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Albert Baumgartner; Hans-Jürgen Liebscher:

Allgemeine Hydrologie

Quantitative Hydrologie

Mit Beiträgen von: Paul Benecke

1996. 2. Auflage, XL, 694 Seiten, 347 Abbildungen, 126 Tabellen, 17x24cm, 1450 g
Language: Deutsch

(Lehrbuch der Hydrologie, Band 1)

ISBN 978-3-443-30002-9, gebunden, price: 82.00 €

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hydrologie wasserhaushalt abfluss grundwassser oberflächenwasser schnee energiehaushalt eis verdunstung versickerung seen küste

Contents

Inhaltsbeschreibung top ↑

Die Hydrologie hat sich im Laufe des letzten Jahrhunderts zu einem eigenständigen Wissensgebiet entwickelt. In ihr werden in enger Zusammenarbeit mit den verwandten oder benachbarten Fachgebieten Meteorologie, Bodenkunde, Geologie, Biologie, Chemie und Ozeanologie die Gesetzmäßigkeiten des Vorkommens und des Zustandes des Wassers auf dem Festland erforscht. Das schnell zunehmende Wissen auf dem Gebiet der quanitativen Hydrologie soll im Rahmen des "Lehrbuches der Hydrologie" in einzelnen in sich abgeschlossenen Bänden dargestellt werden.

Bespr.: Limnologica Bd. 29 Heft 4 (1999) S. 484 top ↑

Dieser erste Band aus der Reihe "Lehrbuch der Hydrologie" ist den Grundlagen der Hydrologie und der quantitativen Hydrologie, der "Wassermengen-Hydrologie" gewidmet. Neben der Vermittlung der physikalischen Grundlagen und der "Gesetzmäßigkeiten des Vorkommens und des Zustandes des Wassers auf dem Festland" unter Einbeziehung der jeweiligen dort ablaufenden Prozesse, führt das Buch auch in den Rahmen dieser Lehrbuchreihe ein. Meß- und Berechnungsmethoden werden in einem der folgenden Bände beschrieben und sind somit nicht Gegenstand dieses Werkes.

Nach einem umfangreichen Verzeichnis der Formelzeichen. Symbole und Einheiten wird im ersten Kapitel die Einordnung der Hydrologie in die Naturwissenschaften und im zweiten Kapitel ein geschichtlicher Abriß über diese Wissenschaft gegeben. Das dritte Kapitel beschreibt das Wasser als solches und das vierte Kapitel den Wasserkreislauf. Ab dem fünften Kapitel beginnt das Kernstück des Buches im Hinblick auf die quantitative Seite der Hydrologie: Von den Wasservorkommen und Wasserumsätzen auf der Erde geht es über Energiehaushalt, atmosphärischen Wasserdampftransport, Niederschlag, Schnee und Eis. Interzeption und Verdunstung bis zu Versickerung und Bodenfeuchte. Für den Limnologen wird es vor allem in den Kapiteln 13 bis 16 interessant, in denen das Grundwasser, der Abfluß, Seen und die Küstenhydrologie behandelt werden. Ein ausreichendes Literaturverzeichnis und ein ausführliches Sachwortregister bilden den Abschluß des Buches.

Das Lehrbuch überzeugt nicht nur durch seinen didaktisch gelungenen Aufbau und die Übersichtlichkeit in den Abbildlungen und Tabellen, sondern vor allem durch die hohe Kompetenz, mit der die einzelnen Kapitel von den jeweiligen namhaften 13 Spezialisten, inklusive der beiden Herausgeber, verfaßt wurden. Dabei ist bemerkenswert, daß die
Texte allgemein verständlich sind, und die Formeln bei manchem Autor kurz erklärt werden, damit auch dem mathematisch weniger versierten Leser der Zugang ermöglicht wird. In den meisten Fällen allerdings ist eine gute mathematische Grundbildung durchaus angebracht, um dem jeweiligen Autor folgen zu können. Doch auch ohne Formelverständnis kann der interessierte Leser viele wertvolle Informationen aus den vielen Abbildunären, Graphiken. Tabellen und ausführlichen Texten entnehmen.

Leider fehlen in irgendeiner Art und Weise im Text kenntlich gemachte Schlagworte des Sachwortregisters, so daß eine gewisse Suchdauer der gewünschten Information nicht umgangen werden kann.

Insgesamt stellt dieses Buch wohl eines der besten Lehrbücher für diesen Wissenschaftszweig im Moment dar, und ist ein hervorragendes Nachschlagewerk für alle Geo- und Naturwissenschaftler, sowie Ingenieure, die sich mit dem Wasser beschäftigen. Es sollte daher in keiner naturwissenschaftlichen Bibliothek fehlen

E.-B. Meidl, Jena, Limnologica, Bd. 29, Heft 4 (1999), S. 484

Bespr.: Dt. Gewässerkundl. Mitt. 41, 5 (1997) top ↑

Nach der Erstauflage im Jahre 1990 ist nun die zweite Auflage des Lehrbuches Allgemeine Hydrologie — Quantitative Hydrologie erschienen. Sie ist geringfügig überarbeitet. So wurde etwa das Thema Makroporen einbezogen und in einigen Abbildungen ist die neue Erstreckung der Bundesrepublik Deutschland berücksichtigt.

