Elemente des Wasserkreislaufs

Niederschlag

Niederschlag ist die Freisetzung von Wasser aus der Atmosphäre, um die Erdoberfläche zu erreichen. Der Begriff „Niederschlag' deckt alle Formen von Wasser ab, die von der Atmosphäre freigesetzt werden (Schnee, Hagel, Graupel und Regen). Niederschläge sind der Haupteintrag von Wasser in ein Flusseinzugsgebiet. Sie müssen in hydrologischen und hydrogeologischen Studien sorgfältig bewertet werden.

Vorkommen und Niederschlagsarten

Die Fähigkeit der Luft, Wasserdampf zu speichern, ist temperaturabhängig (Davie, 2008): Je kühler die Luft, desto weniger Wasserdampf wird zurückgehalten. Wenn ein Körper warmer, feuchter Luft abgekühlt wird, wird er mit Wasserdampf und schließlich dem Wasser gesättigt Dampf kondensiert zu flüssigem oder festem Wasser (z. B. Wasser- oder Eiströpfchen). Das Wasser kondensiert nicht spontan. In der Atmosphäre müssen winzige Partikel vorhanden sein, sogenannte Kondensationskerne.Auf Kondensationskernen bilden sich Wasser- oder Eiströpfchen. Die Wasser- oder Eiströpfchen, die sich auf Kondensationskernen bilden, sind normalerweise zu klein, um als Niederschlag an die Oberfläche zu fallen. Sie müssen wachsen, um genug Masse zu haben, um die Auftriebskräfte innerhalb einer Wolke zu überwinden .

Es gibt drei Bedingungen die erfüllt sein müssen, bevor sich Niederschlag bildet (Davie, 2008):

• Abkühlung der Atmosphäre
• Kondensation des Dampfes an Kernen
• Wachstum der Wasser- oder Eiströpfchen

Es gibt drei Haupttypen Niederschlag:

• Konvektiver Niederschlag
• Orographischer Niederschlag
• Zyklonischer Niederschlag

Konvektiver Niederschlag

Erhitzte Luft in Bodennähe dehnt sich aus und nimmt mehr Wasserfeuchtigkeit auf. Die warme, feuchtigkeitshaltige Luft steigt auf und kondensiert aufgrund der niedrigeren Temperatur, wodurch Niederschläge entstehen. Diese Art von Niederschlägen treten in Form lokaler Wirbelstürme auf.

Orographischer Niederschlag

Das mechanische Anheben feuchter Luft Berg Barrieren verursachen starke Niederschläge auf der Luvseite des Berges.

Zyklonischer Niederschlag

Durch die ungleichmäßige Erwärmung der Erdoberfläche durch die Sonne entstehen Hoch- und Tiefdruckgebiete. Luftmassen bewegen sich von Hochdruckgebieten in Tiefdruckgebiete, und diese Bewegung erzeugt Niederschläge. Wenn warme Luft kältere Luft ersetzt, spricht man von einer Front Warme Vorderseite. Wenn kalte Luft warme Luft verdrängt, wird ihre Vorderseite als a bezeichnet Kaltfront.

Niederschlagsmessung

Der Niederschlag wird normalerweise als vertikale Tiefe des flüssigen Wassers ausgedrückt. Der Niederschlag wird gemessen durch Millimeter (mm), und nicht nach Volumen wie Litern oder Kubikmetern.Die Messung des Niederschlags lernen muss die Tiefe des Wassers das würde sich an der Oberfläche ansammeln, wenn der gesamte Regen dort bleiben würde, wo er gefallen ist. Schneefall kann auch als Tiefe des flüssigen Wassers ausgedrückt werden.

Für hydrologische Zwecke wird es am nützlichsten beschrieben in wasseräquivalente Tiefe.

Wasser gleichwertige Tiefe ist die Wassertiefe, die vorhanden wäre, wenn der Schnee schmelzen würde.

Aussichten für hydrologische Analyse es ist wichtig;

• um zu wissen, wie viel Niederschlag gefallen ist,
• und wann dies geschah.

Niederschlagsmengen an verschiedenen Stellen im Gelände werden mit zwei Haupttypen von Niederschlagsmessern erfasst:

• nicht aufzeichnende Regenmesser
• Aufzeichnung von Regenmessern.

Niederschlagsmesser ohne Aufzeichnung

Der nicht registrierende Regenmesser besteht aus einem Trichter mit kreisförmigem Rand und einer Glasflasche als Auffangbehälter.

Das zylindrische Metallgehäuse wird senkrecht auf dem Mauerwerksfundament befestigt, wobei der ebene Rand über der Erdoberfläche liegt.

