Einführung in die Physische Geographie

Prof. Dr. Otto Klemm

Teil Klima und Wasser

8. Wasser im Boden, Grundwasser,

Evapotranspiration, Wasserbilanz im Ökosystem

Wasserhaushaltsgleichung

Die allgemeinste Form der Wasserhaushaltsgleichung lautet:

SR E- P

P Niederschlag (engl. „precipitation“)

R Abfluss (engl. „runnoff“)

E Evaporation

S Speicherterm

Wasserhaushaltsgleichung

Für Ökosysteme, Wassereinzugsgebiete, Städte und andere Einheiten kann jeweils die Wasserhaushaltsgleichung formuliert werden:

SQ G - G ET - P outin

Gin Grundwasserzufluss

Gout Grundwasserabfluss

ET Evapotranpiration

Q Abfluss im Vorfluter

Der Speicherterm kann hier als Änderung des Grundwasserspiegels interpretiert werden.

Bild: Strahler & Strahler, 1997

Wasserhaushaltsgleichung

Für spezielle Fragestellungen muss die Wasserhaushaltsgleichung weiter modifiziert werden.

z.B. gilt für Untersuchungen an der Bodenoberfläche diese Wasserhaushaltsgleichung:

0 ORET - I - P

I Infiltration

RO Oberflächenabfluss

Ein Speicherterm fällt hier weg, aber die ET für einen kleinen Raum zu bestimmen, ist sehr schwierig. Bild: Strahler & Strahler, 1997

Wasserhaushaltsgleichung

Eine besondere Rolle in Wäldern spielt die Interzeption

Interzeption ist die direkte Aufnahme von Niederschlag (Regen und auch Nebel) durch das Kronendach. Das interzipierte Wasser gelangt u.U. nicht auf den Boden, sondern evaporiert wieder.

In der Wassrhaushaltsgleichung (und auch im Energiehaushalt von Waldökosystemen!) muss dieses Glied sehr sorgfältig betrachtet werden, denn:

• Die Interzeption kann einige Prozent des Wasserhaushaltes ausmachen.

• Die Interzeption wird mit „normaler“ Niederschlagsmesstechnik nur unzureichend erfasst.

Wasserbilanz Bundesrepublik Detuschland (1931 – 1960)

nach: http://geo4.uibk.ac.at/users/georges/ue_hy03/sitzung05-03-page.pdf

Bilanzglied Wasserhöhe / mm

Anteil / %

Niederschlag 837 100

Verdunstung 519 62

Interzeption 82 10

Evaporation von Böden 47 6

Ecaporation von freien Wasserflächen

11 1

Transpiration 371 44

Wasserverbrauch 8 1

Abfluss 318 38

Oberflächenabfluss

und Interflow

59 7

Grundwasserabfluss 260 31

Evapotranspiration

Evapotranspiration ist die Summe aus Evaporation und Transpiration

Evaporation: Verdunstung von einer freien Wasseroberfläche oder Bodenoberfläche

Transpiration: Wasserabgabe durch Pflanzen in die Atmosphäre

die Evaporation wird angetrieben durch:

Evaporation

die Verfügbarkeit an verdampfbarem Wasser (z.B. freie Wasseroberflächen, gesättigte oder ungesättigte Bodenoberfläche)

die Verfügbarkeit an Energiei.d.R. in Form von Strahlungsenergie)

den Abtransport des in die Grenzschicht evaporierten Wasserdampfes (atmosphärische Turbulenz)

die Transpiration wird angetrieben durch den Öffnungszustand der Stomata

Dieser wird bei unterschiedlichen Pflanzenarten unterschiedlich gesteuert. Wichtige Steuergrößen sind: :

Transpiration

Wasserdampfdefizit Boden - Atmosphäre (hohe Transpiration bei wassergesättigtem Boden und gleichzeitig trockener Luft)

Strahlungkurzwellige Einstrahlung

Abtransport des in die Grenzschicht evaporierten Wasserdampfes(atmosphärische Turbulenz)

Bild: Lawrence and Dingman, 1994

Evapotranspiration

„Energieterm“ „Ventilationsterm“

L

e)*(e f(U)

L

BQET S

pot

Die Evapotranspiration zu bestimmen ist eine der großen

Herausforderungen der Ökosystemforschung und Wasserwirtschaft.