Im Arbeitsgebiet der Hydrologie ist in den letzten Jahren eine Verschiebung zu orten, wobei nun neben rein quantitativen Bemessungsaufgaben auch Fragen des Stofftransports oder der anthropogenen Beeinflussung des Wasserhaushaltes im Vordergrund stehen. Diese neue Stoßrichtung scheint sich in den jüngsten Jahren sogar unter dem Begriff Umwelthydrologie als ein wichtigerTeilbereich der Hydrologie international zu etablieren. Füralle diese Fragestellungen sowohl in der Grundlagenforschung als auch bei konkreten lngenieuranwendungen ist ein besseres Verständnis der hydrologischen Prozesse eine unabdingbare Voraussetzung. Genau dieses Prozeßverständnis versucht das vorliegende Lehrbuch dem Leser zu vermitteln. Seit der Erstauflage hat es deshalb an Aktualität gewonnen. Es handelt sich um den ersten Band einer Serie „Lehrbuch der Hydrologie“. Erträgt den Titel „Allgemeine Hydrologie“ und ist den physikalischen Grundlagen der Hydrologie gewidmet, wie auch im Vorwort präzisiert wird. Gewisse Bereiche der Hydrologie wurden deshalb bewußt ausgeklammert, wie etwa die Hydrometrie, die lngenieurhydrobiologie oder die Regionale Hydrologie, für die eigene Folgebände vorgesehen sind.

Da die moderne Hydrologie — selbst bei Konzentration auf die Grundlagen — einen derart umfangreichen Stoff umfaßt, entschieden sich die Herausgeber dafür, das Buch aus getrennten Abschnitten mit unterschiedlichen Verfassern aufzubauen. Eine Einführung beschreibt die Stellung der Hydrologie in den Natur- und Ingenieurwissenschaften sowie die Geschichte der Hydrologie. Es folgen Abschnitte zu den physikalischen Grundlagen: Wasser als Stoff; der Wasserkreislauf; die Hydrosphäre; der Energiehaushalt der Erde; der atmosphärische Wasserdampftransport. Die weiteren Abschnitte sind im wesentlichen den einzelnen hydrologischen Prozessen gewidmet: Niederschlag; Schnee und Eis; lnterzeption; Verdunstung; Versickerung und Bodenfeuchte; Grundwasser; Abfluß. Zwei Abschnitte über Seen und Küstenhydrologie runden die Darstellung ab.

Die einzelnen Kapitel sind als selbständige Teile konzipiert, und daher gibt es in manchen Punkten Überschneidungen. Die meisten Leser werden dies jedoch eher als nützlich empfinden, da alle relevanten Informationen im jeweiligen Kapitel zu finden sind. Als Nebeneffekt werden dadurch manche Sachverhalte (wie z. B. die Energiebilanz der Erdoberfläche) von unterschiedlichen Perspektiven beleuchtet, wodurch auch die lnterdisziplinarität des Arbeitsgebietes der Hydrologie dokumentiert wird. In allen Kapiteln wird die Fachkompetenz derAutoren deutlich. Als besonders gelungen sind wohl die Kapitel zu den physikalischen Grundlagen zu bezeichnen, aber auch andere wie etwa die Darstellung des Grundwassers. insgesamt bietet jeder Abschnitt eine Fülle von sehr nützlichen Informationen. Wenn ein Aspekt zu enivähnen ist, der als Indikator für die derzeitige Arbeitsmethodik innerhalb der Hydrologie anzusehen ist, so der Umstand, daß die Kapitel zum Teil in unterschiedlichem Stil und in unterschiedlicher ‘liefe abgehandelt werden. Manche sind eher beschreibend (z. B. die Interzeption), andere eher quantitativ (z. B. der atmosphärische Wasserdampftransport). Manche Abschnitte stützten sich vor allem auf Differentialgleichungen, andere auf empirische Beziehungen. Wieder andere gehen sehr ins Detail. Unterschiede können selbst innerhalb eines Kapitels auftreten.

So wird etwa bei Schnee und Eis zwar die Massenbewegung von Gletschern im Detail erörtert, den Wasserhaushalt einer temporären Schneedecke streift das gleiche Kapitel aber nur am Rande. Diese Unterschiede sind offensichtlich durch die Arbeitsweisen der Disziplinen bedingt, aus denen sich die Verfasser rekrutieren. Leider erfolgt die Wahl einer Methode oft auf Basis des Rüstzeuges‚ das dem Bearbeiter auf Grund seiner Ausbildung zur Verfügung steht, und dieses Rüstzeug ist nun bei Forschern und Ingenieuren, die im Bereich der Hydrologie tätig sind, sehr unterschiedlich, je nachdem, ob ihre Ausbildung in der Geographie, Meteorologie, Bauingenieurwesen, Forstkunde, Bodenkunde oder Geologie erfolgte. Eine Auswahl der Methode sollte doch im Idealfall auf Basis der Eigenschaften der hydrologischen Prozesse im Rahmen einer konkreten Problemstellung erfolgen. Bei einer Neuauflage des Buches gäbe es hier die Möglichkeit, durch Abstimmung der Methoden in den einzelnen Kapiteln einen Schritt in Richtung der Integration der Disziplinen zu setzen.

Seit dem Erscheinen der Erstauflage bzw. kurz davor sind eine Reihe anderer ausgezeichneter Lehrbücher der Hydrologie erschienen, wie etwa Dyck/Peschke (Grundlagen der Hydrologie, Verlag für Bauwesen‚ 1995) im deutschen Sprachraum und Chow et al. (Applied Hydrology, McGraw-Hill, 1998) sowie Dingman (Physical Hydrology, Macmillan‚ 1994) im englischen Sprachraum. Welche Rolle nimmt das vorliegende Buch nun im Vergleich mit diesen Werken ein, wo liegen seine Stärken? Einen ersten Hinweis, der bei der Lektüre des Buches bestätigt wird, gibt ein Blick auf die Autorenliste. Mehr als ein Drittel der Autoren sind Meteorologen, fast zwei Drittel haben schwerpunktmäßig mit großräumigen oder globalen Prozessen gearbeitet. Die großräumige Betrachtung mit Betonung der atmosphärischen Prozesse ist also eine der ganz großen Stärken dieses Buches. Weiter wird dadurch ermöglicht, auch die anderen hydrologischen Aspekte bzw. Komponenten zu den mehr globalen Fragen in Beziehung zu setzen. Schließlich werden die physikalischen Grundlagen in einem Umfang und Detail dargestellt, die bei vergleichbaren Lehrbüchern nicht möglich sind.

