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Grundlagen der Hydrologie

2.1 Definition und Entwicklungen

Die Hydrologie, auch Gewässerkunde, ist die Wissenschaft vom Wasser und seinen Eigenschaften vor allem in der Geo- und Biosphäre, auf und unter der Erdoberfläche. Sie umfasst als Teilbereiche den Wasserhaushalt (quantitative Hydrologie), die Wasserbeschaffenheit sowie biogene Stoffumsätze im Wasser (qualitative Hydrologie). Wichtige, oft eigenständige Teildisziplinen sind u.?a. die Hydrologie der Oberflächenwässer (Fließgewässer, Schnee/Eis), die Hydrogeologie und die Hydrochemie sowie Hydrobiologie und Limnologie (Binnengewässerkunde). Ozeanologie (Meereskunde) und Glaziologie (Gletscherkunde) sind schon früh als selbstständige Wissenschaften entstanden.

Athanasius Kircher (1602-1680; Jesuit und Universalgelehrter des 17. Jahrhunderts) vermittelt in seinem Werk Mundus subterraneus (1664 [1]; Abb. 2.1) eine erste Vorstellung von einem Wasserkreislauf. Er vermutete, dass Quellen in den Höhenlagen von Bergen aus unterirdischen Kanälen gespeist würden. Diese Quellen wiederum seien mit sehr großen Strudeln am Grund der Meere verbunden. Er stellte auch die Hypothese auf, dass die Gezeiten von Wassermassen verursacht würden, die sich zwischen den Weltmeeren und einem unterirdischen Ozean bewegten.

Pierre Perrault (um 1608-1680) wurde gemeinsam mit Edme Mariotte (um 1620-1684; Physiker) zu einem der Begründer der Hydrologie als einer experimentellen Wissenschaft, indem sie u.?a. das Eindringen von Regenwasser in den Boden quantitativ ermittelten und die Verdunstung als Teil des Wasserkreislaufs (mit Faktoren wie Verdunstung, Transpiration [Pflanzen], Durchfluss und Oberflächenabfluss) in ihre Betrachtungen einbezogen. Perrault veröffentlichte 1674 seine Erkenntnisse unter dem Titel De l'origine des fontaines - deutsch Über den Ursprung der Quellen[2].

Mit dem Beginn umfangreicherer Messungen zu meteorologischen Größen wie Temperatur und Niederschlag, auch zum Wasserstand von Flüssen als hydrologischer Größe, begann im 19. Jahrhundert eine Entwicklung zum Aufbau von Messnetzen, die Daten für mathematisch-theoretische Grundlagen lieferten.

Pioniere dieser Entwicklungen sind u.?a. John Dalton (1766-1844; engl. Naturforscher), der 1801 eine erste empirische Gleichung zur Berechnung der Verdunstung als Funktion von Windgeschwindigkeit und Sättigungsdefizit entwickelte, sowie Henry Darcy (1803-1858; franz. Ingenieur), der den Zusammenhang zwischen Wasserhöhe, Durchlässigkeit und durchflossener Fläche poröser Medien wie Böden beschrieb.

Abb. 2.1 Vorstellungen eines Wasserkreislaufes von A. Kircher in Mundus subterraneus (Unterirdische Welten) 1664 [1].

In den Hochkulturen entwickelten sich schon früh Techniken zur Steuerung des Wasserhaushaltes - so in Mesopotamien (heute Irak) zur Bewässerung im Pflanzenanbau bei Wassermangel, wo Wasser in unterirdischen Kanälen (Qanat genannt) von Quellen in den Bergen in Wüstenregionen transportiert wurde. Weitere Beispiele sind Bewässerungsanlagen im alten Ägypten, der Deichbau als Schutz in vielen Küstenregionen und auch die von den Römern entwickelte Technik der Wasserversorgung und -entsorgung mit den historischen Wasserleitungen auch in Deutschland (aus der Eifel nach Köln, verbunden mit dem Bau von Aquädukten - s. auch Exkurs in Abschn. 5.6). Als Beispiel für einen Deichbau zur Wasserversorgung sei der Mar'ib Staudamm im heutigen Jemen genannt, der um 1700 v.?Chr. zur Zeit der Königin von Saba errichtet für Wasser zur Bewässerung einer Fläche von etwa 100?km2 sorgte.

Zu den Grundlagen der allgemeinen Hydrologie gehören die Gebiete des globalen und regionalen Wasserkreislaufes, des Niederschlags, des Bodenwasserhaushaltes, des Grundwassers, der Verdunstung und des Abflusses im Gewässersystem, die im Folgenden ausführlicher dargestellt werden.

Über spezielle Bereiche der Hydrologie, über hydrologische Methoden und Verfahren, die regionale Hydrologie, Anwendungen der Hydrologie bis zum Wassermanagement informiert u.?a. das Buch von N. Führer (Hrsg.) Hydrologie (2011) [5]. Im selben Jahr wurde in Koblenz die Deutsche Hydrologische Gesellschaft (DHG e.?V.) gegründet - als "Fachvertretung für den Bereich der Hydrologie und Wasserbewirtschaftung für Studierende, Wissenschaftler/?innen und Berufspraktiker" (www.dhydrog.de).

