Hydrologie und Wasserwirtschaft: Eine Einführung für Ingenieure

680 Pages·2005·33.87 MB·English

by  Ulrich Maniak

Ulrich Maniak
Hydrologie und Wasserwirtschaft
Ulrich Maniak
Hydrologie und
Wasserwirtschaft
Eine Einführung für Ingenieure
5., bearbeitete und erweiterte Auflage
mit 235 Abbildungen
4Q Springer
Professor Dr.-Ing. Ulrich Maniak
Technische Universität Braunschweig
Leichtweiß-Institut für Wasserbau
Beethovenstr. 51 A
38106 Braunschweig
[email protected]
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ISBN 10 3-540-20091-6 Springer Berlin Heidelberg New York
ISBN 13 978-3-540-20091-8 Springer Berlin Heidelberg New York
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Satz: Druckvorlage des Autors
Gedruckt auf säurefreiem Papier 68/3020/m - 5 4 3 2 1 0
Vorwort zur 5. Auflage
In der 5. Auflage wurden die meisten Kapitel tiberarbeitet, aktualisiert und um die
einschlagige neueste Literatur erganzt. Sie moge zu einem vertieftem Studium auf
diesen Gebieten anregen. Das Buch soil dem Einstieg in hydrologische Methoden
der Wasserbewirtschaftung und des Gewasserschutzes und ihrer rechnerischen
Behandlung dienen. Es entspricht etwa dem Lehrstoff, der Studierenden des Bau-
ingenieurwesens und im Fernstudium Umweltingenieurwesen an der TU Braun-
schweig angeboten wird. Aus dem Gebiet der Hydrologie und Wasserwirtschaft
wurden Fragestellungen herausgegriffen, wie sie haufig bei den Losungen prakti-
scher Problem aufrreten. Damit wird auch die Benutzung des Buches zum Selbst-
studium erleichtert.
Zur Losung eine Reihe von hydrologischen und wasserwirtschaftlichen sind PC
Programme erhaltlich und es ist anfanglich schwer das zutreffende Programm aus-
zuwahlen. Es wurden daher keine Programme aufgenommen wie sie z.B. Bestand-
teil der Lehrveranstaltungen sind. Das Buch enthalt Hinweise auf Fundstellen fur
Programme ohne ihre Eignung zu bewerten. Anhand der numerischen Losungen
im Text sollen die Einschrankungen bei der Benutzung einiger wichtiger Metho-
den verdeutlicht werden. Damit soil auch der Ermessensspielraum aufgezeigt wer-
den, den diese Losungsansatze enthalten, da diese Gesichtspunkte die bei der aus-
schlieBlichen Benutzung von Programmen oft fehlen.
Braunschweig, im Marz 2005 Ulrich Maniak
Vorwort zur 1. Auflage
Die zunehmende Nutzung des natiirlichen Wasserdargebots stellt die Wasserwirt-
schaft vor Aufgaben, deren Losung eine ganzheitliche Betrachtung erfordert. Als
Folge davon hat in den letzten Jahrzehnten die Hydrologie als ihre wichtigste in-
terdisziplinare wissenschaftliche Grundlage eine stiirmische Entwicklung genom-
men. Im Rahmen eines Buches von beschranktem Umfang ist es daher nicht mog-
lich, eine umfassende Einfiihrung in das gesamte Gebiet von Hydrologie und
Wasserwirtschaft zu geben. Aus der Fiille des Stoffes muBte eine Auswahl getrof-
fen und einige wichtige Teilgebiete ganz oder teilweise ausgelassen werden. Im
vorliegenden Buch werden hauptsachlich die oberirdischen Wasservorrate, ihre
quantitative Erfassung und Nutzung behandelt. Grundwasser und Fragen der Was-
sergiite werden weitgehend ausgeklammert.
Das Buch ist als Einfuhrung in einige grundlegende hydrologische Berech-
nungsverfahren und wasserwirtschaftliche Bemessungsmethoden gedacht. Es rich-
VI Vorwort
tet sich hauptsachlich an Studierende des Bauingenieurwesens und kann anderen
Disziplinen als Hilfsmittel bei der rechnerischen Behandlung von hydrologischen
Problemen dienen. Bei Grandkenntnissen in der Statistik konnen die Abschnitte
4.1 und 5.1 iiberschlagen werden. Der Ingenieur muB sich beim Bau im und am
Gewasser und bei der Regulierung des Gebietswasserhaushaltes mit hydrologi-
schen und wasserwirtschaftlichen Problemen der quantitativen Wasserwirtschaft
auseinandersetzen. Dabei kommt dem Warmehaushalt eine zunehmende Bedeu-
tung zu und in einigen Regionen auch den Feststoffen. Da eine Reihe von Verfah-
ren auf die verfugbaren Messdaten zugeschnitten sind, wird auf die Messung nebst
Fehlern und auf die Datenaufbereitung kurz eingegangen.
