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Hydrologie und Wasserwirtschaft
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Hydrologie und Wasserwirtschaft

Ulrich Maniak

Hydrologie und Wasserwirtschaft

Eine Einführung für Ingenieure

6., neu bearbeitete Auflage

1 C

Professor a.D. Dr.-Ing. Ulrich ManiakTU BraunschweigLeichtweiß-Institut für WasserbauBeethovenstr. 51 A38106 Braunschweig [email protected]

ISBN 978-3-642-05395-5 e-ISBN 978-3-642-05396-2DOI 10.1007/978-3-642-05396-2Springer Heidelberg Dordrecht London New York

Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de abrufbar.

© Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2010Dieses Werk ist urheberrechtlich geschützt. Die dadurch begründeten Rechte, insbesondere die der Über-setzung, des Nachdrucks, des Vortrags, der Entnahme von Abbildungen und Tabellen, der Funksendung, der Mikroverfilmung oder der Vervielfältigung auf anderen Wegen und der Speicherung in Datenver-arbeitungsanlagen, bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. Eine Vervielfältigung dieses Werkes oder von Teilen dieses Werkes ist auch im Einzelfall nur in den Grenzen der gesetzlichen Bestimmungen des Urheberrechtsgesetzes der Bundesrepublik Deutschland vom 9. September 1965 in der jeweils geltenden Fassung zulässig. Sie ist grundsätzlich vergütungspflichtig. Zuwiderhandlungen unterliegen den Strafbestimmungen des Urheberrechtsgesetzes.Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften.

Einbandentwurf: WMXDesign GmbH, Heidelberg

Gedruckt auf säurefreiem Papier

Springer ist Teil der Fachverlagsgruppe Springer Science+Business Media (www.springer.com)

Vorwort zur 6. Auflage

Die 6. Auflage wurde aktualisiert, fachlich erweitert und um die neuere einschlä-gige Literatur ergänzt; diese möge zum vertieften Studium auf diesen Gebieten an-regen. Das Buch soll dem Einstieg in hydrologische Ansätze und anwendungsori-entierte Methoden in der Wasserbewirtschaftung und im Gewässerschutz sowie ihrer rechnerischen Behandlung dienen. Das Buch entstand aus dem Lehrstoff, der den Studierenden des Bauingenieurwesens und in mehreren Kursen für Hydrolo-gie und Wasserbewirtschaftung des Masterstudium im Umweltingenieurwesen an der TU Braunschweig angeboten wird. Aus dem breiten Aufgabenspektrum der Praxis werden einige typische Fragestellungen herausgegriffen und ihre Lösung auch im Zahlenbeispiel aufgezeigt. Damit wird gleichzeitig die Benutzung des Buches zum Selbststudium erleichtert.

Zur Lösung der immer komplexer werdenden hydrologischen und wasserwirt-schaftlichen Aufgaben sind heute viele Rechenprogramme verfügbar. Im Hinblick auf die rasche Entwicklung der immer umfangreicheren Programme wurden in den Text keine speziellen Programme aufgenommen; es wurden jedoch Hinweise auf Fundstellen für Programme gegeben, ohne dass aber ihre Eignung bewertet wird. Vielmehr sollen anhand der Ansätze und Methoden die Vereinfachungen der Abläufe in der Natur verdeutlicht und die Einschränkungen bei der Modellanwen-dung aufgezeigt werden. Damit wird auch der Ermessensspielraum deutlich, da diese Gesichtspunkte bei der ausschließlichen Benutzung von Programmen fehlen würden.

Braunschweig, im März 2010 Ulrich Maniak

Vorwort zur 1. Auflage

Die zunehmende Nutzung des natürlichen Wasserdargebots stellt die Wasserwirt-schaft vor Aufgaben, deren Lösung eine ganzheitliche Betrachtung erfordert. Als Folge davon hat in den letzten Jahrzehnten die Hydrologie als ihre wichtigste in-terdisziplinäre wissenschaftliche Grundlage eine stürmische Entwicklung genom-men. Im Rahmen eines Buches von beschränktem Umfang ist es daher nicht mög-lich, eine umfassende Einführung in das gesamte Gebiet von Hydrologie und Wasserwirtschaft zu geben. Aus der Fülle des Stoffes mußte eine Auswahl getrof-fen und einige wichtige Teilgebiete ganz oder teilweise ausgelassen werden. Im vorliegenden Buch werden hauptsächlich die oberirdischen Wasservorräte, ihre quantitative Erfassung und Nutzung behandelt. Grundwasser und Fragen der Was-sergüte werden weitgehend ausgeklammert.