Der in den Trichter fallende Regen wird im Auffangbehälter gesammelt und in einem speziellen Messglas mit einer Skala in mm Niederschlag gemessen. Normalerweise werden Niederschlagsmessungen um 08.00:16.00 Uhr und um 24:XNUMX Uhr durchgeführt. Bei starkem Regen muss der Niederschlag drei- oder viermal am Tag gemessen werden. Daher gibt der nicht aufzeichnende Niederschlagsmesser nur die Gesamtniederschlagshöhe der letzten XNUMX Stunden an.

Regenmesser aufzeichnen

A Regenmesser mit Aufzeichnung verfügt über eine automatische mechanische Anordnung bestehend aus:

• ein Uhrwerk,
• eine Trommel, um die herum ein Millimeterpapier befestigt ist
• und eine Bleistiftspitze, die das zeichnet Massenkurve des Niederschlags.

Diese Art von Messgerät wird auch als bezeichnet Selbstaufnahme, maschinell or Integrierter Regenmesser.

Aus dieser Niederschlagsmassenkurve;

• die Niederschlagsmenge in einer bestimmten Zeit,
• die Niederschlagsmenge oder -intensität zu jedem Zeitpunkt während eines Sturms,
• Zeitpunkt des Beginns und Endes des Niederschlags bestimmt werden.

Es gibt drei Arten zur Erfassung von Regenmessern:

• Kippeimer-Regenmesser
• Regenmesser mit Wiegefunktion
• Schwimmer-Regenmesser

Kippeimer-Regenmesser

Der Regenmesser mit Kippeimer besteht aus einem zylindrischen Empfänger mit einem Durchmesser von 30 cm und einem Trichter im Inneren.

Unterhalb des Trichters befinden sich zwei Kippschaufeln. Die Schaufeln sind so drehbar, dass eine der Schaufeln geöffnet wird. Regenmesser vom Typ Kippschaufel (nach Raghunath, 2006). Wenn der Eimer eine Niederschlagsmenge von 0.25 mm erhält, kippt er um und entleert sich in einen darunter liegenden Tank, während der andere Eimer seine Position einnimmt und der Vorgang wiederholt wird. Durch das Kippen des Eimers wird ein elektrischer Schaltkreis aktiviert, der dazu führt, dass sich ein Stift auf einer Karte bewegt, die um eine Trommel gewickelt ist, die von einem Uhrwerk gedreht wird.

Regenmesser mit Wiegefunktion

Wenn bei einem wiegenden Regenmesser eine bestimmte Niederschlagsmenge in einem Tank gesammelt wird, bewegt er einen Stift auf einem Diagramm, das um eine uhrbetriebene Trommel gewickelt ist.

Die Drehung der Trommel legt die Zeitskala fest, während die vertikale Bewegung des Stifts den kumulierten Niederschlag aufzeichnet

Schwimmer-Regenmesser

Bei einem Schwimmer-Regenmesser bewegt sich der Schwimmer beim Sammeln des Regens in einer Schwimmerkammer nach oben, wodurch sich ein Stift auf einer Karte bewegt, die um eine uhrbetriebene Trommel gewickelt ist.

Wenn sich die Schwimmerkammer füllt, wird das Wasser automatisch durch ein Siphonrohr abgesaugt, das in einer miteinander verbundenen Siphonkammer gehalten wird. Der Wäge- und Schwimmer-Regenmesser kann ein moderates speichern Schneefall den der Bediener wiegen oder schmelzen und die entsprechende Regenhöhe aufzeichnen kann.Der Schnee kann im Messgerät geschmolzen werdenselbst (da es dort gesammelt wird) durch ein daran angebrachtes Heizsystem oder durch die Zugabe bestimmter Chemikalien (Kalziumchlorid, Ethylenglykol usw.) in das Messgerät.

Flächenmittelwert der Niederschlagsmenge

Punktniederschlag: Dabei handelt es sich um den an einer einzelnen Station aufgezeichneten Niederschlag.

Für kleine Gebiete mit einer Fläche von weniger als 50 km2 kann der Punktniederschlag als durchschnittliche Niederschlagshöhe über dem Gebiet angenommen werden. In großen Gebieten muss ein Netzwerk von Niederschlagsmessstationen (Meteorologiestationen) installiert werden. Da der Niederschlag über ein großes Gebiet nicht gleichmäßig ist, muss die durchschnittliche Niederschlagshöhe über dem Gebiet ermittelt werden.Flächenmittelwert des Niederschlags ist der durchschnittliche Niederschlag eines großen Gebiets (Becken, Ebene, Region usw.) für einen bestimmten Zeitraum (Jahr, Monat usw.).

