Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken
Vorlesung Wasserwirtschaft & Hydrologie I
Themen:
Vorlesung 4
Grundlagen der Verdunstung
Bi...
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Die Verdunstung setzt sich
aus zwei Teilprozessen
zusammen:
Evaporation
Transpiration
Als E...
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Die Evapotranspiration ist eine ausschlaggebende Größe bei
folgenden Aufgabenstellungen:
Wa...
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Atmosphäre
Wasserdargebot Energiedargebot
Boden
Vegetation
Standortbedingungen
Verdunstung
...
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P+
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Wasserbilanz
P + E + R + W = 0
P: Niederschlag
E: Verdunstung
R: Abflusshöhe...
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Rn+ - + H - +LE-
+ G -
Energiebilanz
Rn + H + G +LE = 0
R: Nettostrahlung
H: fühlbarer Wärm...
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Abhängigkeit der Verdunstung
Die Verdunstung ist physikalisch von folgenden Faktoren abhäng...
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Die nachfolgende Tabelle gibt Aufschluss über das Verhältnis der
jährlichen Verdunstung zum...
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Bei den Angaben zur Verdunstung wird unterschieden zwischen
Potentielle Verdunstung ETP
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Orientierungswerte der monatlichen Gebietsverdunstung in Prozent der Jahreswerte
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Welkepunkt Feldkapazität Maximale
Bodenfeuchte
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Perkolation
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Funktionale Zusammenhänge bei Sand-Böden
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Funktionale Zusammenhänge bei Lehm-Böden
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Funktionale Zusammenhänge bei Ton-Böden
[mm/dm]
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I II III IV
[mm] [mm] [mm] [mm]
Niederschlag [hn] 588 588 588 588
Verdunstung [hv] 335 231 ...
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Die Messung der Verdunstung kann grundsätzlich über
folgende Methoden vorgenommen werden:
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Bildquelle: DVWK Merkblatt 238
hV = hN - h - hS
Wägbare Lysimeteranlage
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Lysimeteranlage für Grünlandstandort
Bildquelle: ETH Zürich
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Bildquelle: DVWK Merkblatt 238
Verdunstungsfloß
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Bildquelle: DVWK Merkblatt 238
Kannenmessung
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Volumenkörper [1m³]
1 kg / m³ Wasserdampfdichte
 1 kg / m² = 1l / m²
1 kg / m² = 1l / m² =...
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Dabei wird die Energiebilanz zur Ermittlung der Verdunstungshöhe
herangezogen, indem der Ve...
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Die Formel von Penman gilt als die bekannteste und beste
Näherungsformel für die potentiell...
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Das Verfahren ermöglicht die Berechnung von Tages- und
Monatswerten der potentiellen Evapot...
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Auf der Basis der Messwerte der Lufttemperatur, der Sonnen-
scheindauer und der relativen L...
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Diese Methode (die für den praktischen Einsatz ungeeignet ist) ermit-
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RWTH Aachen Ingenieurhydrologie - Vorlesung Hydrologie I: Verdunstung

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RWTH Aachen - Ingenieurhydrologie
Vorlesung Hydrologie I
Themen:
Grundlagen der Verdunstung
Bilanzierungsansätze
Gebietsverdunstung
Jährliche Schwankungen
Verdunstungsmessung

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RWTH Aachen Ingenieurhydrologie - Vorlesung Hydrologie I: Verdunstung

  1. 1. Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Vorlesung Wasserwirtschaft & Hydrologie I Themen: Vorlesung 4 Grundlagen der Verdunstung Bilanzierungsansätze Gebietsverdunstung Jährliche Schwankungen Verdunstungsmessung
  2. 2. Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Die Verdunstung setzt sich aus zwei Teilprozessen zusammen: Evaporation Transpiration Als Evoporation wird die Verdunstung über freien Wasserflächen (Seen) sowie von vegetationsfreien Landflächen bezeichnet. Bei der Transpiration handelt es sich um die Verdunstung über die Oberfläche von Pflanzen. Bei hydrologischen Modellierungen wird die Evapotranspiration (als Zusammenfassung beider Prozesse) abgebildet. Verdunstung Hier stand ein Bild mit Rechten Dritter, das nicht freigegeben wurde.
