Grundlagen der Hydrologie: Systeme, Modelle und Einzugsgebiete

Grundlagen Hydrologischer Systeme

Hydrologische Phänomene sind sehr komplex, sodass sie nie vollständig erfassbar sind. Obwohl sie nie vollständig bekannt sein können, lassen sich hydrologische Phänomene vereinfacht als ganzheitliches System betrachten, das aus interagierenden Teilen besteht. Der hydrologische Kreislauf kann als ein System mit Komponenten wie Niederschlag, Verdunstung, Abfluss und anderen Elementen des Zyklus betrachtet werden. Diese Komponenten können wiederum in Subsysteme gruppiert werden. Um das gesamte System zu analysieren, können Subsysteme separat behandelt und die Ergebnisse unter Berücksichtigung ihrer Wechselwirkungen kombiniert werden.

Hydrologische Modelle und ihre Anwendung

Ziel der Analyse hydrologischer Systeme ist es, deren Funktionsweise zu untersuchen und ihre Ergebnisse vorherzusagen. Ein Modell des hydrologischen Systems ist eine Annäherung an das reale System. Seine Ein- und Ausgänge sind messbare hydrologische Variablen, und seine Struktur besteht aus einem Satz von Gleichungen oder Transferfunktionen, die die Transformation der Eingangsgrößen in Ausgangsvariablen beschreiben. Hydrologische Modelle werden hauptsächlich in zwei Kategorien klassifiziert: Physikalische Modelle und Mathematische Modelle. Erstere stellen das System in verkleinertem Maßstab dar (z.B. hydraulische Modelle), während letztere das System mathematisch durch eine Reihe von Gleichungen abbilden, die die Beziehung zwischen Eingangs- und Ausgangsgrößen beschreiben. Die meisten hydrologischen Prozesse sind zufällig und ihre Größe variiert mit der Zeit und im Raum. Daher ist die Entwicklung eines Modells, das diese Merkmale berücksichtigt, eine sehr schwierige Aufgabe und erfordert oft Vereinfachungen, indem einige Variationsquellen ignoriert werden.

Der Wasserhaushalt: Grundlagen und Gleichungen

Dieses System besteht aus einer geneigten, vollständig wasserdichten Fläche, die an vier Seiten begrenzt ist und einen Abfluss am Punkt A aufweist. Wird Niederschlag in das System eingebracht, entsteht ein Abfluss, der als Oberflächenabfluss am Punkt A bezeichnet wird. Der Wasserhaushalt in diesem System kann durch die folgende hydrologische Gleichung dargestellt werden:

I - O = dS / dt (1.1)

wobei I der Input pro Zeiteinheit, O der Output pro Zeiteinheit und dS/dt die Änderung des Speichers innerhalb des Systems pro Zeiteinheit ist. Eine minimale Wasserhöhe muss sich auf der Oberfläche ansammeln, damit Abfluss auftritt. Mit zunehmender Niederschlagsintensität erhöht sich die auf der Oberfläche zurückgehaltene Wassermenge. Nachdem der Regen aufgehört hat, fließt das auf der Oberfläche verbleibende Wasser weiterhin als Restabfluss aus dem System ab. In diesem Beispiel wird der gesamte Niederschlag schließlich in Abfluss umgewandelt, vorausgesetzt, Verdunstungsverluste während des Prozesses werden vernachlässigt.

In Wirklichkeit ist der Wasserhaushalt an einem Einzugsgebiet nicht so einfach wie im vorgestellten Modell, da verschiedene Verluste während des Prozesses auftreten. Verdunstung beginnt bereits, sobald der Niederschlag einsetzt und den Boden erreicht. Das niedergeschlagene Wasser beginnt gespeichert zu werden, da die Bodenoberfläche nicht flach ist wie im Modell, sondern Vertiefungen aufweist. Dort angesammeltes Wasser verdunstet schließlich oder infiltriert in den Boden, bevor es Bäche oder Abflüsse erreicht. Wasser ist weiterhin der Verdunstung ausgesetzt. All diese Prozesse können den Wasserhaushalt an einem Einzugsgebiet, wie in Abbildung 1.7 dargestellt, durch die folgenden mathematischen Gleichungen beschreiben:

Mathematische Gleichungen des Wasserhaushalts

a) Wasserbilanz auf der Oberfläche

P - R + R_g - E_s - T_s - I = S_s (1.2)

b) Wasserbilanz unter der Oberfläche

I + G₁ - G₂ - R_g - E_g - T_g = S_g (1.3)

c) Gesamtwasserbilanz im Einzugsgebiet (Summe der Gleichungen 1.2 und 1.3)

P - R - (E_s + E_g) - (T_s + T_g) - (G₂ - G₁) = (S_s + S_g) (1.4)

Das Einzugsgebiet (Wasserscheide)

Allgemeine Definition und Bedeutung

Unter den hydrologischen Regionen von praktischer Bedeutung heben Hydrologen das Einzugsgebiet oder die Wasserscheide hervor, da sie die Anwendung der Wasserbilanz vereinfachen. Nach Viessman, Harbaugh und Knapp (1977) ist die Wasserscheide der gesamte Bereich, der von einem Wasserlauf oder einem Flusssystem entwässert wird, dessen Wasser an einem Ausgangspunkt zusammenfließt. Mit anderen Worten, ein Einzugsgebiet ist der Bereich, der zum Abfluss beiträgt und den gesamten oder einen Teil des Hauptkanals und seiner Nebenflüsse speist.