Die Gliederung des Staffs erfolgte im Hinblick auf einige haufig auftretende
wasserwirtschaftliche Aufgaben. Dies fiihrt bei der Analyse und Synthese von
hydrologischen Prozessen zu gewissen Uberschneidungen. Zur Verdeutlichung
des Untersuchungsablaufs und zum Selbststudium sollen einige besonders ge-
kennzeichnete Beispiele dienen. Die Literaturquellen mogen zum vertiefenden
Studium anregen. Allerdings ist der Umfang der hydrologischen Literatur so stark
angewachsen, daB eine richtige Auswahl fast unmoglich ist.
In der Hydrologie sind oft nicht so genaue Analysen wie in der Mechanik mog-
lich. Der damit verbundene Ermessensspielraum und der scheinbare Mangel an
Genauigkeit bei der Problemlosung lassen aber dennoch Vergleiche mit anderen
Bemessungsmethoden im Ingenieurwesen zu, bei denen die Unwagbarkeiten der
Bemessung in Sicherheitsfaktoren bei Annahmen iiber Belastungen oder Material-
eigenschaften enthalten sind. In der Hydrologie iiberwogen friiher deskriptive Ver-
fahren, verbunden mit empirischen Formeln. Aber auch die heute bevorzugten ma-
thematischen Modelle werden in ihrer Anwendung durch regional giiltige
Parameter begrenzt. Im Rahmen dieser Einfiihrung konnen jedoch nicht die Werte
der Parameter fur verschiedene Klimaregionen abgegeben werden. Anhand von
Zahlenbeispielen, die bevorzugt aus dem mitteleuropaischen Raum ausgewahlt
wurden, wird die GroBenordnung von einigen hydrologischen Variablen aufge-
zeigt.
Das Buch ist aus meiner Lehr- und Forschungstatigkeit an der Technischen U-
niversitat Braunschweig hervorgegangen. Eingeflossen sind die Arbeiten von Mit-
arbeitern des LeichtweiB-Institutes fur Wasserbau, Abteilung Hydrologie und
Wasserwirtschaft, denen mein besonderer Dank gilt. Fur die kritische Durchsicht
von Teilen des Manuskripts danke ich Herrn Dr. rer. nat. H. Schrodter, dem lang-
jahrigen Leiter der Zentralen Agrarmeteorologischen Forschungsstelle des Deut-
schen Wetterdienstes und Herrn Dipl.-Ing. F.W. Renz (=), Ruhrtalsperrenverein,
Abteilung Wasserwirtschaft. An dieser Stelle soil auch alien Personen und Institu-
tionen, die mir verschiedene Unterlagen zur Verfiigung gestellt haben, gedankt
werden. Frau F. Markmann und Herrn K. Diederichs-Spah sei fur ihre Mithilfe bei
der Herstellung der Druckvorlage gedankt. Der Verlag hat durch die gewahrte gu-
te Zusammenarbeit die Fertigstellung des Manuskripts betrachtlich erleichtert.