  3. 3. Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Die Evapotranspiration ist eine ausschlaggebende Größe bei folgenden Aufgabenstellungen: Wasserhaushaltsbilanzierungen Ermittlung des langjährigen Wasserdargebots Niederschlag - Abfluss Modellierungen Wachstums- und Ertragsmodelle der Land- und Forstwirtschaft Für diese Fragestellungen ist es notwendig, die (möglichst) exakte Größe der Evapotranspiration sowohl als Mittelwert für langan- haltende Prozessabbildungen sowie in hoher raumzeitlicher Auflösung zu bestimmen. Evapotranspiration
  4. 4. Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Atmosphäre Wasserdargebot Energiedargebot Boden Vegetation Standortbedingungen Verdunstung Entscheidend für die Verdunstung sind: der Dampfdruckgradient das Wasserdargebot das Energiedargebot Verdunstungsprozess
  5. 5. Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken P+ -R +R W+ - Wasserbilanz P + E + R + W = 0 P: Niederschlag E: Verdunstung R: Abflusshöhe (ober- und unterirdisch) W: Wasservorratsänderung - E Verdunstung aus der Wasserbilanz
  6. 6. Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Rn+ - + H - +LE- + G - Energiebilanz Rn + H + G +LE = 0 R: Nettostrahlung H: fühlbarer Wärmestrom G: Bodenwärmestrom LE: latenter Wärmestrom Verdunstung aus der Energiebilanz
  7. 7. Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Abhängigkeit der Verdunstung Die Verdunstung ist physikalisch von folgenden Faktoren abhängig: der Differenz des Dampfdruckes an der Oberfläche und dem Dampfdruck der oberflächennahen Luft der Energie, die an der Oberfläche zur Verfügung steht der Menge des Wasserdampfes, die in der Luft transportiert wird der Menge des Wassers, das an der Oberfläche vorhanden ist oder dahin transportiert wird Einflussfaktoren für die Verdunstung
  8. 8. Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Die nachfolgende Tabelle gibt Aufschluss über das Verhältnis der jährlichen Verdunstung zum jährlichen Niederschlag in Abhängigkeit der Vegetation. 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 hV/hNin% Nackter Boden Getreideland Hackfrüchte Grünland Wälder freie Wasserfläche feuchte Erdoberfläche Jährliche Verdunstungsverhältnisse
  9. 9. Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Bei den Angaben zur Verdunstung wird unterschieden zwischen Potentielle Verdunstung ETP Reale Verdunstung ETR Die potentielle Verdunstung ETP ist eine Rechengröße, die angibt, wie viel Wasser bei gegebenen meteorologischen Verhältnissen verdunsten würde, falls unbegrenzte Wassermengen zur Verfügung stehen. Die tatsächliche oder reale Verdunstung ETR wird bei den vorhandenen Wassermengen und klimatischen Bedingungen (beispielsweise per Lysimeter) gemessen. Es gilt: ETP  ETR Evapotranspiration
  10. 10. Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken 0 100 200 300 400 500 600 700 800 Verdunstunginmm ETa Winter ETp Winter ETa Sommer ETp Sommer ETa Gesamtjahr ETp Gesamtjahr Jahreswerte der Verdunstung in Deutschland
  11. 11. Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Orientierungswerte der monatlichen Gebietsverdunstung in Prozent der Jahreswerte 0,0 5,0 10,0 15,0 20,0 25,0 JAN FEB MRZ APR MAI JUN JUL AUG SEP OKT NOV DEZ niederschlagsreiche Gebiete niederschlagsarme Gebiete Jahreszeitliche Schwankung der Verdunstung
  12. 12. Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Welkepunkt Feldkapazität Maximale Bodenfeuchte [mm] [%] 20 40 60 80 100 Perkolation Infiltration Evapotranspiration Verdunstung im Bodenkörper
  13. 13. Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken [%] 20 40 60 80 100 Funktionale Zusammenhänge bei Sand-Böden [mm/dm] 10 20 30 40 50 60 70 WP FK BMAX Perkolation Evapotranspiration Infiltration
  14. 14. Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken [%] 20 40 60 80 100 Funktionale Zusammenhänge bei Lehm-Böden [mm/dm] 10 20 30 40 50 60 70 Perkolation Infiltration WP FK BMAX Evapotranspiration
