Hydrologie und Wasserwirtschaft: Eine Einführung für Ingenieure PDF
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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] Bibliografische Information der Deutschen Bibliothek Die Deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.ddb.de abrufbar. ISBN 10 3-540-20091-6 Springer Berlin Heidelberg New York ISBN 13 978-3-540-20091-8 Springer Berlin Heidelberg New York Dieses Werk ist urheberrechtlich geschützt. Die dadurch begründeten Rechte, insbesondere die der Übersetzung, des Nachdrucks, des Vortrags, der Entnahme von Abbildungen und Tabellen, der Funk- sendung, der Mikroverfilmung oder Vervielfältigung auf anderen Wegen und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen, bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. Eine Ver- vielfältigung dieses Werkes oder von Teilen dieses Werkes ist auch im Einzelfall nur in den Grenzen der gesetzlichen Bestimmungen des Urheberrechtsgesetzes der Bundesrepub-lik Deutschland vom 9. September 1965 in der jeweils geltenden Fassung zulässig. Sie ist grundsätzlich vergütungspflichtig. Zuwiderhandlungen unterliegen den Strafbestimmungen des Urheberrechtsgesetzes. Springer ist ein Unternehmen von Springer Science+Business Media springer.de © Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2005 Printed in Germany Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Buch berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von je- dermann benutzt werden dürften. Sollte in diesem Werk direkt oder indirekt auf Gesetze, Vorschrif- ten oder Richtlinien (z. B. din, vdi, vde) Bezug genommen oder aus ihnen zitiert worden sein, so kann der Verlag keine Gewähr für die Richtigkeit, Vollständigkeit oder Aktualität übernehmen. Es emp- fiehlt sich, gegebenenfalls für die eigenen Arbeiten die vollständigen Vorschriften oder Richtlinien in der jeweils gültigen Fassung hinzuzuziehen. Einbandgestaltung: medionet AG, Berlin 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
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