Taschenbuch der Wasserwirtschaft Grundlagen - Maßnahmen - Planungen Bearbeitet von Rolf Anselm, Kurt Lecher, Hans-Peter Lühr, Matthias Barjenbruch, Ulrich C. E. Zanke, Oliver Bens, Guenter Bloeschl, Hans Bretschneider, Mathias Döring, Leopold Füreder, Andreas Grohmann, Herbert Grubinger, Uwe Grünewald, Dieter Gutknecht, Hanspeter Hodel, Marion Huber-Humer, Reinhard Hüttl, Bernhard Keim, Helmut Kobus, Stefan Kopp-Assenmacher, Hans-Peter Koschitzky, Werner Kresser, Julia Krümmelbein, Rudolf Kuhn, Peter Lechner, Bernd Lennartz, Hocine Oumeraci, Bernhard Söhngen, Wilhelm Urban, Peter Widmoser, Martin Zimmermann 9. Auflage 2015. Buch. XLI, 1305 S. Hardcover ISBN 978 3 528 12580 6 Format (B x L): 16,8 x 24 cm Wirtschaft > Energie- & Versorgungswirtschaft > Wasserwirtschaft Zu Inhaltsverzeichnis schnell und portofrei erhältlich bei Die Online-Fachbuchhandlung beck-shop.de ist spezialisiert auf Fachbücher, insbesondere Recht, Steuern und Wirtschaft. Im Sortiment finden Sie alle Medien (Bücher, Zeitschriften, CDs, eBooks, etc.) aller Verlage. Ergänzt wird das Programm durch Services wie Neuerscheinungsdienst oder Zusammenstellungen von Büchern zu Sonderpreisen. Der Shop führt mehr als 8 Millionen Produkte.
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Taschenbuch der Wasserwirtschaft
Grundlagen - Maßnahmen - Planungen
Bearbeitet vonRolf Anselm, Kurt Lecher, Hans-Peter Lühr, Matthias Barjenbruch, Ulrich C. E. Zanke, Oliver Bens,
Guenter Bloeschl, Hans Bretschneider, Mathias Döring, Leopold Füreder, Andreas Grohmann, HerbertGrubinger, Uwe Grünewald, Dieter Gutknecht, Hanspeter Hodel, Marion Huber-Humer, Reinhard Hüttl,
Bernhard Keim, Helmut Kobus, Stefan Kopp-Assenmacher, Hans-Peter Koschitzky, Werner Kresser, JuliaKrümmelbein, Rudolf Kuhn, Peter Lechner, Bernd Lennartz, Hocine Oumeraci, Bernhard Söhngen,
Die Online-Fachbuchhandlung beck-shop.de ist spezialisiert auf Fachbücher, insbesondere Recht, Steuern und Wirtschaft.Im Sortiment finden Sie alle Medien (Bücher, Zeitschriften, CDs, eBooks, etc.) aller Verlage. Ergänzt wird das Programmdurch Services wie Neuerscheinungsdienst oder Zusammenstellungen von Büchern zu Sonderpreisen. Der Shop führt mehr
70,6 % der Erdoberfläche, d. h. etwa 361 Millionen km2, sind mit Wasser bedeckt. Mit etwa 1348 Millionen km3 stellen die Weltmeere den Hauptanteil der Hydrosphäre, wäh-rend das Eis in den Polargebieten und im Hochgebirge nur 27,8 Millionen km3 (2,0 %), Süßwasserseen, Flüsse und Grundwasser zusammen 8,3 Millionen km3 (0,6 %) aus-machen [1].
Die etwa 149 Millionen km2 Festland erhalten im Durchschnitt jährlich 745 mm Nie-derschlag, das sind 111 000 km3 (Abb. 2.1). Auf dem Festland verdunsten 477 mm (71 000 km3), 40 000 km3 fließen ins Meer bzw. gelangen in Form von Wasserdampf vom Meer über die Landflächen, wo sie als Niederschlag fallen. Den auf das Gebiet Deutschlands bezogenen Teil des Wasserkreislaufes zeigt Abb. 2.2.
