | 1. Vorlesung |Univ. -Prof. Dr. -Ing. Heribert Nacken Teileinzugsgebiete

GIS Anwendung für NA - Modelle Teilgebiete Bodendaten Speicherdaten Zeitflächenfunktion Nutzungen Gerinnedaten Digitale Geländedaten Zeitreihen Vorlesung Wasserwirtschaft & Hydrologie I | 1. Vorlesung |Univ. -Prof. Dr. -Ing. Heribert Nacken Digitale Bodenkarte

GIS Anwendung für NA - Modelle Teilgebiete Bodendaten Speicherdaten Zeitflächenfunktion Nutzungen Gerinnedaten Digitale Geländedaten Zeitreihen Vorlesung Wasserwirtschaft & Hydrologie I | 1. Vorlesung |Univ. -Prof. Dr. -Ing. Heribert Nacken Landnutzung und Versiegelung

GIS Anwendung für NA - Modelle Teilgebiete Bodendaten Speicherdaten Nutzungen Gerinnedaten Digitales DGM mit Geländemodell ATKIS Daten DGM 25 Zeitflächenfunktion Digitale Geländedaten Zeitreihen Vorlesung Wasserwirtschaft & Hydrologie I | 1. Vorlesung |Univ. -Prof. Dr. -Ing. Heribert Nacken

Gewinnung von digitalen Höhendaten Bildzitat: Geodz Bildzitat: Topscan Vorlesung Wasserwirtschaft & Hydrologie I | 1. Vorlesung |Univ. -Prof. Dr. -Ing. Heribert Nacken

Die Hauptzahlen des Abflusses NNQ 5 NQ MNQ niedrigster Niedrigwasserabfluss Niedrigwasserabflüsse mittlerer Niedrigwasserabfluss MQ Mittlerer Abfluss Mittelwasserabflüsse MHQ HQX HHQ mittlerer Hochwasserabfluss Hochwasserabflüsse höchster Hochwasserabfluss Vorlesung Wasserwirtschaft & Hydrologie I | 1. Vorlesung |Univ. -Prof. Dr. -Ing. Heribert Nacken

NA Modellierung zur Ausweisung von Überschwemmungsgebieten Vorlesung Wasserwirtschaft & Hydrologie I | 1. Vorlesung |Univ. -Prof. Dr. -Ing. Heribert Nacken

Die operationelle Hochwasservorhersage Bildzitat: MOZ Vorlesung Wasserwirtschaft & Hydrologie I | 1. Vorlesung |Univ. -Prof. Dr. -Ing. Heribert Nacken

Information von Satellitensystemen Bildzitat: Geodz Vorlesung Wasserwirtschaft & Hydrologie I | 1. Vorlesung |Univ. -Prof. Dr. -Ing. Heribert Nacken

Information von Satellitensystemen Bildzitat: DWD Vorlesung Wasserwirtschaft & Hydrologie I | 1. Vorlesung |Univ. -Prof. Dr. -Ing. Heribert Nacken

Austauschzeiten im Wasserkreislauf Atmosphärenwasser ~10 Tage Flusswasser ~16 Tage Wasser der ungesättigten Bodenzone ~1 Jahr Grundwasser ~1400 Jahre Wasser der Weltmeere ~2500 Jahre Vorlesung Wasserwirtschaft & Hydrologie I | 1. Vorlesung |Univ. -Prof. Dr. -Ing. Heribert Nacken

Skalenbereiche bei hydrologischen Prozessen Makroskalige Abbildungen Flächeneinheit Längeneinheit Mesoskalige Abbildungen Flächeneinheit Längeneinheit > 0, 1 km² 1000 km² > 100 m 30 km Mikroskalige Abbildungen Flächeneinheit Längeneinheit > 1000 m² 0, 1 km² > 3 m 100 m Vorlesung Wasserwirtschaft & Hydrologie I | 1. Vorlesung |Univ. -Prof. Dr. -Ing. Heribert Nacken > 1000 km² > 30 km

Wissen Erkenntnis Skalen und Modelle Monte Carlo Modelle Prozess Modelle Fuzzy Modelle Regelbasierte Modelle Raumskala Stochastische Modelle Information Neuronale Netze Makroskala [> 1000 km 2] Mesoskala Empirische Verfahren [0, 1 bis 1000 km 2] Statistische Verfahren Spitzenabfluss [m³/s] Vorlesung Wasserwirtschaft & Hydrologie I | 1. Vorlesung |Univ. -Prof. Dr. -Ing. Heribert Nacken Abflussvolumen [m³]

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