Hydrologie und

(1)

Hydrologie und

Flussgebietsmanagement

o.Univ.Prof. DI Dr. H.P. Nachtnebel

Institut für Wasserwirtschaft, Hydrologie und konstruktiver Wasserbau

(2)

Bodenwasserhaushalt Seite 2

Gliederung der Vorlesung

z Statistische Grundlagen

z Extremwertstatistik

z Korrelation und Regression

z Zeitreihenanalyse und Anwendung

z Regionalisierung & räumliche Interpolation

z Bodenwasserhaushalt

z Grundwasserhaushalt

z N-A Modelle – Einheitsganglinie

z N-A Modelle – kombinierte Translations- und Speichermodelle

z Kontinuierliche N-A Modelle

z Retention und Flood Routing

z Hydrologische Vorhersagen

z Flussgebietsmodelle

z Stofftransport

z Sedimenttransport – Modellierung

z Flussgebietsmodelle

(3)

Allgemeines

¾

Definition Boden

• Aus bodenkundlicher Sicht wird der Boden als die von

bodenbildenden Prozessen geprägte Grenzzone zwischen der Lithosphäre (Gesteinsschicht) und der Biosphäre mit der

Atmosphäre oder Hydrosphäre bezeichnet. Dieser Bereich (die Pedosphäre) besteht aus der mineralischen Bodensubstanz, der organischen Bodensubstanz, dem Bodenwasser, und der Bodenluft.

• Der Boden besteht aus anorganischen Mineralien und dem organischen Humus und ist im Raum in einem Bodengefüge

angeordnet. Die Hohlräume sind mit Bodenlösungen und Bodenluft gefüllt. Die wichtigste Rolle spielt der Boden als zentrale

Lebensgrundlage für Pflanzen und direkt oder indirekt für Tiere und Menschen.

(4)

Bodenaufbau

From: Noorallah Juma (2009): Pedosphere and Its Dynamics , Textbook

(5)

Porosität

Porosität / Porosity:

T P

V V

P = /

Porenzahl / Void ratio:

S P

V V

e = / e P e

= +

1

(6)

Wasserhaushaltskomponenten

From http://snobear.colorado.edu/IntroHydro/geog_hydro.html

Q = P – ET ΔS

Q … Abfluss P … Niederschlag

ET …Evapotranspiration S … Speicher

(7)

Allgemeines

¾

Kennzeichnende Bodeneigenschaften Dichte

Kornverteilung Porenverteilung

Wassergehalt und Speichervermögen Saugspannung

Durchlässigkeit

Infiltrationskapazität

(8)

Parameter des Bodenwasserhaushalts

¾

Bodenart

• Konrverteilungskurve

¾

Gefüge

• Wichtig für Pflanzen

¾

Korngrößenverteilung

• Gravimetrischer Anteil der Ton-, Schluff, Sandfraktion

¾

Lagerungsdichte

• Verhältnis Masse zu Volumen

• Gibt Auskunft über Infiltrationspotential

¾

Porenvolumen

• Volumetrischer Anteil der Bodenhohlräume am Gesamtvolumen

¾

Porengrößenverteilung

• Verteilung der Porendurchmesser

¾

Porenzahl

• Volumetrisches Verhältnis zwischen Porenvolumen und Feststoffvolumen

(9)

Kornverteilung: Messung

Source:

http://sg1-c813.uibk.ac.at/igt/labor/labor-bodenklass.html#anker1a

(10)

Dichte, Kornverteilung, Porengröße

(aus Flühler, 2004)

(11)

Kornverteilung

Textur-Dreieck:

Sand Clay

Silt

(12)

Porengrößenverteilung

(13)

Dichte, Kornverteilung, Porengröße

(aus Flühler, 2004)

(14)