Das Buch ist als Einführung in einige grundlegende hydrologische Berech-nungsverfahren und wasserwirtschaftliche Bemessungsmethoden gedacht. Es rich-tet sich hauptsächlich an Studierende des Bauingenieurwesens und kann anderen

VI Vorwort

Disziplinen als Hilfsmittel bei der rechnerischen Behandlung von hydrologischen Problemen dienen. Bei Grundkenntnissen in der Statistik können die Abschnitte 4.1 und 5.1 überschlagen werden. Der Ingenieur muß sich beim Bau im und am Gewässer und bei der Regulierung des Gebietswasserhaushaltes mit hydrologi-schen und wasserwirtschaftlichen Problemen der quantitativen Wasserwirtschaft auseinandersetzen. Dabei kommt dem Wärmehaushalt eine zunehmende Bedeu-tung zu und in einigen Regionen auch den Feststoffen. Da eine Reihe von Verfah-ren auf die verfügbaren Messdaten zugeschnitten sind, wird auf die Messung nebst Fehlern und auf die Datenaufbereitung kurz eingegangen.

Die Gliederung des Stoffs erfolgte im Hinblick auf einige häufig auftretende wasserwirtschaftliche Aufgaben. Dies führt bei der Analyse und Synthese von hydrologischen Prozessen zu gewissen Überschneidungen. Zur Verdeutlichung des Untersuchungsablaufs und zum Selbststudium sollen einige besonders ge-kennzeichnete Beispiele dienen. Die Literaturquellen mögen zum vertiefenden Studium anregen. Allerdings ist der Umfang der hydrologischen Literatur so stark angewachsen, daß eine richtige Auswahl fast unmöglich ist.

In der Hydrologie sind oft nicht so genaue Analysen wie in der Mechanik mög-lich. Der damit verbundene Ermessensspielraum und der scheinbare Mangel an Genauigkeit bei der Problemlösung lassen aber dennoch Vergleiche mit anderen Bemessungsmethoden im Ingenieurwesen zu, bei denen die Unwägbarkeiten der Bemessung in Sicherheitsfaktoren bei Annahmen über Belastungen oder Material-eigenschaften enthalten sind. In der Hydrologie überwogen früher deskriptive Ver-fahren, verbunden mit empirischen Formeln. Aber auch die heute bevorzugten ma-thematischen Modelle werden in ihrer Anwendung durch regional gültige Parameter begrenzt. Im Rahmen dieser Einführung können jedoch nicht die Werte der Parameter für verschiedene Klimaregionen abgegeben werden. Anhand von Zahlenbeispielen, die bevorzugt aus dem mitteleuropäischen Raum ausgewählt wurden, wird die Größenordnung von einigen hydrologischen Variablen aufge-zeigt.

Das Buch ist aus meiner Lehr- und Forschungstätigkeit an der Technischen U-niversität Braunschweig hervorgegangen. Eingeflossen sind die Arbeiten von Mit-arbeitern des Leichtweiß-Institutes für Wasserbau, Abteilung Hydrologie und Wasserwirtschaft, denen mein besonderer Dank gilt. Für die kritische Durchsicht von Teilen des Manuskripts danke ich Herrn Dr. rer. nat. H. Schrödter, dem lang-jährigen Leiter der Zentralen Agrarmeteorologischen Forschungsstelle des Deut-schen Wetterdienstes und Herrn Dipl.-Ing. F.W. Renz, Ruhrtalsperrenverein, Ab-teilung Wasserwirtschaft. An dieser Stelle soll auch allen Personen und Institutionen, die mir verschiedene Unterlagen zur Verfügung gestellt haben, ge-dankt werden. Frau F. Markmann und Herrn K. Diederichs-Späh sei für ihre Mit-hilfe bei der Herstellung der Druckvorlage gedankt. Der Verlag hat durch die ge-währte gute Zusammenarbeit die Fertigstellung des Manuskripts beträchtlich erleichtert.