Das Buch ist für alle Hydrologen zu empfehlen, sowohl für Naturwissenschaftler als auch für Ingenieure, denn eine gute Kenntnis der Grundlagen und Prozesse ist das beste Rüstzeug für zuverlässige Planungen und Vorhersagen. Abschließend ist den Herausgebern und Autoren zu diesem aktuellen und umfangreichen Buch zu gratulieren und den Herausgebern gutes Gelingen für die Folgebände zu wünschen.

G. Blöschl, Wien

Bespr.: Meteorol. Z. 6, 3 (1997) top ↑

Die Hydrologie gewinnt in letzter Zeit immer mehr an Bedeutung bei umweltrelevanter Fragestellung und ist bei einer interdisziplinären Betrachtung der Umwelt nicht mehr wegzudenken. Die neue verbesserte Auflage zur „Quantitativen Hydrologie“ leistet hierzu einen schon lange notwendig werdenden Beitrag zur Darstellung der naturwissenschaftlichen Grundlagen der verschiedenen hydrologischen Prozesse. Für die Meteorologen und Klimatologen dürfte dieses Buch von Interesse sein, da hier abweichend von der rein ingenieurmäßigen Denkweise die Hydrologie naturwissenschaftlich beschrieben wird und das Prozeßverständnis im Vordergrund steht.

Gerade in den letzten Jahren hat sich immer wieder gezeigt, daß das Verständnis der Prozesse an der Grenze zwischen Grenzschicht und Boden sowohl für die Meteorologie als auch Hydrologie an Bedeutung zunimmt. Die Beschreibung der Prozesse ohne grundlegende Kenntnis der Nachbarwissenschaft ist nicht möglich.

Für Hydrologen und Ingenieure ist dieses Buch von beson- derem Interesse, da die zum Verständnis der Hydrologie notwendigen meteorologischen Kenntnisse in den Kapiteln „Energiehaushalt der Erde“ und „atmosphärischer Wasserdampf“ ausführlich und umfassend dargestellt werden.

Das Buch beginnt mit einem interessanten Abschnitt über die Geschichte der Hydrologie und deren Einordnung innerhalb der Geowissenschaften. Von einzelnen Autoren getrennt bearbeitet werden sodann das Wasser als Stoff, der Wasserkreislauf, die Wasservorräte, der Energiehaushalt, der Wasserdampftransport, der Niederschlag inklusive Schnee und Eis, die Interzeption, die Verdunstung, die Versickerung und Bodenfeuchte, das Grundwasser, der Abfluß, Seen und die Küstenhydrologie. In der neu überarbeiteten zweiten Auflage ist das Literaturverzeichnis aktualisiert worden, auch in den Kapiteln Versik— kerung und Bodenfeuchte und Leitfähigkeit finden neuere Ergebnisse Eingang. Beim Abflußbildungprozeß werden neuere Erkenntnisse über die Makroporen und deren Bedeutung die Infiltration und Abflußkonzentration beschrieben. Durch die Vielzahl der Autoren, die bei diesem Buch in den Einzeldisziplinen kompetent mitgearbeitet haben, ergeben sich in einigen Kapiteln z. T. einige Abstimmungsprobleme. Die Inhalte der einzelnen Kapitel sind in sich geschlossen dargestellt, so daß derjenige Leser, der das Buch themenorientiert durchforstet, sich auf das_entsprechende Kapitel konzentrieren kann. Das Buch ist für Fachleute unterschiedlicher Disziplinen — Geöwissenschaftler, Naturwissenschaftler, Ingenieure und Studenten — als Nachschlagewerk und als‘ Lehrbuch für das naturwissenschaftliche Prozeßverständnis der Hydrologie gleicherweise geeignet. Somit ist dieses Buch eine wertvolle Ergänzung zu den vorhandenen deutschsprachigen methodisch und ingenieurwissenschaftlich orientierten Hydrologiebüchern. Bleibt zu hoffen, daß die weiteren in dieser Reihe geplanten Neuerscheinungen „Hydrometrie“, „Regionale Hydrologie“, „Berechnung des Wasserhaushaltes“, „Ingenieurhydrologie“ und „Wasserwirtschaftliche Systeme“ recht bald erscheinen werden und dem Leser genauso viel Freude bereiten wie das hier besprochene Buch.

