E-Book, Deutsch, 320 Seiten
Reihe: utb basics
ISBN: 978-3-8463-4513-9
Verlag: UTB
Format: EPUB
Kopierschutz: Wasserzeichen (»Systemvoraussetzungen)
Rund 200 Abbildungen und 45 Tabellen veranschaulichen die komplexen Sachverhalte.
Autoren/Hrsg.
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Vorwort 10
Allgemeine Hydrologie
1 Geschichte der Hydrologie (Georg Hörmann) 13
1.1 Naturmythologie 13
1.2 Naturphilosophie 13
1.3 Hydrologie im Zeitalter der Naturwissenschaften 14
1.4 Wasserwirtschaft 15
2 Wasser als Stoff (Martin Jekel, Andreas Grohmann) 17
2.1 Molekularer Aufbau 17
2.2 Wasser als polares Molekül – Wasserstoffbrückenbindungen 18
2.3 Physikalische Eigenschaften 21
3 Globaler und regionaler Wasserkreislauf
(Markus Weiler, Konrad Miegel) 29
3.1 Wasservorkommen und Wasserkreislauf der Erde 29
3.2 Strahlung als Hauptantrieb des Wasserkreislaufs 34
3.3 Globale Unterschiede des Wasserhaushalts 38
4 Niederschlag (Uwe Haberlandt) 47
4.1 Bildung und Charakterisierung des Niederschlags 47
4.2 Niederschlagsmessung 53
4.3 Gebietsniederschlag 58
4.4 Bemessungsniederschlag 62
4.5 Schneeniederschlag 65
5 Bodenwasserhaushalt (Gerd Wessolek) 69
5.1 Hydraulische Bodeneigenschaften und Kennwerte 69
5.2 Potenzialkonzept, Wasserspannung und Wassergehaltsmessungen 78
5.3 Wasserbewegung im Boden 84
5.4 Infiltration 87
6 Grundwasser (Martin Reiss, Stefan Harnischmacher) 91
6.1 Grundwasser im hydrologischen System 91
6.2 Messung und Kennzeichnung 96
6.3 Grundwasserdynamik 98
6.4 Grundwassernutzung 103
7 Verdunstung (Konrad Miegel) 109
7.1 Die Verdunstung als physikalischer Prozess 109
7.2 Die Verdunstung als hydrologischer Prozess 111
7.3 Experimentell gestützte Erfassung der Verdunstung 116
7.4 Berechnungsverfahren der Verdunstung 121
8 Abfluss im Gewässersystem (Markus Casper, Helge Bormann) 127
8.1 Der Abflussprozess 127
8.2 Messmethoden 134
8.3 Statistische Auswertungen und Berechnungsverfahren 139
9 Abflussbildung in der Landschaft (Axel Bronstert) 143
9.1 Einführung 143
9.2 Abflussbildung als Teil des Wasserkreislaufs 145
9.3 Oberirdische Abflussprozesse 147
9.4 Unterirdische Abflussprozesse 154
9.5 Abflussbildung infolge von Schnee- und Eisschmelze 160
9.6 Abfluss von Siedlungsflächen 163
10 Seen (Brigitte Nixdorf, Björn Grüneberg) 167
10.1 Natürliche Seen 167
10.2 Anthropogene Seen 174
10.3 Limnologische Probenahme- und Messmethoden 176
Spezielle Bereiche der Hydrologie
11 Einfluss von Landnutzung und Landbedeckung auf den Wasserkreislauf (Markus Weiler) 179
11.1 Einführung 179
11.2 Forst 181
11.3 Landwirtschaft 185
11.4 Stadthydrologie 186
12 Einfluss des Klimas und des Klimawandels auf den Wasserkreislauf
(Helge Bormann, Markus Casper) 191
12.1 Einführung 191
12.2 Quantifizierung der Wirkung des Klimas auf den Wasserkreislauf 194
12.3 Hydrologische Signale des Klimawandels 198
12.4 Berechnung des Einflusses des Klimas auf den Wasserkreislauf 199
13 Ökohydrologie (Nicola Fohrer) 203
13.1 Einführung 203
13.2 Ökohydrologie der Landoberfläche: Die Interaktion zwischen Pflanze, Boden und Atmosphäre 204