Wassertransport im Boden

¾

Aufgrund der Schwerkraft – siehe

¾

Aufgrund des Saugspannungspotentials

Infiltration

pF-Wert ¾ Saugspannung

• Adsorptions- und Kapillarkräfte binden Bodenwasser an die Bodenmatrix

• Saugspannung ist vom

Bodenwassergehalt abhängig

• Saugspannungs-unterschiede -> Potentialgefälle ->

Wassertransport

¾ pF-Kurve

• Ist Saugspannungs-

Wassergehalts-Beziehung

(15)

Wassergehalt und Porosität

(16)

Durchlässigkeit

Die Durchlässigkeit ist abhängig von

der Bodenfeuchte und nimmt mit dieser zu

(17)

Komponenten des Bodenwasserhaushalts

Prozesse an der Erdoberfläche

(18)

Komponenten des Bodenwasserhaushalts

¾

Oberflächenabfluss

• Infiltriert nicht in den Boden – Abfluss oberflächlich

• Tritt auf bei

z Sättigung des Bodens

z Niederschlagsintensität > Infiltrationskapazität

• Rascher Abfluss zum Vorfluter

¾

Interflow

• Hangparalleler Abfluss an geneigten Standorten

• Relativ rascher Abfluss zum Vorfluter

¾

Infiltration

¾

Versickerung

¾

Wasserspeicherung

¾

Grundwasserneubildung

(19)

Komponenten des Bodenwasserhaushalts

¾ Verdunstung

z

Gesamtverdunstung (Evapotranspiration)

• Verdunstung vegetationsfreier Landfläche (Evaporation)

• Verdunstung von Pflanzenoberfläche (Interzeption)

• Verdunstung infolge biologischer Prozesse (Transpiration)

z

Potentielle Verdunstung

• Maximale Verdunstung unter gegebenen meteorologischen Bedingungen + keine Begrenzung im Wassernachschub

• Berechnung der potentiellen Verdunstungsbedingungen

(20)

Komponenten des Bodenwasserhaushalts

¾ Interzeption

• Rückhalt von Niederschlag an der Blattoberfläche der Vegetation

• Abhängig von Jahreszeit (Art, Dichte des Bewuchses ….)

(21)

Interception

Rainfall (mm)

(22)

Evaporation / Transpiration

Comparison of different evaporation formula (annual accumulation).

(23)

Infiltration

Infiltrationsverlauf in die Bodenmatrix

Infiltration in einen homogenen Boden bei konstantem

Wassergehalt

(24)

Infiltration

¾ Ausbreitung einer Feuchtefront und Einstellung eines typischen vertikalen Feuchteprofils

(25)

Doppelringinfiltrometer

¾ Versuch

• Wasser wird ständig zugegeben Î

Wasserspiegel konstant halten

• Im Außenring:

Aufsättigung der Bodenumgebung

• Im Innenring:

tatsächliche vertikale Infiltration

(26)

Infiltration

(27)

Bodenwasserhaushaltsmodelle

¾ Analytische Modelle

• Ausgeprägte Nichtlinearität

Î Lösung nur unter einfachen Randbedingungen möglich

z Verfahren nach Green und Ampt

z Ansatz von Phillip

¾ Konzeptionelle Modelle

• Gliederung des physikalischen Wassertransportprozesses in einzelne Komponenten

• Darstellung der Komponenten in Speicherbeziehungen

• Gesamtheitliche Modellierung von hydrologisch ähnlichen

(28)

Deterministische Simulationsmodelle

¾ Gliederung der einzelnen Komponenten in

physikalisch beschreibbare Teilprozesse

¾ In der Bodenmatrix wird der Wassertransport durch das

Saugspannungspotential und durch die Gravitation bewirkt

(29)

Deterministische Transportmodelle

Die Parametrisierung der Böden kann unterschiedlich erfolgen

(30)

Numerische Simulationsmodelle

¾ Verfahren

z

FE- / FD-Verfahren

z

1- / 2- / 3-dimensionale Verfahren

• 1-dimensional: nur vertikaler Fluss

z Lösung mittels partieller Differentialgleichung, abgeleitet aus Gesetz von Darcy und Kontinuitätsbedingung

z Beispiel: BOWA = 1D + FD-Modell des Institutes

• 2-dimensional: auch laterale Abflüsse (Zwischenabfluss bzw.