KARL-GERD RICHTER, Karlsruhe

Inhaltsverzeichnis top ↑

1 Was ist Hydrologie? (H. LIEBSCHER) 1
1.1 Allgemeines 1
1.2 Stellung der Hydrologie in den Naturwissenschaften 3
1.3 Stellung der Hydrologie in den Ingenieurwissenschaften 4
1.4 Gliederung der Hydrologie 6
2 Geschichte der Hydrologie (G.GARBRECHT) 11
2.1 Allgemeines 11
2.2 Die vorgeschichtliche Zeit 12
2.3 Hydrologische Arbeiten im Zeitalter der Naturmythologie 13
2.3.1 Allgemeines 13
2.3.2 Mesopotamien 14
2.3.3 Ägypten 17
2.3.4 Indus-Tal 20
2.3.5 Kulturen in den Hochländern 21
2.3.6 China 22
2.4 Hydrologie in der Aera der griechischen Naturphilosophen 23
2.4.1 Allgemeines 23
2.4.2 Theorie des Wasseraufstiegs 24
2.4.3 Meteore Theorie 24
2.4.4 Erosion und Geschiebe 25
2.4.5 ARISTOTELES 26
2.4.6 Nacharistotelische Schule 27
2.4.7 Hypothesen über den Nil 27
2.4.8 HERON von Alexandria 28
2.5 Beiträge zur Hydrologie aus römischer Zeit 29
2.5.1 Allgemeines 29
2.5.2 MARCUS VITRUVIUS Poncho 29
2.5.3 STRABON, PLINIUS SECUNDUS 30
2.5.4 Lucias ANNAEUS SENECA 30
2.5.5 Regenmessungen 31
2.6 Das dunkle Jahrtausend 31
2.6.1 Das Mittelalter 31
2.6.2 Der Beginn der Renaissance 32
2.7 Beobachtung und Messung 32
2.7.1 LEONARDO DA VINCI 1452-1519 32
2.7.2 BERNARD PALISSY (etwa 1510 - 1590) 33
2.7.3 PIERRE PERRAULT (1611 - 1680) 34
2.7.4 EDME MARIOTTE (1620 - 1684) 35
2.7.5 EDMUND HALLEY (1656 - 1742) 36
2.7.6 Das 18. Jahrhundert 37
2.8 Schaffung der wissenschaftlichen Grundlagen im 19. Jahrhundert 38
2.8.1 Meteorologie 38
2.8.2 Oberflächenhydrologie 39
2.8.3 Grundwasserhydrologie 39
2.9 Die Entwicklung der modernen Hydrologie im 20. Jahrhundert 40
2.9.1 Der Ubergang von der empirischen zur rationalen Hydrologie 40
2.9.2 Die Entwicklung der theoretischen Hydrologie 41
3 Wasser als Stoff (A. BAUMGARTNER) 43
3.1 Vorkommen, Name, Bedeutung und Herkunft von Wasser 43
3.1.1 Vorkommen 43
3.1.2 Name des Wassers 44
3.1.3 Bedeutung des Wassers 44
3.1.4 Herkunft des Wassers auf der Erde 45
3.2 Chemische Eigenschaften 46
3.2.1 Das Molekül Wasser 46
3.2.2 Das Kontinuum Wasser 47
3.2.3 Struktur von Eis 48
3.2.4 Dissoziation, Reaktionsstufen 49
3.2.5 Wasserinhaltsstoffe 49
3.2.5.1 Lösungen 50
Salze im Wasser 50 - Gase im Wasser 51
3.2.5.2 Suspensionen, Emulsionen 53
3.2.6 Schweres Wasser 53
3.3 Physikalische Eigenschaften 54
3.3.1 Phasenänderungen 55
3.3.1.1 Kondensation 55
3.3.1.2 Verdampfung 55
3.3.1.3 Gefrieren 55
3.3.1.4 Unterkühltes Wasser 56
3.3.1.5 Schmelzen 56
3.3.1.6 Sublimation (= Eisverdampfung) 56
3.3.1.7 Resublimation (= Eisdeposition) 57
3.3.1.8 Sieden 57
3.3.2 Mechanische Eigenschaften 58
3.3.2.1 Spezifisches Volumen, Dichte 58
3.3.2.2 Oberflächenspannung, Kohäsion, Adhäsion, Kapillarität 60
3.3.2.3 Innere Reibung, Viskosität, Schubspannung 61
3.3.2.4 Kompressibilität, Relaxationszeit 62
3.3.2.5 Schallgeschwindigkeit 63
3.3.3 Thermodynamische Eigenschaften 63
3.3.3.1 Spezifische Wärme 63
3.3.3.2 Wärmekapazität, Enthalpie 64
3.3.3.3 Wärmeleitfähigkeit und Wärmeleitzahl 64
3.3.3.4 Thermische Eigenschaften von Eis und Schnee 64
3.3.3.5 Thermodynamische Eigenschaften von Wasserdampf 65
3.3.3.6 Dampfdruck über Wasser und Eis 65
3.3.4 Elektrische Eigenschaften 67
3.3.4.1 Elektrischer Widerstand, Leitfähigkeit 67
3.3.4.2 Dielektrizitätskonstante 67
3.3.4.3 Eindringtiefe elektromagnetischer Wellen 68
3.3.5 Optische Eigenschaften 68
3.3.5.1 Strahlungsreflexion an Wasseroberflächen 69
3.3.5.2 Refraktionsindex 69
3.3.5.3 Strahlungsabsorption, -extinktion und Transmission im Wasser 69
3.3.5.4 Lichtstreuung im Wasser, Trübungsfaktor 71
4 Wasserkreislauf (H. LIEBSCHER) 72
4.1 Der Wasserkreislauf der Erde 72
4.2 Der Prozeß des Wasserkreislaufs 72
4.3 Den Wasserkreislauf beeinflussende Maßnahmen des Menschen 76
4.3.1 Bauliche Veränderungen im Gewässerbett 76
4.3.2 Folgen der Landnutzung im Einzugsgebiet 79
4.3.3 Wasserwirtschaftliche Folgen der Urbanisierung 80
4.3.4 Indirekte Wirkungen menschlichen Handelns 82
5 Die Hydrosphäre der Erde: Wasservorkommen und Wasserumsätze
(A. BAUMGARTNER) 86
5.1 Allgemeine Probleme 86
5.2 Wasservorkommen der Erde 87
5.2.1 Globale Wassermassen und -höhen 87
5.2.2 Die Wasserreservoire der Erde 88
5.2.2.1 Das Wasser des Weltmeeres 88
5.2.2.2 Eis und Schnee 89
5.2.2.3 Grundwasser 90
5.2.2.4 Oberflächengewässer 90
5.2.2.5 Bodenwasser 91