Braunschweig, im November 1987 Ulrich Maniak

Verzeichnis häufig verwendeter Abkürzungen

Zeichen Einheit*) Benennung ad mm/oCd Grad-Tag-Faktor ar % Albedo A mm Abflusshöhe A m-2s-1 Diffusionskoeffizient Ao mm Höhe des oberirdischen Abflusses Au mm Höhe des unterirdischen Abflusses AEo km2 oberirdisches Einzugsgebiet

% Signifikanzniveau oder Signifikanzzahl Bo Bowen-Verhältnis c Jg-1K-1 spezifische Wärme von Wasser cp Jg-1K-1 spezifische Wärme der Luft bei konstantem Druck (= 1005 J kg-1K-1)cpf Korrekturfaktor für Verdunstungskessel für Pflanzenwasserbedarf Cs Schiefekoeffizient Cvx Variationskoeffizient von x CB Überfallbeiwert breitkroniges Wehr CD Überfallbeiwert Dreieckwehr CO g/l natürlicher Salzgehalt CN Gebietskenngröße des SCS-Verfahrens CR Überfallbeiwert Rechteckwehr CS gm-3 Schwebstoffkonzentration CVEN Kontraktionsbeiwert Venturigerinne

2 Testgröße des Chi-Quadrat-Tests d mbar Sättigungsdefizit D Modalwert D h, min Dauer, Niederschlagsdauer Dgr m Grenzkorndurchmesser

S mm, m3 Rücklage, Speicherzuwachs Emissionskoeffizient (Emissivität)

ea mbar aktuelle Feuchte eaL mbar aktueller Dampfdruck der Luft es mbar Sättigungsdampfdruck esW mbar Sättigungsdampfdruck bei der Temperatur des Wassers

VIII Verzeichnis häufig verwendeter Abkürzungen

E mm/ t Evaporation, Verdunstungshöhe Ep mm/ t potentielle Evaporation ET mm/ t Evapotranspiration ETa mm/ t reale (aktuelle) Evapotranspiration ET0 mm/ t potentielle Evapotranspirationshöhe f mm/h Infiltrationsrate fi relative Häufigkeit f(x) Dichtefunktion von x F Freiheitsgrad F mm kumulierte Infiltrationshöhe Fr Froude'sche Zahl; Fr = v/(gh)1/2 fH mm/mb Verdunstungsfaktor nach Haude

mboC-1 Psychrometerkonstante (= 0,65 h Pa K-1)h m Wassertiefe, Überfallhöhe H m Wasserstand HB Wm-2 Bodenwärmestromdichte HK Jcm-2h-1 Wärmestromdichte aus Konvektion HL J Enthalpie HT Wm-2 im Wasserkörper gespeicherte Wärme HV Jcm-2h-1 Wärmestromdichte aus Verdunstung

Wirkungsgrad iR mm/h Regenintensität I mm/h Regenintensität Io Wm-2 Solarkonstante Iw mm/ t Intensität des abflusswirksamen Niederschlags pro

Berechnungsintervall tIv mm/ t Verlust pro Berechnungsintervall tJR

o/oo Reibungsgefälle JS

o/oo Sohlgefälle Jw

o/oo Wasserspiegelgefälle kfg mmh-1 gesättigte Leitfähigkeit kp Korrekturfaktor für die Landverdunstungspfanne kst m1/3s-1 Rauhigkeitsbeiwert nach Strickler kw Korrekturfaktor für die Floßverdunstungspfanne kCh m1/3s-1 Rauhigkeitsbeiwert nach Chezy k(T;Cs) standardisierte Variable der Verteilungsfunktion K h Speicherkonstante L m, km Fließstrecke, Flusslänge Lv Jg-1 latente Verdampfungswärme von Wasser LAI m2m-2 Blattflächenindex m Rangzahl, Ordnungszahl mF tkm-2 Feststoffabtrag mG kgs-1m-1 Geschiebetrieb pro m Flussbreite mS kgs-1 Schwebstofftransport

Verzeichnis häufig verwendeter Abkürzungen IX

MQ m3/s Mittelwasser (weitere Definitionen s. Tab. 3.2) Mittel der Grundgesamtheit (Erwartungswert von x)