2.1.2 Wasserhaushaltsgleichungen
Im langjährigen Durchschnitt gilt für ein Einzugsgebiet (siehe auch Abschnitt 2.2.2.1) die Grundgleichung:
N A Vh h h (2.1)
hN Niederschlagshöhe hA Abflusshöhe hV Verdunstungshöhe; alle Größen in mm
Abb. 2.1 Schema des Wasser-kreislaufs der Erde. Die mm-Werte sind in Klammern gesetzt. (Quelle: [1])
Abb. 2.2 Wasserbilanz von Deutschland für 1961–1990, Wasserbedarfs- und -verbrauchszahlen des Jahres 1990. (Quelle: BA für Gewässerkunde, Koblenz)
2.1 Wasserhaushalt und Wasserkreislauf 53
Für kürzere Zeiträume, in denen die Änderung der im und auf dem Boden (z. B. Schnee) befindlichen Wasservorräte nicht vernachlässigt werden dürfen, lautet die er-weiterte Wasserhaushaltsgleichung (Abb. 2.3):
N A V R Bh h h h h (2.2)
hR Rücklage hB Aufbrauch
Bezieht sich das Untersuchungsgebiet nicht auf ein geschlossenes Einzugsgebiet, so muss darüber hinaus noch ein Zufluss berücksichtigt werden. Eine Aufteilung des Zu- und Abflusses in einen ober- und unterirdischen Anteil (hZ,o, hA,o bzw. hZ,u, hA,u) und der Verdunstung in Evaporation (hE), Transpiration (hT) und Interzeption (hi) ergibt die allgemeine Wasserhaushaltsgleichung für nicht abgeschlossene Gebiete:
N Z,o Z,u A,o A,u E T i R B( ) ( ) ( ) ( )h h h h h h h h h h (2.3)
Abb. 2.3 Beispiel der Wasserhaushaltsbeziehung im Verlauf des Jahres
54 2 Wasserhaushalt, Gewässer, Hydrometrie
Das Abflussjahr wird so gewählt, dass der Term (hR – hB) möglichst klein bleibt, d. h., dass der in einem Abflussjahr gefallene Niederschlag noch im selben Jahr abfließt. In Deutschland wurde die Zeitspanne vom 01.11. bis 31.10. gewählt und die Abfluss-jahre werden mit dem Jahr bezeichnet, in dem der Zeitraum Januar bis Oktober liegt. In den wechselfeuchten Tropen und Subtropen beginnt das Abflussjahr mit Beginn der Regenzeit.
2.1.3 Hygrothermale Klassifikationen
2.1.3.1 Atmosphärische Zirkulation Am Äquator steigt im Bereich der Innertropischen Konvergenz die Luft infolge der starken Erwärmung auf (Abb. 2.4). Es entsteht eine Tiefdruckrinne, zugleich ein Gebiet der Windstille oder schwach umlaufender Winde (Zone der Kalmen) mit starker Wol-kenbildung und heftigen Niederschlägen (Äquatorialregen).
Unter etwa 30° nördlicher und südlicher Breite werden die in der oberen Troposphäre nach höheren Breiten abfließenden Luftmassen infolge der Erdrotation bereits zu West-winden abgelenkt. Dadurch entsteht auf jeder Halbkugel je eine subtropische Hoch-druckzone, die Rossbreiten, mit absteigender Luftbewegung.
Abb. 2.4 Schema des planetarischen Luftdruck- und Windsystems; links außen Querschnitt durch die Lufthülle, O Ostwind, W Westwind, ITC Innertropische Konvergenz, p polare Ostwind-zone, Ä äquatoriale Tiefdruckzone
2.1 Wasserhaushalt und Wasserkreislauf 55
Hier ist das Ursprungsgebiet der Passate, die als Nordostpassat auf der Nordhalbku-gel, als Südostpassat auf der Südhalbkugel nach dem äquatorialen Kalmengürtel zu-rückwehen (Passatwindregime). Die Passatgürtel sind in der Regel wolkenarm und nie-derschlagsfrei.
Ein Teil der im subtropischen Hochdruckgürtel absteigenden Luft spaltet sich ab und wird nach mittleren und höheren Breiten abgelenkt. An die Rossbreiten schließen sich die Zonen der vorherrschenden Westwinde (Westwindregime) an.
Nach der jährlichen Niederschlagsverteilung lassen sich unterscheiden [21]:
Kamerun: 10 170 mm/a, niederschlagsreichster Monat hN,max 1600 mm (Juli); Sierra Leone: 4430 mm/a, hN,max 1010 mm (August)).