5.2.2.6 Wasser in der Atmosphäre 91
5.2.2.7 Wasser der Biosphäre 91
5.2.3 Süß- oder Frischwasser 91
5.2.3.1 Süßwasser als Eis und Schnee 92
5.2.3.2 Unterirdisches Süßwasser, Grundwasser 93
5.2.3.3 Bodenwasser 93
5.2.3.4 Süßwasser an der Erdoberfläche, Oberflächengewässer 93
5.2.3.5 Süßwasser in Organismen und Atmosphäre 94
5.2.3.6 Das Süßwasser der Atmosphäre 94
5.3 Hydrologisches Zirkulationssystem der Erde 94
5.4 Wasserumsätze der Erde 97
5.4.1 Der Wasserumsatz durch die Niederschläge 98
5.4.1.1 Globale Verteilung der Niederschlagshöhen 98
5.4.1.2 Gebietsmittel für das Niederschlagsdargebot 99
5.4.2 Wasserumsätze durch Verdunstung 1OO
5.4.2.1 Globale Verteilung der Verdunstungshöhen 101
5.4.2.2 Gebietsmittel für die Verdunstungshöhen 102
5.4.3 Wasserumsätze durch Abfluß 102
5.4.3.1 Globale Verteilung der Abflußhöhen 103
5.4.3.2 Gebietsmittel der Abflußhöhen 104
5.4.3.3 Die großen Ströme der Erde 105
5.4.3.4 Verfügbarkeit der erneuerten Wasservolumen in den Kontinenten 105
5.4.3.5 Bodenabtrag, Erosion, Sedimente 106
5.5 Wasserbilanzen 107
5.5.1 Bilanzgleichungen 107
5.5.2 Die Wasserbilanz der gesamten Erde 110
5.5.3 Wasserbilanz der Hemisphären 112
5.5.4 Wasserbilanz der Landflächen der Erde 113
5.5.5 Wasserbilanz der Meere 115
5.5.6 Regionale Wasserbilanzen 117
5.5.6.1 Europa 118
5.5.6.2 Alpen 1l9
5.5.6.3 Bundesrepublik Deutschland 122
5.5.7 Lokale Wasserbilanzen 123
5.6 Veränderung der Wasservorkommen durch Nutzung 129
5.7 Bedeutende Seen und Stauseen der Erde 132
6 Energiehaushalt der Erde (A. BAUMGARTNER) 133
6.1 Energiearten und deren hydrologische Bedeutung 133
6.1.1 Energiearten 133
6.1.2 Hydrologische Bedeutung der Energiearten 133
6.2 Energieübertragung durch Strahlung 135
6.2.1 Elektromagnetische Strahlung 135
6.2.2 Strahlungsemission 137
6.3 Strahlungshaushalt 140
6.3.1 Direkte Sonnenstrahlung 141
6.3.2 Einfluß der Atmosphäre auf die direkte Sonnenstrahlung und diffuse
Himmelsstrahlung 142
6.3.3 Die Globalstrahlung an der Erdoberfläche 144
6.3.4 Strahlungsgeometrie, Bestrahlung 147
6.3.5 Absorption und Reflexion der Globalstrahlung 150
6.3.6 Wärmestrahlung von Erdoberfläche und Atmosphäre 154
6.3.6.1 Die Ausstrahlung der Erdoberfläche 154
6.3.6.2 Die Gegenstrahlung der Atmosphäre 155
6.3.6.3 Reflexion der Gegenstrahlung, langwelliger Strahlungssaldo,
effektive Ausstrahlung 156
6.3.6.4 Langwellige Strahlungsumsätze in der Atmosphäre 157
6.3.7 Nettostrahlung, Strahlungsbilanz 158
6.4 Wärmehaushalt 161
6.4.1 Wärmeströme, Wärmeumsatz 161
6.4.2 Energiebilanz 162
6.4.3 Molekulare Wärmeleitung 164
6.4.4 Wärme-, Stoff- und Temperaturaustausch an der Grenzschicht
Erdoberfläche/Luft 167
6.4.4.1 Wärmeübergang an der Grenzschicht 168
6.4.4.2 Wasserdampfübergang und Strom latenter Wärme an der Grenzschicht 168
6.4.4.3 Impulsübertragung in der Grenzschicht, Wasserwellen 170
6.4.5 Wärme-, Stoff- und Impulsaustausch in der Luft über der Grenzschicht 170
6.4.6 Wärmehaushalt hydrologischer Systeme 176
6.4.6.1 Globale Energiebilanz 176
6.4.6.2 Wärmetransporte durch die Meeresströme 177
6.4.6.3 Wärmehaushalt von Binnengewässern 179
6.4.6.4 Energiehaushalt von Wassereinzugsgebieten, Gletschern und Wäldern 182
6.5 Zusammenhang von Energie- und Wasserbilanz 182
6.6 Hydroklimatologische Klassifikation der Landflächen der Erde 185
6.6.1 Klassifikation nach Wasserbilanzgliedern 185
6.6.2 Hygrothermale Klassifikationen 189
6.6.3 Klimatische Wasserbilanz 192
6.6.4 Energetisch begründete Klassifikationen 194
7 Atmosphärischer Wasserdampftransport (M. HANTEL) 196
7.1 Einführung 196
7.1.1 Wasser als Spurenstoff in der Atmosphäre 196
7.1.2 Wassertransport als Teil der planetarischen Zirkulation 197
7.1.3 Wasser als Energieträger 198
7.2 Die allgemeine Erhaltungsgleichung für den Wasserdampftransport 199
7.2.1 Meßgrößen für den atmosphärischen Wassergehalt 199
7.2.2 Die Erhaltungsgleichung für die Substanz Wasser 201
7.2.3 Speicherung, Advektion und Erzeugung 204
7.2.4 Flußform und Divergenz 206
7.2.5 Transformation auf Druckkoordinaten 206
7.2.6 Einfluß der Meridiankonvergenz 208
7.3 Die Erhaltungsgleichung des turbulenten Wasserdampftransportes 209
7.3.1 Die gemittelte Erhaltungsgleichung 209
7.3.2 Fluß und Transport 211
7.3.3 Turbulenter Feuchtefluß 212
7.3.4 Das Skalenproblem 214
7.3.5 Die Rolle der Eddies 216