  15. 15. Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken [%] 20 40 60 80 100 Funktionale Zusammenhänge bei Ton-Böden [mm/dm] 10 20 30 40 50 60 70 Perkolation Evapotranspiration Infiltration WP FK BMAX
  16. 16. Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken I II III IV [mm] [mm] [mm] [mm] Niederschlag [hn] 588 588 588 588 Verdunstung [hv] 335 231 166 102 Grundwasserneubildung [ds] 208 117 118 99 Oberflächenabfluss [ha] 45 240 304 387 hn - hv - ha - ds = 0 0 0 0 0 Versiegelungsstufen I: 10 - 50 % Einfamilienhaus Siedlung II: 45 - 75 % Blockrandbebauung III: 70 - 90 % Städtische Bebauung IV: 85 - 100 % Innerstädtische Blockbauweise Verdunstung in städtischen Gebieten
  17. 17. Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Die Messung der Verdunstung kann grundsätzlich über folgende Methoden vorgenommen werden: Wasserbilanzmethode Wasserdampfstrommethode Energiebilanzmethode Beispiele: Verdunstungskessel Lysimeter Methoden der Verdunstungsermittlung Verdunstungsmessung
  18. 18. Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Bildquelle: DVWK Merkblatt 238 hV = hN - h - hS Wägbare Lysimeteranlage
  19. 19. Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Lysimeteranlage für Grünlandstandort Bildquelle: ETH Zürich
  20. 20. Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Bildquelle: DVWK Merkblatt 238 Verdunstungsfloß
  21. 21. Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Bildquelle: DVWK Merkblatt 238 Kannenmessung
  22. 22. Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Volumenkörper [1m³] 1 kg / m³ Wasserdampfdichte  1 kg / m² = 1l / m² 1 kg / m² = 1l / m² = 1mm 1 mmGrundfläche [1m²] Spezifische Verdampfungswärme zur Umwandlung von 1 kg Wasser in Wasserdampf L* = ( )2,498 0,00242T 106 J kg Energie = Arbeit Spezifische Verdampfungswärme
  23. 23. Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Dabei wird die Energiebilanz zur Ermittlung der Verdunstungshöhe herangezogen, indem der Verdunstungswärmestrom ermittelt wird. LE = Rn H+ G+ Der Tageswert der Verdunstung errechnet sich dann wie folgt: hV = LE L [ ]mm L = 28,9 0,028 T w m² mm Verdunstungsmessung LE: latenter Wärmestrom Rn: Nettostrahlung H: fühlbarer Wärmestrom G: Bodenwärmestrom
  24. 24. Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Die Formel von Penman gilt als die bekannteste und beste Näherungsformel für die potentielle Verdunstung. hierbei sind: ξ = temperaturabhängiger Faktor Q = Strahlungsbilanz v = Einflussfaktor der Windgeschwindigkeit (EL-eL) = Sättigungsdefizit der Luft Die Penman Formel ist gültig für Flächen mit unbegrenzter Wasserzuführung (z.B. offene Wasserflächen) )e(Eνζ)(1QζW LL--+= Penman Formel
  25. 25. Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Das Verfahren ermöglicht die Berechnung von Tages- und Monatswerten der potentiellen Evapotranspiration. ETPHaude = f ( )es ( )T e 14 mm d eS(T) – e Sättigungsdefizit der Luft mit Wasserdampf in hPa zum Messzeitpunkt (14:30 MEZ) f zeitvarianter Haudefaktor Haude Formel
  26. 26. Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Auf der Basis der Messwerte der Lufttemperatur, der Sonnen- scheindauer und der relativen Luftfeuchte erfolgt bei diesem Ansatz die rechnerische Ermittlung von Tageswerten für die potentielle Evapotranspiration. ETPTurc = 0,0031 C ( )Rg 209+ T T 15+ mm d Rg Globalstrahlung [J/cm²] T Tagesmittelwert der Lufttemperatur [C°] C Faktor in Abhängigkeit der mittleren Luftfeuchte Die Anwendung dieser Methode kann nicht bei negativen Tagestemperaturen erfolgen. Turc Verfahren
  27. 27. Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Diese Methode (die für den praktischen Einsatz ungeeignet ist) ermit- telt die Verdunstungshöhe hV durch die direkte Messung der relativen Luftfeuchtigkeit in der Vertikalen sowie der Windgeschwindigkeit. Das Ergebnis ist nur belastbar, wenn die Messgrößen in hoher zeitlicher Detaillierung (kurze Messintervalle) vorliegen. Bildquellen: Thies Clima Wasserdampfstrommethode

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