N mm mittlere Niederschlagshöhe, Gebietsniederschlagshöhe N Stichprobenumfang

m2s-1 kinematische Zähigkeit von Wasser p mbar, hPa Luftdruck Pu % Unterschreitungswahrscheinlichkeit Pü % Überschreitungswahrscheinlichkeit P(x) Verteilungsfunktion von x

)x(P~ empirische Wahrscheinlichkeit von x

P(A) % Wahrscheinlichkeit von A PH % hydrologische Sicherheit

Abflussbeiwert q l/skm2 Abflussspende Q m3/s Durchfluss, Abfluss Qs m3/s Schwellenwert QA m3/s Abfluss, Abgabe QA m3/s Ausbauabfluss QB m3/s Basisabfluss QZ m3/s Zufluss QI l/s Injektionsrate rk Autokorrelationskoeffizient der Zeitverschiebung

S kgm-3 Dichte von Schnee sn/sN aktuelle Sonnenscheindauer/Dauer des Tageslichts je Tag rw Jg-1 latente Verdampfungswärme von Eis rxy Korrelationskoeffizient zwischen x und y rL % relative Luftfeuchte r(Tn;n) l/sha Regenspende Rx Spannweite, Variationsbreite von x R m hydraulischer Radius Ra Wm-2 extraterristische Strahlung RA Jcm-2min-1 langwellige Ausstrahlung der Erdoberfläche RG Jcm-2min-1 Gegenstrahlung RH Jcm-2min-1 Himmelstrahlung RI Jcm-2min-1 Sonnenstrahlung RS

* Jcm-2min-1 Globalstrahlung RSB Jcm-2min-1 Strahlungssaldo, Strahlungsbilanz

gcm-3 Dichte von Wasser 1/ m3/kg spezifisches Volumen

(x) Korrelationskoeffizient der Grundgesamtheit s(t) m3mm-1 Werte der S-Kurve sx Standardabweichung der Stichprobe S m3 Speichergröße, Speicherinhalt

X Verzeichnis häufig verwendeter Abkürzungen

SDL Summendifferenzenlinie SI mm Interzeptionsspeicher

Wm-2K-4 Stephan-Boltzmann-Konstante (= 5,67 10-8Wm-2K-4)

x Standardabweichung der Grundgesamtheit t( ,F) Abszissenwert der t-Verteilung tc h Konzentrationszeit Td

oC Taupunkt Tn a Wiederholungszeitspanne, Wiederkehrzeit TF

oC Gewässertemperatur TG

oC Gleichgewichtstemperatur TK

oC Kühlwassertemperatur TL

oC Lufttemperatur TW

oC Wassertemperatur Nm-2 Schubspannung

u( t;t) m3/mm, 1/h Ordinaten der Übertragungsfunktion Ü hm3 Überlauf bei Speichern uz m/s Windgeschwindigkeit in z Meter Höhe v ms-1 Fließgeschwindigkeit V mm Verdunstung VN mm Vorregenindex w Bewölkungsgrad w Wassergehalt W rechnerische Lebensdauer eines Bauwerks WE MW elektrische Nutzleistung Wi kW Leistung Laufkraftwerk x arithmetisches Mittel der Werte x xg geometrisches Mittel der Werte x X Anpassungsparameter des Muskingum-Verfahren yT reduzierte Variable nach Gumbel Zo mm Höhe des oberirdischen Zuflusses Zu mm Höhe des unterirdischen Zuflusses *)

Umrechnung s. Tab. 2.1.