7.3.6 Feuchtefluß und Niederschlagsfluß 217
7.4 Der beobachtete atmosphärische Wasserhaushalt 219
7.4.1 Der atmosphärische Zweig des hydrologischen Kreislaufs 219
7.4.2 Das Niederschlagswasser in der Atmosphäre 221
7.4.3 Horizontaler Feuchtetransport 224
7.4.4 Vertikaler Feuchtetransport 226
7.4.5 Der beobachtete Wasserhaushalt 228
7.4.6 Wassertransport als Stromfunktion 232
7.4.7 Regionale Studien 232
7.5 Offene Fragen 235
8 Niederschlag (B. FEDERER & H. SCHIRMER) 237
8.1 Niederschlagsbildung 237
8.1.1 Allgemeines 237
8.1.2 Abkühlung von Luftmassen 238
8.1.3 Phasenübergänge 240
8.1.3.1 Homogene Keimbildung 241
8.1.3.2 Atmosphärische Aerosole 244
8.1.3.3 Wolkenkondensationskerne (cloud condensation nuclei, CCN)
und Eisbildungskerne (ice nuclei, IN) 245
8.1.4 Wachstum von Tröpfchen und Eiskristallen 246
8.2 Anthropogene Niederschlagsbeeinflussung 249
8.2.1 Regenvermehrung 250
8.2.2 Hagelabwehr 251
8.2.3 Einfluß der Urbanisierung 252
8.3 RadarreHektivität des Niederschlages 253
8.4 Niederschlagsarten und -formen 255
8.4.1 Fallender Niederschlag 255
8.4.2 Abgesetzter Niederschlag 255
8.4.3 Abgefangener Niederschlag 256
8.5 Weitere Begriffe 257
8.5.1 Punktniederschlag, Gebietsniederschlag 257
8.5.1.1 Punktniederschlag 257
8.5.1.2 Gebietsniederschlag 258
8.5.1.3 Niederschlagsgebiet 258
8.5.2 Landregen, Schauer, Starkregen 259
8.5.3 Niederschlagsintensität 259
8.5.4 Niederschlagsdauer 261
8.5.5 Mittlere jährliche Dauer- und Höhenlinie 262
8.5.6 Niederschlagshäufigkeit, -Wahrscheinlichkeit 263
8.5.7 Naß- und Trockenperioden 263
8.6 Zeitliche Variabilität des Niederschlages 264
8.6.1 Tägliche Niederschlagshöhen 265
8.6.2 Monatliche Niederschlagswerte 266
8.6.3 Jährliche Niederschlagswerte 272
8.7 Räumliche Variabilität des Niederschlages 273
9 Schnee und Eis (A. HERRMANN & M.KUHN) 278
9.1 Einführung 278
9.2 Schneehydrologische Begriffe 282
9.3 Thermische und hydraulische Eigenschaften der Schneedecke 283
9.4 Die Verdichtung des Schnees zu Gletschereis (Metamorphose) 285
9.4.1 Die Wirkung des Windes 286
9.4.2 Abbauende (isotherme) Metamorphose 286
9.4.3 Aufbauende Metamorphose bei Temperaturgefälle 287
9.4.4 Schneearten 288
9.4.5 Verfirnung: Druck- und Regelationsmetamorphose 289
9.4.6 Übergang von Firn zu Eis 293
9.5 Schneedeckenabbau und Schneeschmelzabflüsse 293
9.5.1 Schneeverdunstung 293
9.5.2 Schneeschmelze und Schmelzabflüsse 294
9.6 Strahlungs- und Wärmehaushalt von Schnee- und Eisdecken 297
9.6.1 Strahlungsbilanz 297
9.6.2 Wärmehaushalt 298
9.6.3 Der Gradtagfaktor 300
9.7 Massenhaushalt 300
9.7.1 Grundbegriffe 300
9.7.2 Die Massenbilanz aus der Wasserbilanz 302
9.7.3 Der Massenhaushalt aus topographischen Aufnahmen 302
9.7.4 Der Massenhaushalt aus glaziologischen Aufnahmen 303
9.8 Deformation und Eisbewegung 307
9.8.1 Das Fließgesetz des Eises 308
9.8.2 Die Bewegungsgleichungen 309
9.8.3 Geschwindigkeit der Eisbewegung 310
9.9 Der stationäre Gletscher 312
9.9.1 Die Kinematik des stationären Falls 312
9.9.2 Der Aktivitätsindex des stationären Gletschers 314
9.9.3 Moränen, Verschiebungsflächen und Schichtung (Trajektorien und
Isochronen) 314
9.10 Inlandeis und Eisschelfe 316
9.10.1 Morphologie der polaren Eiskörper 316
9.10.2 Das Eis als Klimaarchiv 317
10 Interzeption (H. BRECHTEL) 320
10.1 Einleitung 320
10.2 Allgemeine Definition 320
10.3 Niederschlagsbilanz von Vegetationsdecken 321
10.4 Einflüsse des Standortes und der Bestockung 324
10.5 Ergebnisse von Interzeptionsuntersuchungen 327
10.5.1 Interzeptionsspeicherung 327
10.5.2 Interzeptionsverdunstung 329
10.6 Anwendung von Ergebnissen der Interzeptionsforschung bei hydrologischen
Analysen 331
11 Verdunstung (A. BAUMGARTNER) 334
11.1 Definition, Bedeutung 334
11.2 Physik der Verdunstung 335
11.2.1 Energetik 335
11.2.2 Saugkräfte und Widerstände 336
11.2.2.1 Luft 336
11.2.2.2 Boden 337
11.2.2.3 Pflanzen 338
11.3 Begriffe, Terminologie 339
11.4 Methoden zur Bestimmung der Verdunstung 342
11.4.1 Meßgeräte 342
11.4.1.1 Probekörper (Atmometer und Evaporometer) 343
11.4.1.2 Evaporimeter mit offenen Wasserflächen 343
11.4.1.3 Lysimeter, natürliche, feste Erdoberflächen 344
11.4.2 Verdunstung aus der Wasserbilanz 346
11.4.2.1 Verdunstung als Teil der Bodenwasserbilanz 347
11.4.2.2 Verdunstung in Einzugsgebieten, Gebietsverdunstung 348
