2.1 Komponenten des Wasserhaushalts

Nach der Definition des Forschungsobjektes der Hydrologie in Kapitel 1 werden nun die einzelnen Komponenten des Wasserhaushalts kurz vorgestellt. In den weiteren Kapiteln dieser Vorlesung werden die Prozesse und ihre Wechselwirkungen einzeln erklärt.

Abb. 2.1: Komponenten des Wasserkreislaufs mit Prozessen, Flüssen und Speichern. Die Zahlen geben den Transport in 1000 km³ pro Jahr an. Dunkelblaue Zahlen stellen beobachtete Werte dar (Baumgartner & Reichel 1975), rote Zahlen stammen aus einer Modellberechnung am Max-Planck-Institut für Meteorologie, Hamburg (Modell ECHAM 3, 1992, aus einer Broschüre des Deutschen Klimarechenzentrums DKRZ, 1994, verändert).

Die hydrologische Grundgleichung (allgemeine Haushaltsgleichung) enthält die wesentlichen Komponenten des Wasserhaushalts:

Allgemeine Wasserhaushaltsgleichung
P = E + R + Δ S
P: Niederschlag (engl. precipitation)
E: Verdunstung (engl. evaporation)
R: Abfluss (engl. runoff)
ΔS: Wasservorratsänderung

Diese Gleichung läßt sich erweitern, indem statt der Verdunstung von freien Oberflächen (Evaporation) diejenige von bewachsenen Oberflächen (Evapotranspiration) verwendet wird und die Speicheränderung als Summe aus Rücklage und Aufbrauch (negativ) geschrieben wird:

Erweiterte Wasserhaushaltsgleichung
P = ET + R + RL - B
ET: Evapotranspiration
RL - B: Speicheränderung (=∆S)
RL: Rücklage
B: Aufbrauch

Der in Abb. 2.1 dargestellte Wasserkreislauf ist vereinfacht und zeigt die bedeutendsten Komponenten. Einige fungieren als "Speicher", in denen das Wasser sehr langsam umgesetzt wird (z.B. Bodenfeuchte, Grundwasser, Oberflächenwasser, Gletscher, Seen, Ozeane). In der Atmosphäre und in Fließgewässern verweilt das Wasser hingegen erheblich kürzer (s. Tabelle 2.2). Differenziert man in der Wasserhaushaltsgleichung zeitlich variable Abflussanteile (Abflusskomponenten, Zu- und Abflüsse des Untersuchungsgebietes, anthropogene Einflüsse), kann diese für beliebige Zeitabschnitte angewendet werden. Die detaillierte Wasserhaushaltsgleichung ist Grundlage für viele hydrologische Modelle:

Detaillierte Wasserhaushaltsgleichung
P = ET + RO + RZ + RG + Qin - Qout + Ü - E + RL - B
P: Niederschlag
ET: Evapotranspiration
RO: Oberflächenabfluss
RZ: Zwischenabfluss
RG: Grundwasserabfluss
Ü: Überleitungen
E: Entnahmen
RL: Rücklage
B: Aufbrauch

Die mittleren Verweilzeiten t0 des Wassers können mit Kenntnis des Volumens V und des Abflusses bzw. Wasserumsatzes Q berechnet werden:

t 0 = V Q

Herkunft und Verbleib des Wassers haben die Menschheit schon seit historischen Zeiten beschäftigt. Hier eine frühe wissenschaftliche Darstellung des Wasserkreislaufes:

Abb. 2.2: Entstehung der Quellen aus großen Kavernen (A. Kircher, Mundus subterraneus in XII libros digestus, 1664, 3. Auflage 1678), Bildquelle: European Cultural Heritage Online (ECHO).