Übungsaufgaben zu Kapitel 7 - Abfluss

Aufgabe 7.1 (Kurzreferat)

Für eine landschaftsökologische Studie in einem niedersächsischen Landschaftsraum benötigen Sie tägliche Abflusshöhen an einem Pegel sowie tägliche Niederschlags- und Verdunstungshöhen. An welche Institutionen wenden Sie sich und in welcher Form rufen Sie die Daten ab? Welche amtlichen Daten stehen Ihnen zur Festlegung des oberirdischen Wassereinzugsgebiets zur Verfügung und woher können Sie diese beziehen? Welche Behörde ist für die beschaffenheitsmäßige Überwachung der oberirdischen Fließgewässer zuständig und in welcher Form werden diese Daten der Öffentlichkeit und Fachbehörden zur Verfügung gestellt?

Aufgabe 7.2

Abfluss-, Niederschlags- und Verdunstungshöhen werden für hydrologische Studien an einem Standort gemessen (sogenannte Punktmessungen). Warum müssen die Abflusshöhen nicht regionalisiert werden?

An welcher Stelle wird für Wasserhaushaltsstudien eine Abflussmessstelle plaziert?

Aufgabe 7.3

Welche natürlichen und anthropogenen Speisungsarten bzw. Nutzungsformen finden sich in einem industriell und landwirtschaftlich genutzten Wassereinzugsgebiet? Neben Einflüssen auf die Wasserbilanz gibt es auch einen engen Zusammenhang zwischen Nutzung und Wasserqualität (Wasser als Transportmedium für Schadstoffe). Unterscheiden Sie zwischen dauerhaften (s. Abb.) und ereignisbezogenen anthropogenen Einträgen!

Aufgabe 7.4

a) Wann nennt man eine Strömung (z.B. im offenen Gerinne) stationär, wann instationär, wann ist die Gerinneströmung laminar, wann turbulent?

b) Ein 5 m breites, rechteckiges Gerinne hat eine Fließtiefe von h = 0,10 m. Mit welcher Fließgeschwindigkeit wird bei einer Temperatur von T = 20°C die Grenze laminar - turbulent erreicht? Wofür kann diese Erkenntnis von Nutzen sein?

Aufgabe 7.5

Direkte Anwendungen der Bernoullischen Gleichung sind u.a. bei der Prandtl-Sonde oder dem Venturirohr bzw. -gerinne gegeben. Wie lautet sie? Skizzieren Sie am Beispiel eines offenen Gerinnes.

Aufgabe 7.6

Was versteht man unter Abflussbeiwert und Abflussverhältnis? In einem 200 km² großen Wassereinzugsgebiet wurde eine Abflussganglinie mit einem Volumen von 4 hm³ ohne Basisabfluss bei einem Gebietsniederschlag von 50 mm gemessen. Wie groß ist der Abflussbeiwert, wie groß ist das Abflussverhältnis?

Aufgabe 7.7

Beschreiben Sie die einzelnen Arbeitsschritte zur Bestimmung des Abflusses mittels

Wann wird welches Verfahren angewandt bzw. bevorzugt?

Aufgabe 7.8

Wozu dient die Abflusskurve und wie wird sie ermittelt?

Aufgabe 7.9

Skizzieren Sie eine moderne Abflussmessstelle (automatische Wasserstands-, pH und Leitfähigkeitsregistrierung)!

Aufgabe 7.10

Erläutern Sie das Prinzip eines Messüberfalls und eines Venturigerinnes (s. Abb. in Schröder et al. 1994)! In welchen Fällen kann eine derartige Abflussmessstelle verwendet werden?

Aufgabe 7.11

Gegeben ist ein scharfkantiges Überfallwehr, mit dem der Gebietsabfluss eines Wassereinzugsgebietes ermittelt werden soll. Berechnen Sie den Gebietsabfluss unter Verwendung eines vollkommenen Überfalls. Die Anströmgeschwindigkeit v0 ist zu vernachlässigen (fertigen Sie auch eine Skizze an)!

Gegeben: Wehrhöhe w = 4,0 m; Breite b = 5,0 m; Überfallhöhe hü = 2,0 m; Überfallbeiwert m = 0,64.

Aufgabe 7.12

Wie ermittelt man eine Wasserstandsdauerlinie und wozu dient sie?

Aufgabe 7.13

Gegeben sind die Aufzeichnungen eines Niederschlagsschreibers (Abb. oben) und die Wasserstandsganglinie am Pegel (Abb. unten) eines 20 km² großen Einzugsgebietes. Eine Abflusskurve für die Wehranlage liegt ebenfalls vor (Abb. unten)!

Berechen Sie den mittleren Abflussbeiwert für diesen Zeitraum. Der Basisabfluss beträgt bezogen auf die Fläche 50 l/(s×km²).

(Abb. entnommen dem Skript Ing.-Hydr. des IfWW Darmstadt)

Aufgabe 7.14

Ermitteln Sie für den "effektiven Niederschlag" iNe (mm/h) nach drei ingenieurhydrologischen Verlustratenansätzen:

  1. Abflussbildungsansatz nach Horton (ivo = 20 mm/h; ivc = 2,7 mm/h; k = 0.0275 l/min)
  2. F-Index-Methode mit iv = 10,31
  3. Konstanter Abflussbeiwert y = 0,667

Aufgabe 7.15

Diskutieren Sie die o.g. Abflussbildungsansätze und nennen Sie ihre Anwendungsbereiche bei hydrologischen Fragestellungen in natürlichen Landschaftsräumen!