11.4.2.3 Verdunstungskartierung zur Ermittlung der
Grundwasserneubildungsrate 351
11.4.3 Verdunstung aus dem Wasserdampftransport 353
11.4.3.1 Gradientenverfahren 353
11.4.3.2 Luftkörperaustausch 356
11.4.4 Berechnung der potentiellen Verdunstung aus der Energiebilanz 357
11.4.4.1 Vollständige Lösung 357
11.4.4.2 Näherungslösungen, Parametrisierung 360
11.4.5 Empirische Formeln 362
11.4.5.1 Strahlung und Temperatur als Bestimmungsgrößen 363
11.4.5.2 Windgeschwindigkeit und Sättigungsdefizit 365
11.5 Verdunstung spezifischer Oberflächen 368
11.5.1 Freie Wasserflächen 368
11.5.2 Verdunstung von vegetativen Bodendecken 369
11.5.2.1 Evaporation vom Erdboden 369
11.5.2.2 Transpiration der Pflanzenorgane 369
11.5.2.3 Interzeptionsverdunstung 371
11.5.2.4 Bestandsverdunstung und Wasserhaushalt von Wäldern 372
11.5.3 Verdunstung im Gebirge, Schnee- und Eisverdunstung 374
11.5.3.1 Höhengradient der Verdunstung 374
11.5.3.2 Schnee- und Eisverdunstung 375
11.6 Beeinflussung der Verdunstung 376
11.6.1 Einfluß direkter Maßnahmen 376
11.6.2 Einfluß indirekter Maßnahmen 377
11.7 Richtwerte und Quellenwerke für Verdunstungshöhen 378
12 Versickerung und Bodenfeuchte (P. BENECKE) 380
12.1 Die Rolle des Bodens als hydrologischer Speicher, Regler und
Verteiler 380
12.2 Bodenmatrix, Bodengetüge, Bodenprofit 381
12.2.2 Bodengefüge 383
12.2.3 Bodenprofil 384
12.3 Bodenwasserpotentiale, Bodenwassercharakteristik 385
12.3.1 Potentiale 385
12.3.2 Bodenwassercharakteristik (pF-Kurve) 386
12.4 Leitfähigkeit (für Wasser) 390
12.5 Infiltration 395
12.5.1 Mikroporeninfiltration 396
12.5.2 Makroporeninfiltration 398
12.6 Sickerströmungsfälle im Gleichgewicht 400
12.7 Sickerströmungsfälle im Ungleichgewicht 403
12.8 Grundlagen für die Berechnung von Sickerwasserströmen 404
12.9 Bodenwasserhaushalt 409
12.10 Zusammenfassende Diskussion 414
13 Grundwasser (G. EINSELE) 416
13.1 Arten des Grundwassers 416
13.1.1 Wasser im gesättigten und ungesättigten Bereich 416
13.1.2 Oberflächennahes Grundwasser und tiefes Grundwasser 417
13.1.3 Freies und gespanntes Grundwasser 419
13.1.4 Fossiles Grundwasser und Formationswasser 421
13.2 Verschiedene Aquifertypen 422
13.3 Grundwasserneubildung und -anreicherung 423
13.3.1 Allgemeines, Begriffe 423
13.3.2 Räumliche und zeitliche Änderungen der Grundwasserneubildungsrate 424
13.3.3 Lokale Grundwasserneubildung 425
13.3.4 Grundwasseranreicherung 426
13.4 Speicherung von Grundwasser 426
13.4.1 Gesamter und speichernutzbarer Hohlraumanteil 426
13.4.2 Zur Materialabhängigkeit des speichernutzbaren Hohlraumanteils 427
13.4.3 Speicherkoeffizient 430
13.5 Grundwasserströmung 431
13.5.1 Theoretische Grundlagen und das DARCY'sche Gesetz 431
13.5.2 Filtergeschwindigkeit und Abstandsgeschwindigkeit, Gültigkeit des
DARCY'schen Gesetzes 434
13.5.3 Permeabilität und hydraulische Leitfähigkeit von Lockergesteinen 437
13.5.4 Hydraulische Leitfähigkeit von Festgesteinen 438
13.5.5 Transmissivität und Refraktion der Grundwasserströmung 441
13.5.5.1 Transmissivität 441
13.5.5.2 Refraktion der Grundwasserströmung 441
13.5.6 Das hydraulische Potential 443
13.5.7 Folgerungen aus dem DARCY'schen Gesetz für die Grundwasserströmung
und die Grundwasseroberfläche 446
13.5.7.1 Idealfälle mit Kenntnis des Potential- und Fließliniennetzes einer
stationären zweidimensionalen Strömung 446
13.5.7.2 Zweidimensionale Strömung in freien Aquiferen ohne
Grundwasserneubildung 448
13.5.7.3 Stationäre Grabenanströmung mit freier Oberfläche ohne
Grundwasserneubildung 449,
13.5.7.4 Stationäre Grabenanströmung mit freier Oberfläche,
Grundwasserneubildung und Grundwasserstands-Schwankungen 450
13.5.8 Qualitative Betrachtungen zu den Beziehungen zwischen freier
Grundwasseroberfläche, Vorflutern und anderen Einflußfaktoren 452
13.5.9 Verweilzeit des Grundwassers im Untergrund,
Speicher-Durchflußmodelle 454
13.6 Spezielle Einflüsse der Gesteinsbildung und Verwitterung auf die
Gebirgsdurchlässigkeit und Speicherung in verschiedenen
Grundwasser-Landschaften 458
13.6.1 Vorbemerkungen 458
13.6.2 Inhomogenität, Diskontinuität und Anisotropie der Aquifere
(ohne Verwitterungserscheinungen) 458
13.6.3 Oberflächennahe Verwitterung und Auflockerung 462
13.6.3.1 Grundwasser in Granit- und Gneisgebieten 462