13.3 Einzugsgebietsökohydrologie: Flüsse und ihre dynamischen Auensysteme 205
13.4 Ökohydrologie von Seen, Ästuarien und Küstenzonen 207
14 Hydrologische Extreme (Andreas Schumann, Lucas Menzel) 211
14.1 Hochwasser (Andreas Schumann) 212
14.2 Merkmale eines Hochwasserereignisses (Andreas Schumann) 217
14.3 Niedrigwasser (Lucas Menzel) 222
14.4 Dürren (Lucas Menzel) 223
Hydrologische Verfahren und Methoden
15 Hydrologische Modelle (Georg Hörmann) 231
15.1 Komponenten und Eingangsdaten von hydrologischen Modellen 231
15.2 Modelltypen 232
15.3 Workflow der Modellierung 234
15.4 Überprüfung der Modellgüte 235
15.5 Probleme und Fehlerquellen bei der Modellierung 236
15.6 Beispiele für hydrologische Modelle 237
16 Tracer in der Hydrologie (Jens Lange) 239
16.1 Künstliche Tracer 239
16.2 Natürliche Tracer 241
16.3 Tracer für hydrologische Systeme 243
17 Fernerkundung in der Hydrologie (Natascha Oppelt) 251
17.1 Was ist Fernerkundung? 251
17.2 Der Einsatz der Fernerkundung in der Hydrologie 256
17.3 Fernerkundung und hydrologische Modellierung 260
17.4 Qualitätsmanagement von Fernerkundungsprodukten 260
Regionale Hydrologie
18 Tieflandhydrologie (Britta Schmalz) 263
18.1 Einführung in das Tiefland als naturräumliche Großregion 263
18.2 Charakteristika hydrologischer Steuergrößen 264
18.3 Hydrologische Prozesse in Tieflandgebieten 267
18.4 Messungen in und Modellierung von Tieflandgebieten 272
19 Hydrologie der Mittelgebirge (Peter Chifflard) 275
19.1 Einführung in den Naturraum Mittelgebirge 275
19.2 Charakteristika hydrologischer Steuergrößen 278
19.3 Hydrologische Prozesse der Mittelgebirge 283
20 Hydrologie der Hochgebirge (Kerstin Stahl) 287
20.1 Einführung in den Naturraum Hochgebirge 288
20.2 Charakteristika hydrologischer Steuergrößen 288
20.3 Hydrologische Prozesse im Hochgebirge 290
20.4 Besonderheiten der Hydrologie vergletscherter Gebiete 294
21 Hydrologie von Trockenregionen (Axel Bronstert, Jens Lange) 299
21.1 Bedeutung der Hydrologie in Trockenregionen 300
21.2 Räumliche Abgrenzung 302
21.3 Niederschlag 303
21.4 Verdunstung 304
21.5 Infiltration und Abflussbildung 305
21.6 Abflussereignisse und –verluste 307
21.7 Grundwasser und Grundwasserneubildung 310
Anwendungen der Hydrolgie
22 Bewässerung (Niels Schütze) 313
22.1 Grundlagen der Bewässerung 313
22.2 Der Betrieb von Bewässerungsanlagen 318
23 Hydrologische Bemessung und hydrologisches Risiko (Bruno Merz) 325
23.1 Einführung 325
23.2 Hydrologische Bemessung 328
23.3 Risikomanagement 333
24 Integriertes Wasserressourcenmanagement (Markus Disse) 337
24.1 Geschichte und Ziele des Integrierten Wasserressourcenmanagements (IWRM) 337
24.2 Die EG-Wasserrahmenrichtlinie als Referenz für erfolgreiches IWRM 340
24.3 Beschreibung der Komponenten wasserwirtschaftlicher Systeme 342
24.4 Optimierung und Beurteilung von integrierten wasserwirtschaftlichen Maßnahmen 344
24.5 Multikriterielle Entscheidungsanalyse 345
25 Partizipation im Wassermanagement (Mariele Evers) 347