Aufgabe 7.16

Welche natürlichen Tracer eignen sich für eine analytische Abflussganglinienseparation an einem Pegel eines mitteleuropäischen Wassereinzugsgebietes (begründen Sie)?

Aufgabe 7.17

Was versteht man unter Isotopenfraktionierung in der Hydrologie und was sind die Folgen?

Aufgabe 7.18

Nennen Sie die Grundgleichung für den Zwei-Komponenten-Fall zur Abtrennung von Ereignis- und Vorereigniswasser. Wie müssen Sie das Messprogramm im Feld und Labor organisieren?

Aufgabe 7.19

Wie ist die mittlere Verweilzeit in einem Einzugsgebiet definiert und wie kann eine Modellaltersverteilung aufgestellt werden?

Aufgabe 7.20

Erläutern Sie an einem Beispiel das TWL-Verfahren, das Au-Linienverfahren und das MoMNQ-Verfahren nach Wundt!

Aufgabe 7.21

Zeichnen Sie einen typischen Hydrographen für ein hochalpines Einzugsgebiet.

Aufgabe 7.22

Ein 5 m breiter, rechteckiger Vorfluter besitzt eine Fließtiefe von 0,10 m. Ab welcher Fließgeschwindigkeit steigt der messtechnische Aufwand für eine zufriedenstellende Bestimmung des Durchflusses (bei 20°C) erheblich an?

Aufgabe 7.23

Welche Randbedingungen sind bei der Verwendung von natürlich eingetragenen Tracern im Rahmen der Abflussganglinienseparation zu beachten? Skizzieren Sie ein Messnetz mit minimaler Ausstattung!

Aufgabe 7.24

Welcher Fluss ist größer: der Ganges oder die Lena?

Aufgabe 7.25

Erläutern Sie die Gleichung zur Auswertung von Flügelmessungen zur Bestimmung der Abflusshöhe. Welche Voraussetzungen müssen gegeben sein?

Aufgabe 7.26

Beschriften Sie und erläutern Sie stichwortartig!

Aufgabe 7.27

Was verstehen Sie unter dem Begriff "Trockenwetterfallinie" (TWL)?

Aufgabe 7.28

Wie kann der Abflussbildungsmechanismus im paläozoischen Festgesteinsbereich (Harz) skizziert werden, wenn die isotopen- und grundwasserhydrologischen Ergebnisse herangezogen werden?

Aufgabe 7.29

Erläutern Sie den "nichtlinearen Speicheralgorithmus" zur Abtrennung des Basisabflusses (s. Abb. 7.19).

Aufgabe 7.30

Skizzieren Sie die Auswirkungen von einseitigem Uferbewuchs auf den Abflussvorgang im Vorfluter. Gegeben ist ein Querprofil. Stellen Sie den qualitativen Verlauf der zeitgemittelten Geschwindigkeitsverteilung in einem Schnitt (h = konstant) dar!

Aufgabe 7.31

Bitte einsetzen: Stationär nennt man einen Bewegungszustand, der ............................... von der Zeit ist, also für einen bestimmten festen Ort im gilt dQ/dt = .... Natürliche Abflussvorgänge und ....................................... sind i.d.R. ................................., d.h.............................................!

Aufgabe 7.32

Gegeben ist ein scharfkantiger Überfall mit w = 4,0 m Wehrhöhe, b = 5,0 m Wehrbreite und hü = 2,0 m Überfallhöhe. Die Anströmgeschwindigkeit v0 kann vernachlässigt werden. Gesucht sind die Abflüsse Q des vollkommenen Überfalls und mit hu = 1,0 m Unterwassereinstau?

Aufgabe 7.33

Gegeben ist die Tracerdurchgangskurve am Messprofil B (vgl. Abb. 7.16). Wie hoch ist die Abflusshöhe? Gegeben: A = 0,5 g Tracereingabemenge (Fluoreszenztracer), Konzentrationsverlauf. Momentane Tracereingabe.

T in h C in mg/l
0 0
10 0
20 0
30 0
40 2
50 3.4
60 5.3
70 5
80 7
82 10.4
84 12.3
86 17.2
88 21.2
90 26.1
92 27.8
94 36
96 35
98 20
100 4.7
102 2.2
104 1
106 0.5
108 0.4
110 0.3
112 0.28
114 0.25
116 0.2
118 0.18
120 0.14
122 0.1
124 0.05

Aufgabe 7.34:

a) Skizzieren Sie die Entstehung des hydrostatischen Druckes in einer Flüssigkeit und des Auftriebs eines schwimmenden Körpers:

b) Skizzieren Sie eine ideale Strömung in einem Rohr mit unterschiedlichem Querschnitt und geben Sie die Kontinuitätsbedingung an.

c) Skizzieren Sie das Geschwindigkeitsprofil in Abhängigkeit von der Tiefe für eine laminare und eine turbulenten Strömung. Was versteht man unter dem hydraulischen Radius rhy und der REYNOLD´schen Zahl Re?

d) Aus welchen Summengliedern setzt sich die BERNOULLI´sche Gesamthöhe H zusammen (BERNOULLI`sche Energiegleichung für den stationären Fall)? Beachte: NAVIER-STOKE`sche Bewegungsgleichung, SAINT VENANT`sche Gleichung

e) Welche Gleichung bildet die Grundlage für die Floodrouting-Verfahren (hydraulische Berechnung des Hochwasserwellenablaufs in Flüssen)?