– Immergrüner Passatregenwald an der Ostseite der kontinentalen Gebirgsränder: Madagaskar, SO-Australien, Mittel- und Nordbrasilien: San Salvador (Bahia) mit 2020 mm/a, hN,max 290 mm (Mai).
– Westwindzonen: Die Winde stoßen auf die Westränder des Festlandes und treffen auf Gebirgsküsten, die viel Niederschlag empfangen: Kanadische Kordillieren, Südchile, Norwegen, Schottland, Neuseeland. Dahinter liegen Zonen mit geringe-rem Niederschlag (Valdivia: 2690 mm/a, hN,max 440 mm (Juni); Bergen: 1960 mm/a, hN,max 230 mm (Oktober); dagegen Stockholm: 530 mm/a, hN,max 70 mm (August)).
2. Wechselfeuchte Gebiete: – Äußere Tropen mit Regenzeit in der einen, Trockenheit in der anderen Jahreshälf-
te, bedingt durch die jahreszeitliche Verschiebung der Klimazonen. Als Vegeta-tionsformationen haben wir hier die Feucht-, Trocken- und Dornsavannen. Zu den Wendekreisen hin herrscht eine Regenzeit bei Sonnenhöchststand; äquatorwärts gibt es zwei Niederschlagsmaxima; das eine, wenn der Sonnenhöchststand vom Äquator zum Wendekreis wandert, das andere mehrere Monate später bei entge-gengesetzter Bewegung. Beide Maxima treffen mit etwa einem Monat Verzöge-rung ein.
– Monsunregengebiete mit starken Sommerregen in Süd- und Ostasien, Nordaustra-lien, Vorderindien, besonders an der Luvseite der Gebirge; die Niederschläge sind allerdings nicht von den Monsunwinden allein verursacht. Die indonesischen In-seln und Japan erhalten nach dem Monsunwechsel auch dann Niederschlag, wenn das kontinentale Monsungebiet im Winter trocken ist, da der Wintermonsun dort über Meere streicht und sich mit Feuchtigkeit beladen kann.
– Kontinentale Frühsommerregengebiete als Steppengürtel der gemäßigten Zone: Trockener Winter wegen Kaltlufthochs oder Abschirmung der Westwinde.
– Subtropisches Winterregengebiet des Mittelmeeres und der ihm verwandten Kli-magebiete in Kalifornien, Südchile, Südafrika und Südaustralien. Der Sommer ist trocken, der Winter feucht.
56 2 Wasserhaushalt, Gewässer, Hydrometrie
3. Regenarme Länder und Trockengebiete: – Der subtropische Hochdruckgürtel (Rossbreiten). Die Steppen und die Dornsavan-
nen gehen dort in die Halbwüste und Wüste über (Sahara, die asiatische Wüsten-zone, kalifornische und Colorado-Wüste auf der nördlichen, chilenische Wüste Atacama und Kalahari in Afrika sowie die australische Wüste auf der Südhalb-kugel).
– Polkappen: Auch sie sind niederschlagsarm infolge niedriger Temperatur, haben darum geringe Luftfeuchtigkeit; dazu herrscht im polaren Hochdruckgebiet ab-steigende Luftbewegung.
2.1.3.2 Hauptklimazonen Die vier Hauptzonen – tropisch, subtropisch, gemäßigt und polar – lassen sich nach unterschiedlichen Gesichtspunkten weiter unterteilen [21]. In Anlehnung an Köppen wird häufig eine vom planetarischen Windsystem ausgehende Klimaklassifikation mit sieben Klimazonen verwendet:
1. Äquatoriale Klimazone mit stetigem Tropenklima, in dem an den Bereich der Inner-tropischen Konvergenz (lTC) gebundene, starke, gewittrige Niederschläge vorherr-schen. Die täglichen und jährlichen Temperaturschwankungen sind gering; einige Monate sind unter Umständen niederschlagsärmer, doch fehlt eine ausgesprochene Trockenzeit.
2. Zone des tropischen Wechselklimas, charakterisiert durch den regelmäßigen Wech-sel von Regen- und Trockenzeiten. Die Niederschläge folgen jeweils dem Höchst-stand der Sonne (Zenitalregen) – Sommerregen.
3. Zone des Passatklimas, die den Trockengürtel im Bereich der Roßbreiten umfasst und von den Passatwinden überweht wird. Sie weist nur geringe Niederschläge auf.