Der mittlere Flächenniederschlag wird durch eine der folgenden Methoden bestimmt drei Methoden:

• Methode des arithmetischen Mittels (Durchschnitt).
• Die isohyetale Methode
• Thiessen-Polygon-Methode

Mittlere Niederschlagsmengen der Niederschlagsmessstationen für die gemeinsamer (gleicher) Zeitraum werden bei der Anwendung dieser Methoden verwendet, da die Länge des Beobachtungszeitraums für jede Station unterschiedlich sein kann.

Methode des arithmetischen Mittels (Durchschnitt).

Er wird durch einfache arithmetische Mittelung der Niederschlagsmengen an den einzelnen Niederschlagsmessstationen (Meteorologiestationen) im Einzugsgebiet ermittelt.

Pave = ∑ Pi / n (2.1)

Pave = durchschnittliche Niederschlagshöhe über dem Gebiet

∑ Pi = Summe der Niederschlagsmengen an einzelnen Niederschlagsmessstationen

n = Anzahl der Niederschlagsmessstationen im Gebiet

Dieser Die Methode ist schnell und einfach und bringt gute Erträge

Schätzungen im Flachland (Raghunath, 2006):

• wenn die Messgeräte gleichmäßig verteilt sind,
• und wenn der Niederschlag an verschiedenen Stationen nicht sehr stark vom Mittelwert abweicht.

Die isohyetale Methode

Bei dieser Methode; Die an Messstellen (Meteorologischen Stationen) gemessenen Niederschläge werden auf einer geeigneten Grundkarte aufgetragen und die Linien gleicher Niederschlagsmenge (Isohyeten) werden unter Berücksichtigung orographischer Effekte und Sturmmorphologie eingezeichnet.

Eine isohyetale Karte zeigt Linien mit gleichem Niederschlag, die auf die gleiche Weise gezeichnet werden wie eine topografische Höhenlinienkarte. Eine Isohyetenkarte hat ein Niederschlagsintervall zwischen Isohyeten – 10 mm, 25 mm, 50 mm usw.

Der durchschnittliche Niederschlag zwischen den aufeinanderfolgenden Isohyeten (P1, P2, P3,…) wird als Durchschnitt der beiden Isohyetenwerte genommen.

Diese Durchschnittswerte sind; gewichtet mit den Flächen zwischen den Isohyeten (a1, a2, a3, …), addiert und dividiert durch die Gesamtfläche des Beckens, was die durchschnittliche Niederschlagstiefe über das gesamte Becken ergibt.

Pave = ∑ * (Pi +Pi+1)/2 ] ai / A (2.2) ai = Fläche zwischen den beiden

aufeinanderfolgende Isohyeten Pi und Pi+1

A = Gesamtfläche des Beckens.

Thiessen-Polygon-Methode

Diese Methode versucht, eine ungleichmäßige Verteilung der Messgeräte zu ermöglichen, indem für jedes Messgerät ein Gewichtungsfaktor bereitgestellt wird (Raghunath, 2006).

Die Stationen sind auf einer Grundkarte eingezeichnet und durch gerade Linien verbunden.

Zu den geraden Linien werden senkrechte Winkelhalbierende gezeichnet, die benachbarte Stationen zu Polygonen verbinden.

Es wird angenommen, dass jeder Polygonbereich von der darin enthaltenen Niederschlagsmessstation beeinflusst wird.

P1, P2, P3, …. sind die Niederschläge an den einzelnen Stationen,

und a1, a2, a3, …. sind die Flächen der diese Stationen umgebenden Polygone (Einflussflächen).

Die durchschnittliche Niederschlagstiefe für das Becken wird durch angegeben

Pave = ∑ Pi ai / A (2.3) A = Gesamtfläche des Beckens.

Die erhaltenen Ergebnisse sind in der Regel genauer als diejenigen, die durch einfache arithmetische Mittelung erzielt werden.

Die Messgeräte (Stationen) sollten ordnungsgemäß über dem Einzugsgebiet platziert werden, um regelmäßig geformte Polygone zu erhalten.