Interflow) werden berücksichtigt

(31)

Bodenwasserhaushaltsmodell

(32)

Bodenwasserhaushaltsmodell BOWA

¾

Lösung

• Explizites FD-Verfahren

¾

Arbeitsgleichungen

• Bilanzgleichung

• Gleichung von Darcy

( ^q

_i _n

^q

_i _n

) ^z ^ET

_i _n

^z

n i n

i

= Θ + − Δ − Δ

Θ

₊₁_, _, _, ₋₁ _, _,

(

_, ₁ _,

) ¹

2 / 1 , ,

1

=

₊ ₊

− Δ +

+

k h h z

q

_i _n _i _n _i _n _i _n

Die Ermittlung des Massen- flusses zwischen 2 Schichten berücksichtigt das Matrix- und Gravitationspotential zu Beginn des Zeitschrittes

i … Zeitindex n … Ortsindex q … Massenfluss

Θ … Vol. Bodenwassergehalt ET … Senkenterm (Transpiration) Δz … Schichtdicke

h … Saugspannung

k … Geom. Mittel von k zweier benachbarter Schichten Errechnet Bodenfeuchtezustand

einer Schicht am Ende eines Berechnungsintervalls

(33)

Modellierung Bodenwasserhaushalt

+ … Beobachtung - … Simulation

(34)

Bodenwasserhaushalt Seite 34 (aus Holzmann, 1994)

Interaktion Boden / Pflanze

Sink term variable λas a function of soil moisture content.

∑

=

ⁿ

i

pf i pot i

act

ET f

ET

1

λ

α ∑ ^α

ⁱ

⁼ ¹

(35)

Komponenten des Bodenwasserhaushalts 4

Abhängig von

• Bodenwassergehalt

• Pflanzenverfüg- barkeit

• Ab einem Grenzwert:

Transpirations-

kapazität nimmt linear ab

• Transpirationskapa-

z

Aktuelle Verdunstung

(36)

Bodenwasserhaushalt Seite 36 (aus NACHTNEBEL & HOLZMANN, 1993)

Bodenwassergehalt und Beregnung

Accumulated sums of precipitation (N), actual Evapotranspiration (ET) and Infiltration (I). Seasonal soil moisture (B) and threshold for limited root release (BFKRIT).

BFKRIT Kritischer

Wassergehalt

(37)

Einfluss der Vegetation auf die Versickerung

¾ Die Bodenmatrix, und damit der Wassertransport wird durch die Pflanzen gestört

(aufgelockert, durch abgestorbene Pflanzenteile entstehen

Makroporen)

(38)

Anwendung auf ein Testgebiet

Die Versickerung hängt vom

• Klima (Niederschlag, Strahlung, Temperatur),

• dem Boden (Mächtigkeit, Durchlässigkeit, Speichervermögen)

• und von der Landnutzung (Vegetation) ab

Fallbeispiel: Nördliches Leibnitzer Feld

(39)

Mais Gerste Weizen Grünland Wald

Jahresniederschlag Landnutzung

(40)

Bodenwasserhaushalt Seite 40 Wald

Siedlungen Gut

Mäßig Gering

Durchlässigkeit Jahresversickerung

(41)

Zusammenfassung Bodenwasserhaushalt

¾

Definition „Bodenwasserhaushalt“

¾

Komponenten

• Interzeption

• Verdunstung

• Oberflächenabfluss

• Interflow

• Infiltration

• Versickerung

• Wasserspeicherung

• Grundwasserneubildung

Kenngrößen

¾

Parameter

• Bodenart

• Gefüge

• Korngrößenverteilung

• Lagerungsdichte

• Porenvolumen

• Porengrößenverteilung

• Porenzahl