4. Zone des subtropischen Wechselklimas, das im Sommer warm und trocken, im Winter dagegen verhältnismäßig kühl und feucht ist, da dann die Zyklonen der West-winde Einfluss gewinnen – Winterregen.
5. Zone des gemäßigten Klimas mit durch deutliche Temperaturunterschiede gekenn-zeichneten Jahreszeiten; wechselhaftes, nur schwer auf längere Zeit vorauszusehendes Wetter. Die Zone liegt das ganze Jahr über im Westwindgürtel.
6. Beim subpolaren Klima treten neben das durch rege Zyklonentätigkeit charakteri-sierte Westwindregime die polaren Ostwinde.
7. Das polare Klima wird durch die eindeutige Vorherrschaft der arktischen oder ant-arktischen kalten Luftmassen bestimmt.
2.2 Gewässer 57
2.2 Gewässer
Gewässer ist nach DIN 4049-1 [5] fließendes oder stehendes Wasser, das im Zusam-menhang mit dem Wasserkreislauf (siehe auch Abschnitt 2.1.1) steht, einschließlich Gewässerbett bzw. Grundwasserleiter (siehe auch Abschnitt 6.2.1). Unter Wasser wer-den dabei alle in der Natur vorkommenden Arten von Wasser einschließlich aller darin gelösten, emulgierten und suspendierten Stoffe sowie der Mikroorganismen verstanden.
2.2.1 Quellen
Eine Quelle ist der Ort eines räumlich eng begrenzten Grundwasseraustritts [5]. Nach ih-ren Entstehungsursachen unterscheiden wir unter anderem:
Schichtquelle: Die undurchlässige Schicht, über der sich das Wasser im Grund-wasser-(Gw-)Leiter angesammelt hat, streicht aus. Dabei entstehen vielfach mehrere Quellen und man spricht von einem Quellenband.
Überlaufquelle: In einer muldenförmigen Vertiefung der undurchlässigen Schicht sammelt sich Gw, das an der tiefsten Stelle des Muldenrandes überläuft.
Verwerfungsquelle: Die normale Schichtenfolge Gw-Leiter – undurchlässige Schicht – ist so gestört, dass das Gw an der Sprungstelle austreten kann.
2.2.2 Oberflächengewässer
Gewässer können natürlich entstanden oder künstlich angelegt sein. Nach ihrer Bedeu-tung wird zwischen Strömen, Flüssen, Bächen, Gräben und dergleichen unterschieden. Wildbäche besitzen bei Hochwasser ungewöhnlich große Abflussspenden (siehe auch Abschnitt 2.2.2.2), zeit- und streckenweise schießenden Fließzustand sowie eine schnell und stark wechselnde Geschiebeführung. Gießbäche dagegen weisen keine nennenswer-te Geschiebeführung auf.
An den Küsten der Ozeane und ihrer Nebenmeere stehen die Wasserläufe mehr oder weniger stark unter dem Einfluss von Ebbe und Flut, den Gezeiten. Die Stelle im Fluss-lauf, bis zu der die Tideerscheinung noch messbar ist, wird mit Tidegrenze bezeichnet, während die weiter unterhalb liegende Stelle, bis zu der die Flutströmung reicht, mit Flutstromgrenze definiert wird.
Den Übergang vom Festland zum Meer bildet an der deutschen Nordseeküste das Watt, eine bei Tideniedrigwasser trocken fallende, fast ebene Fläche, deren Boden aus Schlamm, feuchtem Sand und dunkel-tonigem Schlick besteht. Mit dem offenen Meer ist das Watt durch tiefe Wasserrinnen, Priele, Gaten, Leyen oder Baljen genannt, verbun-den, durch die das Wasser ein- und ausströmt (siehe auch Abschnitt 12.5).
58 2 Wasserhaushalt, Gewässer, Hydrometrie
2.2.2.1 Einzugs- und Niederschlagsgebiet Unter Einzugsgebiet AE versteht man das in der Horizontalprojektion gemessene Gebiet, aus dem das Wasser einem bestimmten Ort zufließt. Die dafür maßgebenden unterirdi-schen Wasserscheiden sind im Allgemeinen unbekannt. Vereinfachend wird daher zu-meist mit dem durch oberirdische Wasserscheiden abgegrenzten oberirdischen Einzugs-gebiet AEo gerechnet, das in der Natur oder aus den Höhenlinien der Karten ermittelt werden kann (Abb. 2.5).