Braunschweig, im November 1987 Ulrich Maniak
Verzeichnis haufig verwendeter AbkCirzungen
Zeichen Einheit*5 Benennung
a mm/°Cd Grad-Tag-Faktor
d
a % Albedo
r
A mm Abflusshohe
A mV Diffusionskoeffizient
Ao mm Hohe des oberirdischen Abflusses
A mm H6he des unterirdischen Abflusses
u
A km2 oberirdisches Einzugsgebiet
Eo
a % Signifikanzniveau oder Signifikanzzahl
Bo - Bowen-Verhaltnis
c Jg-'K"1 spezifische Warme von Wasser
JgV spezifische Warme der Luft bei konstantem Druck
CP
(=1005 Jkg-'K"1)
- Korrekturfaktor fur Verdunstungskessel fur
Cpf
Pflanzenwasserbedarf
c — Schiefekoeffizient
s
_ Variationskoeffizient von x
C — Uberfallbeiwert breitkroniges Wehr
B
c _ Uberfallbeiwert Dreieckwehr
D
Co g/1 natiirlicher Salzgehalt
CN - Gebietskenngrolte des SCS-Verfahrens
C — Uberfallbeiwert Rechteckwehr
R
C gm"3 Schwebstoffkonzentration
s
- Kontraktionsbeiwert Venturigerinne
CvEN
x2 - TestgroBe des Chi-Quadrat-Tests
d mbar Sattigungsdefizit
D - Modalwert
D h, min Dauer, Niederschlagsdauer
m Grenzkorndurchmesser
Dgr
AS mm, m Rilcklage, Speicherzuwachs
— Emissionskoeffizient (Emissivitat)
E
e mbar aktuelle Feuchte
a
mbar aktueller Dampfdruck der Luft
eL
a
e mbar Sattigungsdampfdruck
s
ew mbar Sattigungsdampfdruck bei der Temperatur des Wassers
s
VIII Verzeichnis haufig verwendeter Abkurzungen
E mm/At Evaporation, Verdunstungshohe
E mm/At potentielle Evaporation
p
ET mm/At Evapotransp iration
ET mm/At reale (aktuelle) Evapotranspiration
a
ET mm/At potentielle Evapotranspirationshbhe
0
f mm/h Infiltrationsrate
relative Haufigkeit
f(x) _ Dichtefunktion von x
F - Freiheitsgrad
F mm kumulierte Infiltrationshohe
Fr _ Froude'sche Zahl; Fr = v/(gh)l/2
ft mm/mb Verdunstungsfaktor nach Haude
y m^C'1 Psychrometerkonstante (= 0,65 h Pa-K"1)
h m Wassertiefe, Uberfallhbhe
H m Wasserstand
H Wm"2 Bodenwarmestromdichte
B
H Jcm-V Warmestromdichte aus Konvektion
K
H J Enthalpie
L
H Wm"2 im Wasserkorper gespeicherte Warme
T
Hz Jcm"V Warmestromdichte aus Verdunstung
v
Wirkungsgrad
mm/h Regenintensitat
I mm/h Regenintensitat
Io Wm"2 Solarkonstante
Iw mm/At Intensita't des abflusswirksamen Niederschlags pro
Berechnungsintervall At
Iv mm/At Verlust pro Berechnungsintervall At
%o Reibungsgefalle
JR
Js 7oo Sohlgefalle
Jw 7oo Wasserspiegelgefalle
kfg mmh"' gesattigte Leitfahigkeit
k — Korrekturfaktor fur die Landverdunstungspfanne
p
kst m'/3s"' Rauhigkeitsbeiwert nach Strickler
Korrekturfaktor fur die FloBverdunstungspfanne
m'V Rauhigkeitsbeiwert nach Chezy
k h
C
k(T;C) - standardisierte Variable der Verteilungsfunktion
s
K h Speicherkonstante
L m, km FlieBstrecke, Flusslange
Lv Jg"1 latente Verdampfungswarme von Wasser
LAI m2m-2 Blattflachenindex
m — Rangzahl, Ordnungszahl
m tkm"2 Feststoffabtrag
F
m kgs"'m"' Geschiebetrieb pro m Flussbreite
G
m kgs"' Schwebstofftransport
s
Verzeichnis haufig verwendeter Abkurzungen IX
MQ m3/s Mittelwasser (weitere Definitionen s. Tab. 3.2)
Mittel der Grundgesamtheit (Erwartungswert von x)
N mm mittlere Niederschlagshohe, Gebietsniederschlagshohe
N _ Stichprobenumfang
V mV kinematische Zahigkeit von Wasser
P mbar, hPa Luftdruck
Pu /O Unterschreitungswahrscheinlichkeit
Pu /o Uberschreitungswahrscheinlichkeit
P(X) - Verteilungsfunktion von x
P(x) - empirische Wahrscheinlichkeit von x
P(A) /o Wahrscheinlichkeit von A
