8.6 Energie- und Wasserhaushalt

8.6.1 Bestimmung der Gebietswasserrücklage

Wasservorrat der Schneedecke
S = HSW Gebiet · A E HSW Gebiet = a · F i · HSW i A E
S Wasservorrat der Schneedecke [m³]
HSWGebiet Gebietswasseräquivalent der Schneedecke [mm WS]
AE Einzugsgebietsfläche (km2)
a Faktor für die Ausaperung
Fi Teilflächen, welche die Messstationen "repräsentieren" (km2)
HSWi Wasseräquivalent der Schneedecke [mm WS] (am Messpunkt)
HSW (mm) = HS (cm) ∙ G (kg/m3) mit G(H20) = 1

8.6.2 Physikalische Grundlagen des Schneeschmelzprozesses

Abb. 8.7: Prinzipskizze zum Wärme- und Wasserhaushalt einer Schneedecke (nach Rachner 1968 und Maniak 1997).

Für wasserwirtschaftliche Aufgabenstellungen ist die Erfassung des Schneedeckenausflusses QAS in m3/s bzw. des Schneeschmelzabflusses QS [m3/s] von Bedeutung, ebenso die Abschätzung des Wasservorrates der Schneedecke in m3 eines betrachteten Wassereinzugsgebietes. Die Schneeschmelze ist ein thermodynamischer Prozess, der durch den Energieaustausch zwischen Schneedecke und Atmosphäre in Form von Nettostrahlung, latenter (in Form von Kondensation und Verdunstung) und fühlbarer Wärmestrom sowie Regenwasser erfolgt (zusätzlich über den Untergrund: Bodenwärmestrom). Die Energiegleichung einer Schneedecke lautet demnach (Morris 1989, Maniak 1997, Vorlesung Klimatologie):

Energiegleichung einer Schneedecke
H M = R SB + H K + H V + H B + H R
HM in der Schneedecke gespeicherte Kälte (Wärmeinhalt der Schneedecke)
HM Energiesaldo, verfügbar für die Schneeschmelze in Wm-2
RSB Nettostrahlung als Summe der kurzwelligen Nettostrahlung RNK (+) und der langwelligen Nettostrahlung RNI (-)
HK fühlbarer Wärmestrom der Luft auf die Schneedeckenoberfläche (+) in Wm-2
HV latenter Wärmestrom an der Grenzfläche Schneedecke - Atmosphäre in Wm-2
HB Wärmestrom von der Grenzfläche Schneedeckenoberfläche - Untergrund
HR Wärmestrom durch Regen: HR = N ∙ cW (TR-TS)

Der Betrag, der für die Schneeschmelze zur Verfügung steht, entspricht dem Energieüberschuss der o.g. Gleichung.

Die Albedo ist der Quotient aus reflektiertem Strahlungsstrom zu einfallendem (meist solarem) Strahlungsstrom, jeweils summiert über alle Wellenlängen und über den ganzen Halbraum.

Tabelle 8.2: Einige Werte für die Albedo:
Oberfläche Albedo
Neuschnee 0.95
Altschnee 0.40
Meereis 0.30-0.45
Gletschereis 0.20-0.40
Wasser (flache Einstrahlung) 0.10-1.00
Wasser (steile Einstrahlung) 0.20-0.40
Laubwald 0.15-0.20
Nadelwald 0.05-0.15
Gras 0.16-0.26
Wüste 0.20-0.45
Boden von dunkel (nass) bis hell (trocken) 0.05-0.40

8.6.3 Die Schneedecke als hydrologischer Speicher

Die Schneeschmelzrate oder Regen, der auf eine Schneedecke fällt, trägt in der Regel ereignisbezogen nicht zum Gebietsabfluss bei. Verantwortlich hierfür sind die "thermische und mechanische Speicherung". Die "thermische Speicherung" wird durch den Kälteinhalt K ausgedrückt. Wasser, das in eine Schneedecke eindringt, deren Temperatur unter 0°C liegt, gefriert und gibt dabei seine latente Wärme an den Schneekörper ab. Dadurch erfolgt eine Aufwärmung bis zum isothermen Beharrungszustand; erst dann kann weiteres Schmelzen stattfinden. Bei der mechanischen Speicherung wird in Abhängigkeit vom Metamorphosezustand eine bestimmte Menge an Wasser entgegen der Schwerkraft zurückgehalten (hygroskopisch und kapillar gebundenes Wasser). Die Abschätzung des maximalen Wasserrückhaltevermögens kann z.B. mit Hilfe des Snow-Compaction-Verfahrens erfolgen, welche die Wasserabgabe ab einer bestimmten Lagerungsdichte der Schneedecke ks = 0,4 - 0.45 g/cm³ postuliert.