13.6.3.2 Stark verfestigte, schlecht verwitterbare Sedimentgesteine 462
13.6.3.3 Leicht verwitterbare Ton und- Mergelsteine 463
13.6.3.4 Hanggrundwasser zerfallener und aufgelockerter Sandsteine 463
13.6.4 Karstaquifere 463
13.7 Grundwasserabfluß 466
13.7.1 Allgemeines zu verschiedenen Abflußarten 466
13.7.2 Trockenwetterabfluß und Leerlaufverhalten homogener Aquifere 467
13.7.3 Leerlaufverhalten inhomogener und mehrschichtiger Aquifere 469
13.8 Grundwasserhaushalt 471
13.9 Literaturhinweise 473
14 Abfluß (H. LIEBSCHER) 474
14.1 Allgemeine Definitionen 474
14.2 Flußsystem 476
14.2.1 Enstehung von Flußsystemen 476
14.2.2 Flußgebiet 476
14.2.3 Gewässernetz 479
14.2.4 Flußlauf 484
14.3 Abflußprozeß 487
14.3.1 Allgemein 487
14.3.2 Abflußbildung 488
14.3.3 Abflußkonzentration 490
14.3.3.1 Allgemein 490
14.3.3.2 Landoberflächenabfluß 490
14.3.3.3 Zwischenabfluß 492
14.3.3.4 Grundwasserabfluß 496
14.3.3.5 Direktabfluß und Basisabfluß 497
14.3.4 Fließvorgang im offenen Gerinne 501
14.3.4.1 Allgemein 501
14.3.4.2 Uferspeicherung 501
14.3.4.3 Kontinuitätsgleichung 505
14.3.4.4 Kraftwirkungen in Flüssigkeiten 506
14.3.4.5 Energie-Gleichung 508
14.3.4.6 Arten der Gerinneströmung 511
14.3.4.7 Allgemeines Fließgesetz 513
14.3.4.8 Fließgeschwindigkeit 517
14.3.4.9 Wasserstands-Abfluß-Beziehungen 511
14.4 Der Einfluß geographischer und klimatologischer Verhältnisse auf den
Abflußvorgang 519
14.4.1 Allgemein 521
14.4.2 Einfluß der geomorphologischen Verhältnisse 521
14.4.2.1 Größe des Einzugsgebietes 521
14.4.2.2 Form des Einzugsgebietes 521
14.4.2.3 Flußdichte 521
14.4.2.4 Topographische Höhe 524
14.4.2.5 Gefällsverhältnisse 525
14.4.2.6 Landschaftsform 526
14.4.3 Geologie 526
14.4.4 Bodenarten 526
14.4.5 Einfluß der Vegetation 528
14.4.6 Einfluß des Niederschlages 531
14.4.6.1 Allgemein 531
14.4.6.2 Niederschlagshöhe 531
14.4.6.3 Einfluß der jahreszeitlichen Verteilung des Niederschlages 531
14.4.6.4 Niederschlagshäufigkeit 532
14.4.6.5 Niederschlagsintensität 532
14.4.6.6 Niederschlagsdauer 533
14.4.6.7 Zeitliche und flächenhafte Verteilung des Niederschlages 534
14.4.7 Einfluß von Schnee und Eis 535
14.4.8 Einfluß sonstiger Klimaelemente 536
14.5 Einfluß von Seen 539
14.6 Einfluß anthropogener Maßnahmen 539
14.6.1 Allgemein 539
14.6.2 Stauwerke, Flußbegradigungen und Eindeichungen 540
14.6.3 Speicher 541
14.6.4 Wasserüberleitungen, Wasserentnahmen und Wassereinleitungen 544
14.6.5 Wasserentnahmen aus dem Grundwasser 544
14.6.6 Urbanisierung 545
14.6.7 Landwirtschaftliche Maßnahmen 545
14.6.8 Forstliche Maßnahmen 546
14.7 Räumliche und zeitliche Variabilität des Abflusses 548
14.8 Wärmehaushalt von Fließgewässern 550
14.8.1 Allgemein 550
14.8.2 Bildung von Eis auf Fließgewässern 551
15 Seen (M. MICHLER) 554
15.1 Definitionen und Begriffe 554
15.2 Entstehung von Seen 555
15.2.1 Seebeckenbildung durch endogene Vorgänge 556
15.2.2 Seebeckenbildung durch exogene Vorgänge 557
15.3 Verbreitung von Seen 559
15.4 Form der Seebecken 560
15.5 Morphometrische Parameter 561
15.5.1 Längenmaße 561
15.5.2 Flächenmaße 563
15.5.3 Volumenmaße 565
15.6 Wasserhaushalt von Seen 565
15.7 Strahlungsverhältnisse in Seen 568
15.8 Wärmehaushalt und Temperaturverhalten von Seen 570
15.8.1 Wärmehaushalt 571
15.8.2 Temperaturverhältnisse in Seen 574
15.9 Dynamik des Seewassers 578
15.9.1 Fortschreitende Oberflächenwellen 578
15.9.2 Strömungen 579
15.9.3 Stehende Wellen ("Seiches") 581
15.9.4 Stabilität eines Sees 585
16 Kastenhydrologie (H. ROHDE) 586
16.1 Allgemeines 586
16.1.1 Allgemeine Definitionen, Abgrenzungen 586
16.1.2 Gezeiten, Wind, Oberwasser und Salzgehalt 588
16.2 Die Gewässer 591
16.2.1 Das Küstenmeer 59t
16.2.2 Die Ästuare und Tideflüsse 593
16.3 Wasserstände 594
16.3.1 Allgemeines 594
16.3.2 Gezeitenbedingte Wasserstände 594
16.3.3 Wasserstände unter Einfluß des Oberwasserzuflusses 597
16.3.4 Wasserstände unter Windeinfluß 599
16.3.4.1 Allgemeines 599
16.3.4.2 Sturmfluten 600
16.3.4.3 Wellen- und Seegang 604
16.3.5 Einfluß des Eises 609
16.3.6 LangzeitigeWasserstandsänderungen 611
16.4 Fließgeschwindigkeiten und Durchflüsse 612
16.4.1 Allgemeines 612
16.4.2 Gezeitenbedingte Strömungen und Durchflüsse 613
16.4.3 Dichteströmungen, Einflüsse von Wind und Eis 619
16.5 Anthropogene Beeinflussungen 622
Literatuverzeichnis 627
Sachwortverzeichnis 670