Abb. 2.5 Oberirdisches und unterirdisches Einzugsgebiet (Nakel)
2.2.2.2 Wasserstand und Abfluss Durch den Wasserstand W in m oder cm ist die Lage des Wasserspiegels über oder unter einem festen Bezugshorizont, z. B. dem Pegelnullpunkt, definiert. Unter Abfluss Q in m3/s oder l/s wird das Wasservolumen verstanden, das den Abflussquerschnitt in der Zeiteinheit durchfließt. Der auf 1 km2, in Sonderfällen auf 1 ha, bezogene Abfluss ist die Abflussspende q in l/(s · km2) bzw. l/(s · ha).
Als Abflusssumme in m3, hm3 oder km3 wird das Wasservolumen bezeichnet, das in einer bestimmten, zusätzlich anzugebenden Zeitspanne abgeflossen ist.
Mit Abflussfülle in m3, hm3 oder km3 wird das Wasservolumen einer Hochwasser-ganglinie über einem gewählten Abfluss Qi definiert. Der Abfluss eines Gebietes hängt im Wesentlichen ab von der Größe des Einzugsgebietes, dem Niederschlag, dem Klima, dem Wetter, der Jahreszeit, der Morphologie des Einzugsgebietes, der Versickerung und der Verdunstung.
Die wichtigsten, das Regime eines Gewässers, d. h. den charakteristischen Gang des Abflusses beschreibenden Werte, wie Wasserstand, Abfluss und Abflussspende, werden als gewässerkundliche Hauptwerte bezeichnet (Tab. 2.1).
Tab. 2.2 enthält Abflüsse und Abflussspenden einiger ausgewählter Flüsse Mittel-europas.
2.2 Gewässer 59
Tab. 2.1 Bezeichnung der gewässerkundlichen Hauptwerte
Erläuterung Abfluss Q in m3/s
Wasserstand in cm
im Tidegebiet außerhalb des Tide-gebietes W
Tideniedrig-wasser Tnw
Tidehoch-wasser Thw
Überhaupt bekannter höchster Wert (HH), Datum ist anzugeben
HHQ HHTnw HHThw HHW
Höchster Wert (H) in einem an-zugebenden Zeitraum
HQ HTnw HThw HW
Arithmetisches Mittel der Höchstwerte (MH) verschiedener Abflussjahre, Zeitraum ist an-zugeben
MHQ MHTnw MHThw MHW
Arithmetisches Mittel in einem anzugebenden Zeitraum (M)
MQ MTnw MThw MW
Für Niedrigwasser entsprechend MH
MNQ MNTnw MNThw MNW
Für Niedrigwasser entsprechend H
NQ NTnw NThw NW
Für Niedrigwasser entsprechend HH
NNQ NNTnw NNThw NNw
Median (Z), d. h. Wert, der im anzugebenden Zeitraum von der gleichen Anzahl von Hauptbeo-bachtungen sowohl über- wie unterschritten wird (früher als Zentralwert bezeichnet)
ZQ ZW
Dichtester oder häufigster Wert (D), d. h. im anzugebenden Zeit-raum am häufigsten vorkom-mender Hauptbeobachtungswert
DQ DW
Wert einer Beobachtungsreihe, der von n Werten dieser Reihe erreicht oder überschritten wird, n = Jährlichkeit
Qn Wn
Der Zeitraum kann in sich geschlossen sein (Monat, Halbjahr, Jahr, Jahresreihe) oder sich auf einzelne Monate oder Halbjahre einer Jahresfolge beziehen. Die entsprechenden Zeichen gelten für die Abflussspende q und die Wassertemperatur T. Die Monate werden abgekürzt: Nov, Dez, Jan, Feb, Mrz, Apr, Jun, Jul, Aug, Sept, Okt (ohne Punkt); Mai wird ausgeschrieben. Die Halb-jahre werden mit Wi, So angegeben, z. B. SoMHQ. Q (MW) bedeutet Q bei MW.
60 2 Wasserhaushalt, Gewässer, Hydrometrie
Tab. 2.2 Abflüsse und Abflussspenden einiger Flüsse Mitteleuropas (Bezeichnungen NNQ etc. sind in Tab. 2.1 erläutert)