25.1 Einführung 347
25.2 Definitionen und Differenzierung des Begriffs 'Partizipation' 348
25.3 Partizipation im Wassermanagement 352
25.4 Methoden und Forschungsansätze 353
Anhang
Symbolliste 359
Literatur 365
Die Herausgeber und Autoren 382
Die Deutsche Hydrologische Gesellschaft (DHG) 384
Register 385
| 2Wasser als Stoff Martin Jekel, Andreas Grohmann Inhalt 2.1 Molekularer Aufbau 2.2 Wasser als polares Molekül – Wasserstoffbrückenbindungen 2.3 Physikalische Eigenschaften Wasser besitzt einzigartige Eigenschaften und ist für alle biologischen und ökologischen Vorgänge unverzichtbar. Sein molekularer Aufbau mit gewinkelten Bindungen zwischen Sauerstoff- und Wasserstoffatomen ist von zentraler Bedeutung für die Ausbildung von Wasserstoffbrückenbindungen. Alle physikalischen und chemischen Prozesse mit Wassermolekülen beruhen darauf und sind ungewöhnlich im Vergleich mit ähnlichen Molekülen. 2.1 | Molekularer Aufbau Wasser (H2O) ist die bei Weitem wichtigste binäre, aus Atomen zweier Elemente bestehende Verbindung. Sie entsteht aus der Vereinigung der Elemente Wasserstoff mit dem Elementsymbol H (gr.-lat. hydrogenium, «Wasserbildner») und Sauerstoff mit dem Elementsymbol O (gr.-lat. oxygenium, «Säurebildner»). Der Grundzustand der Elemente ist jeweils das zweiatomige Molekül H2 bzw. O2. Namen im Rahmen der wissenschaftlichen Nomenklatur sind Dihydrogenoxid und Oxidan. Wasser besitzt einzigartige physikalische und chemische Eigenschaften und ist für alle biologischen und ökologischen Vorgänge unverzichtbar. Diese Eigenschaften bedingen seine Rolle als Träger des Lebens und machen Wasser zum Ausgangspunkt einer Vielzahl von Wechselbeziehungen, die unseren blauen Planeten prägen. Die besonderen Eigenschaften des Wassers gründen in der Struktur des Wassermoleküls und in der Art der in ihm zwischen Sauerstoff- und Wasserstoffatomen geknüpften kovalenten Bindungen. Das Element Wasserstoff findet sich in der 1. Hauptgruppe des Periodensystems bzw. der 1. Gruppe und der 1. Periode mit der Ordnungszahl 1, das Element Sauerstoff in der 6. Hauptgruppe, bzw. der 16. Gruppe und der 2. Periode mit der Ordnungszahl 8. Ein Wasserstoffatom mit dem Symbol H weist ein Elektron in seiner Elektronenhülle auf und ein Sauerstoffatom O acht Elektronen, davon sind sechs an Bindungen beteiligt. Die Elektronenkonfiguration des Wasserstoffatoms im Grundzustand wird als 1s1 notiert, diejenige des Sauerstoffatoms als 1s2 2s2 2p4. Die führenden Ziffern in dieser Notation sind die Hauptquantenzahlen der Elektronenhülle, die Kleinbuchstaben sind aus der Spektroskopie abgeleitete Bezeichnungen der besetzten Atomorbitale, und die Exponenten geben die Elektronenanzahl in den jeweiligen Atomorbitalen an. Die in diesen Orbitalen befindlichen Elektronen werden als Valenzelektronen bezeichnet. Abb. 2-1 | Zwei Darstellungen der räumlichen Anordnung der Atome und freien Elektronenpaare im H2O- Molekül. Der angegebene Bindungswinkel ist der für die Gasphase bestimmte Wert (nach Grohmann et