PH /o hydrologische Sicherheit
- Abflussbeiwert
q 1/skm2 Abflussspende
Q m3/s Durchfluss, Abfluss
Qs m3/s Schwellenwert
QA m3/s Abfluss, Abgabe
QA m3/s Ausbauabfluss
QB m3/s Basisabfluss
QZ m3/s Zufluss
Qi 1/s Injektionsrate
Autokorrelationskoeffizient der Zeitverschiebung
Ps kgm"3 Dichte von Schnee
s /s aktuelle Sonnenscheindauer/Dauer des Tageslichts je Tag
n N
latente Verdampfungswarme von Eis
r - Korrelationskoeffizient zwischen x und y
xy
relative Luftfeuchte
r(T ;n) 1/sha Regenspende
n
R Spannweite, Variationsbreite von x
x
R m hydraulischer Radius
Ra Wm'2 extraterristische Strahlung
RA Jcm^mkf1 langwellige Ausstrahlung der Erdoberfla'che
RG Jcm^min'1 Gegenstrahlung
RH Jcm^min'1 Himmelstrahlung
RI Jcm-2min-1 Sonnenstrahlung
Rs' Jcm"2min"' Globalstrahlung
RsB Jcm'2min'' Strahlungssaldo, Strahlungsbilanz
P gem'3 Dichte von Wasser
1/p m3/kg spezifisches Volumen
P(x) - Korrelationskoeffizient der Grundgesamtheit
s(t) m mm Werte der S-Kurve
Standardabweichung der Stichprobe
m3 SpeichergroBe, Speicherinhalt
X Verzeichnis hSufig verwendeter Abkilrzungen
SDL Summendifferenzenlinie
Si mm Interzeptionsspeicher
a WmV Stephan-Boltzmann-Konstante
(=5,67-l(T8Wm-2K-4)
- Standardabweichung der Grundgesamtheit
t(a,F) - Abszissenwert der t-Verteilung
to h Konzentrationszeit
T °C Taupunkt
d
T a Wiederholungszeitspanne, Wiederkehrzeit
n
T °C Gewassertemperatur
F
T °c Gleichgewichtstemperatur
G
T °c Kiihlwassertemperatur
K
T °c Lufttemperatur
L
T °c Wassertemperatur
w
T Nm"2 Schubspannung
u(At;t) m3/mm, 1/h Ordinaten der Ubertragungsfunktion
0 hm3 Uberlauf bei Speichern
u m/s Windgeschwindigkeit in z Meter Hohe
z
V ms'1 FlieBgeschwindigkeit
V mm Verdunstung
VN mm Vorregenindex
w - Bewolkungsgrad
w - Wassergehalt
W — rechnerische Lebensdauer eines Bauwerks
W MW elektrische Nutzleistung
E
W, kW Leistung Laufkraftwerk
X _ arithmetisches Mittel der Werte x
— geometrisches Mittel der Werte x
X8
X - Anpassungsparameter des Muskingum-Verfahren
y - reduzierte Variable nach Gumbel
T
Zo mm Hohe des oberirdischen Zuflusses
z mm HOhe des unterirdischen Zuflusses
*u)
Umrechnung s. Tab. 2.1.
Inhaltsverzeichnis
1 Einfiihrung in die Hydrologie und Wasserwirtschaft 1
1.1 Begriffe der Hydrologie 1
1.2 Wasserkreislauf und Wasserbilanz 1
1.3 Aufgaben der Wasserwirtschaft 6
1.4 Beispiele fur die Wasserbewirtschaftung 7
1.4.1 Wasserwirtschaft im Ruhreinzugsgebiet 7
1.4.2 Hochwasserschutz durch Hochwasserruckhaltebecken 9
1.4.3 Uberleitung von Wasser mit einem Schifffahrtskanal 10
1.4.4 Wasserkraftnutzung eines Flusses 13
Der Wasserhaushalt und Beobachtung einzelner Komponenten 15
2.1 Niederschlag 15
2.1.1 Erscheinungsformen 15
2.1.2 Niederschlagsmessung 17
2.2 Verdunstung 20
2.2.1 Begriffe 20
2.2.2 MeBverfahren 24
2.2.3 Berechnung der Verdunstung aus meteorologischen 33
Beobachtungen
2.2.3.1 Energiebilanzverfahren 33
2.2.3.2 Anwendung des Strahlungskonzeptes 45
2.2.3.3 Anwendung des aerodynamischen Konzepts 46
2.2.3.4 Kombinierte Methode von aerodynamischem Konzept und 49
Energiebilanz
2.3 Abfluss 54
2.3.1 Wasserstand 54
2.3.2 Direkte Abflussmessung mit Mefiwehren und MeBgerinnen 57
2.3.3 Ermittlung des Abflusses iiber Fliefigeschwindigkeit und 62
Durchflussflache
2.3.4 Aufstellung und Kontrolle der Abflusskurven 67
2.4 Beobachtungsnetze 72