Inhaltsverzeichnis

1 Einführung in die Hydrologie und Wasserwirtschaft 1 1.1 Begriffe der Hydrologie 1 1.2 Wasserkreislauf und Wasserbilanz 1 1.3 Wasserwirtschaft, Flussgebietsmanagement 6 1.4 Beispiele für die Wasserbewirtschaftung 8 1.4.1 Wasserwirtschaft im Ruhreinzugsgebiet 8 1.4.2 Hochwasserschutz durch Hochwasserrückhaltebecken 10 1.4.3 Überleitung von Wasser mit einem Schifffahrtskanal 13 1.4.4 Wasserkraftnutzung eines Flusses 15 2 Der Wasserhaushalt und Beobachtung einzelner Komponenten 17 2.1 Niederschlag 17 2.1.1 Erscheinungsformen 17 2.1.2 Niederschlagsmessung 19 2.2 Verdunstung 22 2.2.1 Begriffe 22 2.2.2 Messverfahren 26 2.2.3 Berechnung der Verdunstung aus meteorologischen 35 Beobachtungen 2.2.3.1 Energiebilanzverfahren 35 2.2.3.2 Anwendung des Strahlungskonzeptes 47 2.2.3.3 Anwendung des aerodynamischen Konzepts 48 2.2.3.4 Kombinierte Methode von aerodynamischem Konzept und 51 Energiebilanz 2.3 Abfluss 56 2.3.1 Wasserstand 56 2.3.2 Direkte Abflussmessung mit Messwehren und Messgerinnen 59 2.3.3 Ermittlung des Abflusses über Fließgeschwindigkeit und 63 Durchflussfläche 2.3.4 Aufstellung und Kontrolle der Abflusskurven 69 2.4 Beobachtungsnetze 75

XII Inhaltsverzeichnis

3 Aufbereitung und erste Auswertung der hydrologischen 79 Beobachtungen 3.1 Datenarten und Datenbanken 79 3.2 Erste Auswertung von Wasserstands- und Abflussdaten 86 3.2.1 Mittel- und Hauptwerte 86 3.2.2 Gang- und Summenlinie 89 3.2.3 Dauerlinien 93 3.3 Erste Auswertung von Niederschlagsbeobachtungen 98 3.3.1 Auswertung punktförmiger Messungen 98 3.3.2 Methoden zur Ermittlung von Gebietsniederschlägen 101 3.4 Überprüfung der Homogenität 107 4 Anpassung von Verteilungsfunktionen an hydrologische Daten 109 zur Ermittlung von Bemessungswerten 4.1 Grundlegende Konzepte für hydrologische Zufallsvariablen 109 4.1.1 Hydrologische Zufallsvariable und Wahrscheinlichkeit 109 4.1.2 Statistische Eigenschaften der Zufallsvariablen 113 4.1.2.1 Kenngrößen für das zentrale Verhalten 113 4.1.2.2 Kenngrößen für die Streuung 117 4.1.2.3 Kenngrößen für die Symmetrie 119 4.1.2.4 Weitere Kenngrößen bei vereinigten Zufallsvariablen 120 4.1.3 Diskrete Verteilungsfunktionen und Risiko 120 4.1.4 Normalverteilung und logarithmische Normalverteilung 126 4.1.5 Empirische Wahrscheinlichkeiten 132 4.2 Ermittlung von Hochwasser bestimmter Häufigkeit 135 4.2.1 Typen und Merkmale von Hochwasser 135 4.2.2 Jährliche und partielle Serien 138 4.2.3 Verteilungsfunktionen für Hochwasser 141 4.2.3.1 Anpassung von Verteilungsfunktionen an Hochwasserdaten 141 4.2.3.2 Pearson-Typ-III-Verteilung und Standardverfahren zur 143 Berechnung von Hochwasserhäufigkeiten 4.2.3.3 Extremwert-Typ-I-Verteilung 149 4.2.4 Anpassungstests für Verteilungsfunktionen 156 4.2.4.1 Chi-Quadrat-Test 156 4.2.4.2 Kolmogorov-Smirnov-Test (K-S-Test) 159 4.2.5 Konfidenzintervalle für Verteilungsfunktionen 161 4.2.6 Ausreißertest für Extremwerte 164 4.2.7 Abschätzung regional gültiger Hochwasserscheitelabflüsse 167 auf statistischer Grundlage 4.3 Niedrigwasser 172 4.3.1 Entstehungsursachen und kennzeichnende Größen 172 4.3.2 Datenkollektive für Niedrigwasseranalysen 175 4.3.3 Anpassung von Verteilungsfunktionen an Niedrigwassermerkmale 178

