RWTH Aachen Ingenieurhydrologie - Vorlesung Hydrologie I: Verdunstung
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Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken
Vorlesung Wasserwirtschaft & Hydrologie I
Themen:
Vorlesung 4
Grundlagen der Verdunstung
Bilanzierungsansätze
Gebietsverdunstung
Jährliche Schwankungen
Verdunstungsmessung
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.
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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
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Atmosphäre
Wasserdargebot Energiedargebot
Boden Vegetation
Standortbedingungen
Verdunstung
Entscheidend für die Verdunstung sind:
der Dampfdruckgradient
das Wasserdargebot
das Energiedargebot
Verdunstungsprozess
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P+
-R
+RW+ -
Wasserbilanz
P + E + R + W = 0
P: Niederschlag
E: Verdunstung
R: Abflusshöhe (ober- und unterirdisch)
W: Wasservorratsänderung
- E
Verdunstung aus der Wasserbilanz
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Rn+ - + H - +LE-
+ G -
Energiebilanz
Rn + H + G +LE = 0
R: Nettostrahlung
H: fühlbarer Wärmestrom
G: Bodenwärmestrom
LE: latenter Wärmestrom
Verdunstung aus der Energiebilanz
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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
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
100h
V/h
N i
n %
Nackter Boden
Getreideland
Hackfrüchte
Grünland
Wälder
freie Wasserfläche
feuchte Erdoberfläche
Jährliche Verdunstungsverhältnisse
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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
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0
100
200
300
400
500
600
700
800V
erd
un
stu
ng
in m
m
ETa Winter
ETp Winter
ETa Sommer
ETp Sommer
ETa Gesamtjahr
ETp Gesamtjahr
Jahreswerte der Verdunstung in Deutschland
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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
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Welkepunkt Feldkapazität Maximale Bodenfeuchte
[mm]
[%]
20
40
60
80
100
Perkolation
Infiltration
Evapotranspiration
Verdunstung im Bodenkörper
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
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
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[%]
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
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I II III IV[mm] [mm] [mm] [mm]
Niederschlag [hn] 588 588 588 588Verdunstung [hv] 335 231 166 102Grundwasserneubildung [ds] 208 117 118 99Oberflächenabfluss [ha] 45 240 304 387
hn - hv - ha - ds = 0 0 0 0 0
Versiegelungsstufen I: 10 - 50 % Einfamilienhaus SiedlungII: 45 - 75 % BlockrandbebauungIII: 70 - 90 % Städtische BebauungIV: 85 - 100 % Innerstädtische Blockbauweise
Verdunstung in städtischen Gebieten
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Die Messung der Verdunstung kann grundsätzlich über folgende Methoden vorgenommen werden:
Wasserbilanzmethode
Wasserdampfstrommethode
Energiebilanzmethode
Beispiele: VerdunstungskesselLysimeter
Methoden der Verdunstungsermittlung
Verdunstungsmessung
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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 = 1mm
1 mmGrundfläche [1m²]
Spezifische Verdampfungswärme zur Umwandlung von 1 kg Wasser in Wasserdampf
L* = ( )2,498 0,00242T 10 6 J
kgEnergie = Arbeit
Spezifische Verdampfungswärme
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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
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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
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Das Verfahren ermöglicht die Berechnung von Tages- und Monatswerten der potentiellen Evapotranspiration.
ETPHaude = f ( )e s ( )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
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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
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