Verdunstung und Transpiration

Der Prozess, durch den Wasser von der Erdoberfläche (Landoberfläche, freie Wasseroberflächen, Bodenwasser usw.) in die Atmosphäre gelangt, wird als bezeichnet Verdunstung. Beim Verdampfungsprozess wird der Verdampfungsoberfläche die latente Verdampfungswärme entzogen. Daher wird die Verdunstung als Abkühlungsprozess betrachtet. Verdunstung von der Landoberfläche, freies Wasser

Oberflächen, Bodenwasser usw. sind in hydrologischen und meteorologischen Studien von großer Bedeutung, da sie Folgendes beeinflussen (Usul, 2001):

• die Kapazität von Stauseen,
• der Ertrag von Flusseinzugsgebieten,
• die Größe der Pumpwerke,
• die verbrauchende Wassernutzung durch Pflanzen usw.

Schwitzen definiert den Wasserverlust von Pflanzen an die Atmosphäre durch die Poren an der Oberfläche ihrer Blätter. In den mit Vegetation bedeckten Gebieten ist es nahezu unmöglich, zwischen Verdunstung und Transpiration zu unterscheiden. Daher werden die beiden Prozesse in einen Topf geworfen und als bezeichnet Evapotranspiration.

Verdampfung

Die Verdunstungs- und Evapotranspirationsrate variiert abhängig von:

• meteorologische (atmosphärische) Faktoren, die die Region beeinflussen,
• und von der Beschaffenheit der Verdunstungsoberfläche.

Die Faktoren, die die Verdunstungsrate (und auch die Evapotranspiration) beeinflussen, sind:

1. Sonnenstrahlung
2. Relative Luftfeuchte
3. Lufttemperatur
4. Wind
5. Luftdruck
6. Temperatur des flüssigen Wassers
7. Salzgehalt
8. Aerodynamische Eigenschaften
9. Energieeigenschaften

Messung der Verdunstung

Die gebräuchlichste Methode zur Messung der Verdunstung ist die Verwendung eines Verdunstung Brot

Dabei handelt es sich um eine große Wasserfläche mit einem Wassertiefenmessgerät.

Mit diesem Gerät lässt sich aufzeichnen, wie viel Wasser über einen bestimmten Zeitraum durch Verdunstung verloren geht.

An einer Standard-Meteorologiestation wird die Verdunstung täglich als Änderung der Wassertiefe gemessen. Eine Verdunstungspfanne ist mit Wasser gefüllt, daher die Verdunstung im offenen Wasser gemessen wird. Eine Standard-Verdunstungspfanne, auch Verdunstungspfanne der Klasse A genannt, hat einen Durchmesser von 122 cm und eine Tiefe von 25.4 cm.

Um die Verdunstung aus größeren Gewässern (See, Stausee etc.) anhand der gemessenen Pfannenverdunstung abzuschätzen, werden empirische Koeffizienten (Pfannenkoeffizient) angewendet.

Die Werte des Pfannenkoeffizienten für Verdunstungspfannen der Klasse A liegen zwischen 0.60 und 0.80, und 0.70 wird als Jahresdurchschnitt verwendet.

Methoden zur Schätzung der Verdunstung

Die Schwierigkeiten bei der Messung der Verdunstung mit meteorologischen Instrumenten haben dazu geführt, dass große Anstrengungen unternommen werden, um die Verdunstung abzuschätzen.

Es gibt verschiedene Methoden zur Schätzung der Verdunstung:

1. Wasserhaushaltsmethode
2. Energiebudgetmethode
3. Emperische Gleichungen (Thornthwaite, Penman, Penman-Monteith usw.)

Wasserhaushaltsmethode

Ein einfacher Ansatz zur Bestimmung der Verdunstung besteht in der Aufrechterhaltung eines Wasserhaushalts.

Kontinuitätsgleichung kann in der folgenden Form geschrieben werden, um die Verdunstung (E) für einen bestimmten Zeitraum zu bestimmen:

E=(∆S+P+Qs) – (Qo+Qss)

∆S: Änderung der Speicherung, P: Niederschlag,

Qs: Oberflächenzufluss, Qo: Oberflächenabfluss,

Qss: Untergrundabfluss (Versickerung)

Energiebudgetmethode

Zur Bestimmung der Verdunstung aus einem See kann der Energiehaushalt herangezogen werden.

E=(Qn+Qv-Qo) / ρ.Le (1+R)

Qn: Vom Gewässer absorbierte Nettostrahlung, Qv: Advektierte Energie des Zu- und Abflusses,

Qo: İZunahme der im Wasserkörper gespeicherten Energie, ρ : Dichte des Wassers,

Le: Latente Verdampfungswärme,

R: Verhältnis von Wärmeverlust durch Wärmeleitung zu Wärmeverlust durch Verdunstung.

Emperische Gleichungen (Thornthwaite, Penman, Penman-Monteith usw.)