Inhaltsverzeichnis XIII

4.3.3.1 Einseitig begrenzte Verteilungsfunktionen und freie Anpassung 178 4.3.3.2 Extremwert-Typ-III-Verteilung 180 4.3.3.3 Vergleich von Verteilungen bei Niedrigwasseruntersuchungen 189 4.3.4 Zweidimensionale Wahrscheinlichkeitsuntersuchungen 192 4.3.5 Maßgebliche Trockenperioden für die Speicherwirtschaft 195 5 Abhängigkeiten von Zufallsvariablen in Zeitreihenmodelle 199 5.1 Anwendung von Regressionen 199 5.1.1 Mathematische Grundlagen und einfache lineare Regression 199 5.1.2 Lineare Mehrfachregression 203 5.1.3 Nichtlineare Regressionen 211 5.1.4 Konfidenzintervalle von Regressionen 218 5.2 Anwendung der Korrelationensrechnungen 220 5.2.1 Korrelationskoeffizienten und ihre Bewertung 220 5.2.2 Scheinkorrelationen 226 5.2.3 Autokorrelation und Kreuzkorrelation 232 5.3 Einführung in die Zeitreihenanalyse und einfache 238 stochastische Zeitreihenmodelle 5.3.1 Überblick über mathematische Modelle und Zeitreihenanalyse 238 5.3.2 Weitere Techniken der Zeitreihenanalyse 244 5.3.3 Selbsterklärende Zeitreihenmodelle 248 5.3.4 Autoregressionsmodell zur Simulation monatlicher Abflüsse 253 6 Niederschlag-Abfluss-Modelle für Hochwasserabläufe 261 6.1 Systemanalytische Behandlung von Abflussprozessen 261 6.1.1 Modellkonzepte für Niederschlag-Abflussprozesse 261 6.1.2 Grundlagen für lineare zeitinvariante Modelle 263 6.1.3 Lineare Speicher 266 6.1.4 Lineare Speicherkaskaden (Serienspeicher) 271 6.2 Niederschlag-Abfluss-Modelle für Hochwasserwellen aus 279 Einzugsgebieten 6.2.1 Datenumfang für Niederschlag-Abflussanalysen 279 6.2.2 Gebietsniederschläge von Hochwasserereignissen 280 6.2.3 Abflusswirksamer Niederschlag (Abflussbildung) 284 6.2.3.1 Ansätze für Interzeption und Muldenrückhalt 284 6.2.3.2 Grundlagen und Zusammenhänge der Infiltrationsansätze 289 6.2.3.3 Verlustraten- und Abflussbeiwertansätze bei einfachen 296 Abflussmodellen 6.2.3.4 Koaxiale graphische Darstellung zur Vorhersage des 298 Gesamtabflussbeiwerts 6.2.3.5 Ermittlung des Gesamtabflussbeiwerts aus Gebietsgrößen 300 6.2.4 Ermittlung der Übertragungsfunktion 307

XIV Inhaltsverzeichnis

6.2.4.1 Einheitsganglinienverfahren 307 6.2.4.2 Translationsmodelle und charakteristische Fließzeiten 313 6.2.4.3 Kombinierte Translations- und Speichermodelle 320 6.3 Ablauf von Hochwasserwellen in Gewässern 327 6.3.1 Grundlagen der hydraulischen Verfahren 327 6.3.2 Überblick über hydrologische Verfahren 335 6.3.3 Hochwasserwellen in Speichern 336 6.3.3.1 Iterationslösung 336 6.3.3.2 Verfahren nach Puls 338 6.3.4 Hochwasserwellen in Flussabschnitten 342 6.3.4.1 Muskingumverfahren 342 6.3.4.2 Kalinin-Miljukov-Verfahren 350 6.4 Flussgebietsmodelle 357 7 Bemessungsverfahren und Betriebspläne von Talsperren 361 und Hochwasserrückhaltebecken 7.1 Begriffe der Speicherwirtschaft 361 7.1.1 Aufgaben und Speicherarten 361 7.1.2 Einteilung des Speicherraums und Speicherkenngrößen 363 7.2 Nutzräume von Talsperren 366 7.2.1 Wasserwirtschaftsplan auf der Grundlage der Summenlinie 366 7.2.2 Summendifferenzenlinie und Speicherwirkungslinie 373 7.2.3 Bemessungsverfahren auf der Grundlage von Simulationen 381 7.2.4 Bemessungsverfahren auf wahrscheinlichkeitstheoretischer 383 Grundlage von Zuflüssen und Speicherfüllungen 7.2.5 Grundzüge des Betriebsplans für den Nutzraum 389 7.3 Bemessung und Betrieb von Hochwasserrückhalteräumen 402 7.3.1 Bemessungsgrundlagen für den Hochwasserrückhalteraum 402 7.3.2 Betriebspläne für Hochwasserrückhaltebecken 406 7.4 Auslegung von Hochwasserentlastungsanlagen 413 7.5 Freibord und Freiraum 415 7.6 Verfahren auf stochastischer Grundlage 419