Die physikalischen und funktionalen Eigenschaften einer Wasserscheide werden durch verschiedene Faktoren definiert, die die Art des Abflusses eines Gewässers bestimmen. Das Verständnis dieser Besonderheiten ist aus folgenden Gründen sehr wichtig:

• a) für Vergleiche zwischen Wasserscheiden,
• b) zur eindeutigen Interpretation vergangener Ereignisse,
• c) zur Erstellung von Abflussprognosen.

Diese Faktoren, die die Art der Abflussmenge bestimmen, können in zwei Hauptgruppen unterteilt werden: Faktoren, die von den physikalischen Eigenschaften und der Nutzung der Wasserscheide abhängen (physiographische Faktoren), und klimaabhängige Faktoren (klimatische Faktoren).

Physikalische Eigenschaften des Einzugsgebiets

Die Einzugsgebietsgrenze

Das gesamte Einzugsgebiet wird durch eine Linie begrenzt, die durch die höchsten topographischen Punkte verläuft. Diese Linie, als Wasserscheide bezeichnet, trennt den Niederschlag, der in benachbarte Einzugsgebiete fällt, und leitet den resultierenden Abfluss in das jeweilige Flusssystem. Die Wasserscheide ist eine starre Linie um das Einzugsgebiet, die den Abfluss ausschließlich zum Ausgangspunkt leitet und die höchsten Punkte zwischen den Einzugsgebieten verbindet. Dies schließt jedoch nicht die Existenz von isolierten Gipfeln innerhalb eines Einzugsgebiets aus, deren Höhen über einigen Punkten der Grenze liegen können.

Der Wasserfluss in ein Einzugsgebiet besteht aus Wasser, das die Kanäle als Oberflächenabfluss erreicht, sowie aus Wasser, das die Kanäle über unterirdische Wege und Grundwasserströme erreicht. Die Oberfläche eines Einzugsgebiets wird durch zwei Arten von Wasserscheiden begrenzt: eine topographische Wasserscheide (Oberflächenwasserscheide) und eine Grundwasserwasserscheide. Die topographische Wasserscheide ist durch ihre Topographie bedingt und definiert den Bereich, aus dem das Oberflächenwasser des Einzugsgebiets stammt. Die Grundwasserwasserscheide wird in der Regel durch die geologische Struktur des Landes bestimmt, die oft von der Topographie beeinflusst wird. Die Grundwasserwasserscheide stellt daher die Grenzen der unterirdischen Wasserreservoire dar, aus denen der Grundabfluss des Einzugsgebiets stammt, und stimmt selten mit der topographischen Wasserscheide überein. Aufgrund der Schwierigkeiten, die genaue Grundwasserwasserscheide zu bestimmen – da sie nicht fest ist und ihre Position mit den Wasserspiegelschwankungen variiert – ist es üblich, anzunehmen, dass das Gebiet der Wasserscheide durch die topographische Wasserscheide bestimmt wird. Auf diese Weise kann Wasser aus Niederschlägen, das die Oberfläche eines Einzugsgebiets erreicht, infiltrieren und unterirdisch abfließen, auch wenn es durch die topographische Wasserscheide des Beckens in ein anderes Einzugsgebiet gelangt, in dem der Niederschlag nicht aufgetreten ist.

Die Einzugsgebietsfläche

Die Fläche der Wasserscheide oder des Einzugsgebiets ist die ebene Fläche (horizontale Projektion), die von der Wasserscheide begrenzt wird. Die Fläche des Einzugsgebiets ist das grundlegende Element für die Berechnung anderer physikalischer Eigenschaften und wird in der Regel mit einem Planimeter bestimmt und in km² oder Hektar ausgedrückt. Es ist bemerkenswert, dass Wasserscheiden mit der gleichen hydrologischen Fläche je nach anderen Faktoren völlig unterschiedliche Verhaltensweisen aufweisen können.

Die Form des Einzugsgebiets

Die Oberflächenform einer Wasserscheide ist wichtig, da sie die Konzentrationszeit beeinflusst. Diese ist definiert als die Zeit, die das gesamte Wasser des Einzugsgebiets benötigt, um vom Beginn des Regens oder des Zuflusses bis zum untersuchten Abschnitt zu fließen. Mit anderen Worten, es ist die Zeit, die das Wasser benötigt, um die Grenzen des Einzugsgebiets zu verlassen. Im Allgemeinen haben große Flussgebiete die Form einer Birne, während kleine Einzugsgebiete je nach ihrer geologischen Struktur sehr unterschiedliche Formen aufweisen können.

Es gibt verschiedene Indizes, die verwendet werden, um die Form des Einzugsgebiets zu bestimmen und sie mit bekannten geometrischen Formen in Beziehung zu setzen, wie z.B. das Kompaktheitsverhältnis eines Kreises oder der Formfaktor eines Rechtecks.