Exkurs: Bundesanstalt für Gewässerkunde

In Koblenz befindet sich seit 1952 auch die Bundesanstalt für Gewässerkunde. Nach Hochwasserkatastrophen in den 1880er- und 1890er-Jahren bildeten die deutschen Staaten Baden, Bayern, Württemberg und Preußen einen gemeinsamen Wasserausschuss, aus dem 1902 die Preußische Landesanstalt für Gewässerkunde in Berlin hervorging. Nach dem Zweiten Weltkrieg entstand in den sowjetisch besetzten Gebieten 1945 die Forschungsanstalt für Schifffahrt, Gewässer- und Bodenkunde, später im Hauptamt für Hydrologie und dann im Institut für Wasserwirtschaft (IfW) fortgeführt. In Westdeutschland wurde 1948 zunächst die Forschungsanstalt für Gewässerkunde in Bielefeld eingerichtet - 1949 in Bundesanstalt für Gewässerkunde unbenannt und 1952 in Gebäude in den Kaiserin-Augusta-Anlagen in Koblenz verlegt. Nach der Wiedervereinigung beider deutscher Staaten arbeiteten ab Oktober 1990-2002 die Einrichtungen in Berlin und Koblenz zusammen (die Außenstelle Berlin wurde 2002 geschlossen).

Die Bundesanstalt für Gewässerkunde in Koblenz hat als wissenschaftliches Institut die Aufgabe, wasserstraßenbezogene Forschung, Begutachtung und Beratung auf den Gebieten Gewässerkunde, Wasserbewirtschaftung, Ökologie und Gewässerschutz durchzuführen. Eine der Kernaufgaben ist das "Messprogramm zur Überwachung der Gewässergüte grenzüberschreitender Flüsse sowie von Küstengewässern".

Die Aufgabenschwerpunkte spiegeln sich auch in der Organisation der Bundesanstalt mit drei fachspezifischen Abteilungen Quantitative Gewässerkunde, Qualitative Gewässerkunde und Ökologie.

Zur qualitativen Gewässerkunde gehören folgende Referate: Hydrometrie und gewässerkundliche Begutachtung - Wasserhaushalt, Vorhersagen und Prognosen - Gewässermorphologie, Sedimentdynamik und -management - Geodatenzentrum - Geodäsie und Fernerkunden.

Zur quantitativen Gewässerkunde zählen: Grundsatzfragen der qualitativen Gewässerkunde - Gewässerchemie - Biochemie, Ökotoxikologie - Radiologie und Gewässermonitoring.

Auf der Webseite der Bundesanstalt (www.bafg.de) lassen sich viermal täglich erfasste Daten aus Messungen abfragen - so unter dem Link Service zu Gewässergüte am 2. Mai 2020:

Koblenz Rhein

11.00 Uhr (Wasserstand 165?cm - Wassertemperatur 16,1?°C - Sauerstoffgehalt in mg/l 8,2 - pH-Wert 8,1 - Leitfähigkeit µS/cm 489 - Trübung in TE 4,2).

Koblenz Mosel

11.00 Uhr (Wasserstand 242?cm - Wassertemperatur 15,7?°C - Sauerstoffgehalt mg/l 10,0 - pH-Wert 8,3 - Leitfähigkeit µS/cm 951 - Trübung TE 3,2).

2.2 Der hydrologische Kreislauf

Transport und Speicherung von Wasser, global und regional, werden mit dem Begriff Wasserkreislauf beschrieben. Innerhalb dieses Kreislaufs wechselt das Wasser mehrmals seinen Aggregatzustand.

Ozeane, Seen, Flüsse, Grundwasser, Polareis und Gletscher bilden die Hydrosphäre in festem, flüssigem und wenn man die Atmosphäre berücksichtigt auch gasförmigem Zustand. 97,3?% des Gesamtwasservorrats auf der Erde, der nur etwa 0,3?% der Erdmasse ausmacht, aber 71?% der Erdoberfläche bedeckt, befinden sich in den Ozeanen.

Der globale Wasserkreislauf kann als eine riesige, von Sonnenenergie gespeiste Destillationsanlage aufgefasst werden - mit einer Kapazität von etwa 420?000?km3 im Jahr, die zu 85?% aus den Ozeanen stammen. Die Verdunstung ist dann am höchsten, wenn die Wasseroberfläche warm, die Luft trocken ist und eine hohe Verteilung des Wasserdampfes durch eine vertikale Verteilung bei hoher Windgeschwindigkeit erfolgen kann. Die Verdunstung von pflanzenbewachsenen Flächen wird als Evapotranspiration bezeichnet - zusammengesetzt aus Evaporation (Verdunstung aus unbelebten Oberflächen) und der Transpiration der Pflanzen. Eine weitere differenzierende Größe ist die Interzeption als Verdunstung von Niederschlagswasser zu nennen, das zunächst als Schnee auf bzw. an Pflanzen zurückgehalten wurde (s. auch Abschn. 3.2 und 3.4).

Als bedeutendste Senke für Wasser in der Atmosphäre ist die Kondensation des Wasserdampfs mit...