al. 2011). Das Wassermolekül hat die Form eines Tetraeders. Die Verknüpfung von Atomen zu Verbindungen, wie z.B. die Bildung von Wasser (H2O) aus einem Atom Sauerstoff und zwei Atomen Wasserstoff, befriedigt in der Regel das Bestreben der Atome, besonders stabile Elektronenkonfigurationen zu erlangen. Aus diesen Betrachtungen ergibt sich, warum die Summenformel für das Wassermolekül H2O lautet, sich also bei der Bildung von Wasser aus den Elementen genau zwei Wasserstoffatome mit einem Sauerstoffatom unter Ausbildung zweier kovalenter Bindungen verknüpfen. Im Zuge der Reaktion steuern zwei Wasserstoffatome je ein Valenzelektron und das Sauerstoffatom sechs Valenzelektronen bei. Von zentraler Bedeutung für die Eigenschaften des Wassers ist der gewinkelte Bau des H2O-Moleküls, d.h., die Anordnung der Atome HOH ist nicht linear. Der von den beiden Verbindungslinien O–H eingeschlossene Winkel beträgt 105 ± 0,5°. Dieser Wert variiert leicht, je nachdem, ob das Wassermolekül isoliert oder von anderen Wassermolekülen umgeben betrachtet wird. Projiziert man das Wassermolekül so in einen Tetraeder, dass das Sauerstoffatom im Schwerpunkt liegt, zeigen die beiden O–H-Bindungen in zwei Ecken des Tetraeders, und die beiden freien Elektronenpaare weisen in Richtung der beiden verbleibenden Ecken. In einem regelmäßigen Tetraeder beträgt der von je zwei Verbindungslinien eingeschlossene Winkel 109° 28‘. Im Wassermolekül in der Gasphase ist der Winkel HOH auf 104° 28‘ verkleinert (? Abb. 2-1). 2.2 | Wasser als polares Molekül – Wasserstoffbrückenbindungen Im Wassermolekül sind die bindenden Elektronen nicht gleichmäßig zwischen dem O-Atom und den H-Atomen verteilt. Die Fähigkeit von Atomen, in kovalenten Bindungen die Bindungselektronen zu sich zu ziehen, wird als Elektronegativität (EN) bezeichnet. Sauerstoff besitzt eine im Vergleich zu Wasserstoff erheblich größere Elektronegativität. Am Sauerstoffatom befindet sich eine negative Partialladung (2 d–) und an jedem Wasserstoffatom eine jeweils halb so große positive Partialladung (d+). Wegen des gewinkelten Baus des Wassermoleküls fallen die Ladungsschwerpunkte nicht zusammen. Das Molekül ist folglich ein elektrischer Dipol (? Abb. 2-2). Wegen des stark polaren Charakters der O–H-Bindungen kann aus dem Wassermolekül relativ leicht ein Proton (H+) abgespalten werden, das sich an ein anderes Wassermolekül anlagert, wodurch ein Hydroxid-Anion (OH–) zurückbleibt. Dies ist von grundlegender Bedeutung für Säure-Base-Reaktionen in wässriger Lösung. Diese Eigendissoziation des Wassers ist daher wie folgt zu beschreiben: Wasser ist ein elektrischer Dipol. Dies beeinflusst maßgeblich seine Eigenschaften. Die Gleichgewichtskonstante ist hierbei sehr klein: Kw = 10–14 mol2/l2. Bei 25 °C liegt das Gleichgewicht weit auf der linken Seite. Im reinen Wasser findet man daher nur sehr geringe Konzentrationen der beiden Produkt-Ionen von 10-7 mol/l. Polare Atombindungen sind unter Ionenbildung spaltbar, woraus die Oxidationszahl abgeleitet