8 Wärmebelastung von Gewässern 421 8.1 Wärmehaushalt von Gewässern 421 8.2 Wärmequellen und -senken 427 8.3 Nutzung der Gewässer für Kühlzwecke 433 8.3.1 Wärmeableitung in Kraftwerken und zulässige 433 Gewässerbeanspruchung 8.3.2 Berechnung des Temperaturverlaufs in einem Gewässer 440 8.3.3 Wärmelastplan 446

Inhaltsverzeichnis XV

9 Schnee und Eis 451 9.1 Schneeverhältnisse und Schneebeobachtungen 451 9.2 Physikalische Grundlagen des Schneeschmelzprozesses 456 9.3 Ermittlung des Abflusses aus Schneeschmelze 461 9.4 Eisbildung in Gewässern 471 9.5 Beispiele für die Eisverhältnisse und ihre Auswirkungen 476 10 Feststoffe 479 10.1 Begriffe und Abgrenzung von Schwebstoff und Geschiebe 479 10.2 Schwebstofffrachten von Flüssen 483 10.3 Geschiebefracht in Flüssen 488 10.4 Feststofftransport aus Einzugsgebieten 496 10.5 Feststoffe in Speichern 508 10.5.1 Rückhaltewirkung von Speichern 508 10.5.2 Abschätzung der Abnahme des Speicherinhalts 512 11 Gewässergüte stehender und fließender Gewässer und 519 Gewässerschutz 11.1 Stehende Gewässer 519 11.1.1 Einige Unterschiede von natürlichen Seen, Fließgewässern und Talsperren 519 11.1.2 Physikalische Eigenschaften von stehenden Gewässern 523 11.1.2.1 Lichtverhältnisse und Kompensationsebene 523 11.1.2.2 Jahreszeitliche Temperatur, Schichtungen und Zirkulationen 525 11.1.3 Produktionsbestimmende Faktoren und Stoffkreisläufe 534 11.1.3.1 Lebensräume in Seen und Stoffhaushalt 534 11.1.3.2 Sauerstoffhaushalt 549 11.1.3.3 Stickstoffkreislauf 552 11.1.3.4 Phosphorkreislauf 554 11.1.4 Eutrophierung stehender Gewässer 564 11.1.4.1 Nährstoffquellen der Stickstoff- und Phosphorverbindungen 564 11.1.4.2 Trophiegrad und Nutzung von Seen 570 11.1.4.3 Mathematische Modelle für die Wassergüte 580 11.1.4.4 Statistische Eutrophierungsmodelle 590 11.1.4.5 Rehabilitation eutropher Stillgewässer 600 11.2 Fließende Gewässer 604 11.2.1 Abbauvorgänge und Sauerstoffhaushalt 604 11.2.1.1 Biologische Selbstreinigung 604 11.2.1.2 Größen des Sauerstoffhaushalts und Erscheinungsformen 607 11.2.1.3 Ein- und zweiparametrige Modelle für den Sauerstoffhaushalt 612 11.2.1.4 Erweitertes Modell für den Sauerstoffgehalt 621

XVI Inhaltsverzeichnis

11.2.2 Transport- und Transformationsprozesse 627 11.2.2.1 Mehrparametrige Gütemodelle zur Beschreibung von Transport- und Transformationsprozessen in Flüssen 627 11.2.2.2 Dispersion und advektiver Transport bei Transportprozessen in Flüssen 628 11.2.3 Bewertung der Gewässergüte 635 11.2.3.1 Bioindikatoren und Bewertung der organischen Belastung − Saprobiensystem 635 11.2.3.2 Bewertung anhand der Fischfauna und der Wasserpflanzen 644 Literaturverzeichnis 647 Sachverzeichnis 681


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