Viele unterschiedliche Verfahren, experimentell und aud Modellen

basierend, wurden und erden angewendet. Hier werden nur 2 wichtige

Verfahren vorgestellt:

Das Penman - Verfahren hat „große Tradition“, es gibt

unterschiedliche Varianten. Sogar die Herleitungen sind in der

Literatur nicht einheitlich. Wiederum in Abhängigkeit von den

aktuellen Randbedingungen können unterschiedliche Varianten

vorteilhaft sein. Hier wird die Original-Version nach Penman (1948)

vorgestellt (nach Arya, 1988):

Evapotranspiration

„Energieterm“ „Ventilationsterm“

L

e)*(e f(U)

L

BQET S

pot

Für weitere Details siehe Voelesung Umweltmeteorologie und weiterführende Praktika

ETpot potenzielle Evapotranspiration kg m-2 s-1

e* Sättigungs-Wasserdampfdruck hPa

e* aktueller Wasserdampfdruck hPa

= Steigung der Wasserdampfsättigungskurve hPa K-1

Psychrometerkonstante 0,667 hPa K-1

U horizontale Windgeschwindigkeit in Höhe z m s-1

f(U) „Transferkoeffizient für Wasserdampf“, in Analogie zum Diffusionskoeffizienten

m s-1

B Bodenwärmestrom W m-2

Qs Strahlungsbilanz W m-2

L spez. Verdampfungswärme für Wasser 2.50 · 106 J kg-

1

dTde*

Evapotranspiration

In einem anderen Ansatz wird für ein Einzugsgebiet die Verdunstung (aktuelle

Evapotranspiration) als Restglied der Wasserhaushaltsgleichung berechnet:

Annahmen: S = 0

Gin = Gout

QP ET

Probleme: Interzeption, Speicherterm, Grundwasserströme

Wasserbilanz

Quelle: Goudie, 2002

Grundwasserströmung

Quelle: Strahler & Strahler, 2002

Darcy - Gleichung

dx

dk Hf

Wq

Im wassergesättigten Bereich des Untergrundes (Grundwasserkörper) lässt

die die Strömung des Grundwassers mit der Darcy-Gleichung beschreiben:

dies ist eine eindimensionale

stationäre Form der Darcy-

Gleichung

qw Wassermenge, die pro Zeiteinheit durch einen Fließquerschnitt fließt

m3 s-1

kf hydraulische Leitfähigkeit m s-1

H hydraulisches Potenzial m3

x Fließstrecke m

http://water2.uibk.ac.at/de/pdf/0/grundwasser.pdf

Darcy - Gleichung

die hydraulische Leitfähigkeit hängt sehr stark von der Körnung ab:

http://www.hydroskript.de/html/_index.html?page=/html/hykp1107.html

weiterer Einflussfaktor ist die Porosität

Grundwasserströmung

Quelle: Lawrence and Dingman, 1994

Grundwasserströmung

Quelle: Lawrence and Dingman, 1994

Wasserbewegung im ungesättigten Bereich

im wasserungesättigten Bereich des Bodens findet auch Wasserbewegung statt.

diese wird mit der Richardson-Gleichung beschrieben.

Einflussgrößen sind:

Matrixpotenzial (Kapillarkräfte)

Gravitationspotenzial

osmotisches Potenzial

Wassergehalt

räumliche Heterogenität

http://water2.uibk.ac.at/de/pdf/0/grundwasser.pdf

gespannter Grundwasserleiter

http://water2.uibk.ac.at/de/pdf/0/grundwasser.pdf

Wassergehalt

http://www.hydroskript.de/html/_index.html

Wassergehalt

die Feldkapazität ist diejenige Wassermenge, die ein Boden maximal gegen die

Schwerkraft zurückhalten kann (bei pF = 1,8).

http://water2.uibk.ac.at/de/pdf/0/grundwasser.pdf

die nutzbare Feldkapazität ist die Feldkapazität abzüglich des Permanenten

Welkepunktes. Die nutzbare Feldkapazität ist also das Wasser, das den

Pflanzen für Aufnahme durch das Wurzelsystem zur Verfügung steht.

Der pF-Wert ist der Logarithmus der Wasserspannung: pF = log ψm

Der Permanente Welkepunkt (PWP) ist der Wassergehalt, bei dem die Pflanzen

irreversibel welken (bei pF = 4,2; Totwasseranteil). Anders ausgedrückt, ist

Wasser, das mit einem Unterdruckruck von bis zu 15 Atmosphären extrahiert

werden kann, gerade noch pflanzenverfügbar.

Wassergehalt

die sog. pF-WG-Kurve zeigt typischerweise eine ausgeprägte Hysterese:

http://www.hydroskript.de/html/_index.html

Quelle: Lawrence and Dingman, 1994

Quelle: Strahler & Strahler, 2002

Quelle: Strahler & Strahler, 2002

Quelle: Strahler & Strahler, 2002