werden kann. Sie ist wichtig für Oxidations- und Reduktionsvorgänge, an denen Wasser beteiligt ist. Um die Oxidationszahl der Elemente bzw. Atome zu ermitteln, die zu einer Verbindung zusammengefügt sind, wird die Verbindung formell in Ionen aufgeteilt. Für das H2O-Molekül ergibt das Verfahren 2 H+-Ionen (Protonen) und ein O2–-Ion, das auch als Oxid-Ion bezeichnet wird. Die Oxidationszahl der Wasserstoffatome im H2O-Molekül ist folglich +1, die des Sauerstoffatoms –2. Die im gewinkelt gebauten Wassermolekül auftretenden Partialladungen, das permanente Dipolmoment, induzieren, dass mehrere nebeneinander vorliegende Wassermoleküle nach den Grundsätzen der Elektrostatik aufeinander einwirken. Dies führt dazu, dass Wassermoleküle je nach Aggregatzustand unterschiedlich stark miteinander in Wechselwirkung treten und sich auf diese Weise dreidimensional geordnete Strukturen ergeben. In jedem Falle richten sich die stark positiv polarisierten H-Atome eines Wassermoleküls auf die freien Elektronenpaare der stark negativ polarisierten O-Atome benachbarter Wassermoleküle aus. Diese Art der elektrostatischen Wechselwirkung wird Wasserstoffbrückenbindung oder H-Brücke genannt. Sie ist für Wasser in Abb. 2-3 illustriert. Die besonderen physikalischen Eigenschaften des Wassers, wie z.B. sein hoher Siedepunkt, haben im Wesentlichen folgende Ursachen: Abb. 2-2 | Exakte (0ben) und schematische Darstellung (unten) der Dipoleigenschaft des Wassermoleküls (nach Grohmann et al. 2011). Abb. 2-3 | Als punktierte Linie dargestellte Wasserstoffbrückenbindung (H-Brücke) zwischen zwei benachbarten Wassermolekülen (nach Grohmann et al. 2011). ?Seine H-Brücken sind als Konsequenz der hohen Elektronegativitätsdifferenz zwischen O und H besonders stark. ?Das Wassermolekül ist von seiner Struktur her optimal für die Anordnung in einem durch H-Brücken geknüpften Netzwerk geeignet: Es besitzt zwei stark positiv polarisierte H-Atome und zwei freie Elektronenpaare, kann also gleich viele H-Brücken ausbilden, wie es von anderen Wassermolekülen empfängt (2 + 2). ?Die Bindungsenergie einer H-Brücke in Wasser beträgt etwa 23 kJ/mol. Unter Zimmertemperatur und Atmosphärendruck lösen sich Substanzen umso schlechter in Wasser, je unpolarer sie sind. Unpolare Substanzen sind wasserabweisend bzw. hydrophob, wie z.B. polyaromatische Kohlenwasserstoffe und Mineralöle. Umgekehrt lösen sich Stoffe umso besser in Wasser, je polarer sie sind. Derartige Stoffe sind wasseranziehend, also hydrophil. Beispiele hierfür sind Kochsalz, Zucker, Pflanzennährstoffe oder Essigsäure. Viele Salze sind gut wasserlöslich, wodurch die Wasservorkommen eingeteilt werden: Süßwasser hat unter 1000 mg/l an gelösten Salzen, Brackwasser weist ca. 1000–10000 mg/l auf, während Meerwasser ca. 35 000 mg/l enthält, gemessen als Abdampfrückstand einer Wasserprobe. Schließlich soll eine wichtige Konsequenz, die sich für das Wasser aus dem Vorliegen starker H-Brücken ergibt, betrachtet werden. Flüssiges Wasser lässt sich über...