Emperische Gleichungen basieren auf gemessenen meteorologischen Variablen (Parametern).

Niederschlag, Sonneneinstrahlung, Windgeschwindigkeit und relative Luftfeuchtigkeit Werte werden zur Schätzung der Verdunstung durch diese Gleichungen verwendet.

Mithilfe dieser Gleichungen ist es möglich, die Verdunstung aus Seen für jährliche, monatliche oder tägliche Zeiträume gut abzuschätzen.

Schwitzen

Schwitzen durch eine Pflanze führt zur Verdunstung aus den Blättern durch kleine Löcher (Stomata) im Blatt.

Dies wird manchmal als trockene Blattverdunstung bezeichnet.

Botaniker haben verschiedene Methoden zur Messung der Transpiration entwickelt. Eine der am weitesten verbreiteten Methoden ist die Messung durch Phytometer (Raghunath, 2006).

Ein Phytometer besteht aus einem geschlossenen, wasserdichten Tank mit ausreichend Erde für das Pflanzenwachstum, wobei nur die Pflanze freiliegt.

Bis das Pflanzenwachstum abgeschlossen ist, wird künstlich Wasser zugeführt.

Die Ausrüstung wird zu Beginn gewogen (W1) und am Ende des Experiments (W2).

Wasser, das während des Wachstums angewendet wird (w) wird gemessen und das durch Transpiration verbrauchte Wasser (Wt) wird erhalten als

Wt = (W1 + w) - W2

Verdunstung

Verdunstung (Et) ist der Gesamtwasserverlust einer bewirtschafteten (oder bewässerten) Fläche durch Verdunstung aus dem Boden und Transpiration der Pflanzen.Mögliche Evapotranspiration (Ept) ist die Evapotranspiration der kurzen grünen Vegetation, wenn die Wurzeln unbegrenzt mit Wasser versorgt werden, das den Boden bedeckt. Sie wird normalerweise als Tiefe (cm, mm) über die Fläche ausgedrückt.

Das Folgende sind einige der Methoden zur Schätzung der Evapotranspiration (Raghunath, 2006):

• Tank- und Lysimeterexperimente
• Feldversuchsflächen
• Evapotranspirationsgleichungen, wie sie von Lowry-Johnson, Penman, Thornthwaite, Blaney-Criddle usw. entwickelt wurden.
• Methode des Verdunstungsindex.

Infiltration

Wasser, das an der Erdoberfläche in den Boden eindringt, wird als bezeichnet Infiltration. Es gleicht den Feuchtigkeitsmangel des Bodens aus und das überschüssige Wasser bewegt sich durch die Schwerkraft nach unten. Dieser Vorgang wird aufgerufen tiefe Versickerung or Versickerung, Füllt das Grundwasser wieder auf und erhöht den Grundwasserspiegel.

Die maximale Geschwindigkeit, mit der der Boden in einem bestimmten Zustand Wasser aufnehmen kann, wird als Wasseraufnahme bezeichnet Infiltrationskapazität.

Infiltration (f) beginnt oft mit einer hohen Geschwindigkeit (20 bis 25 cm/h) und nimmt dann auf eine ziemlich stabile Geschwindigkeit ab (fc), wenn der Regen anhält, das sogenannte „Ultimate“. fp (=1.25 bis 2.0 cm/h)

Die Infiltrationsrate (f) jederzeit t ist durch Hortons Gleichung gegeben

(Raghunath, 2006): f = fc + (fo – fc) e–kt

fo = Anfangsrate der Infiltrationskapazität

fc = endgültige konstante Infiltrationsrate bei Sättigung

k = eine Konstante, die hauptsächlich vom Boden und der Vegetation abhängt, e = Basis des Napier-Logarithmus

t = Zeit seit Beginn des Sturms

Die Infiltration hängt ab von:

• die Intensität und Dauer der Niederschläge,
• Wetter (Temperatur),
• Bodeneigenschaften,
• Pflanzenbedeckung,
• Bodennutzung,
• anfänglicher Bodenfeuchtigkeitsgehalt (Anfangsnässe),
• eingeschlossene Luft im Boden oder Gestein,
• und Tiefe des Grundwasserspiegels.

Bestimmung der Infiltration

Die Methoden zur Bestimmung der Infiltration sind:

• Infiltrometer
• Beobachtung in Gruben und Teichen
• Lysimeter
• Künstliche Regensimulatoren
• Hydrographenanalyse

REFERENZEN

• Professor Doktor. FİKRET KAÇAROĞLU, Vorlesungsskript, Muğla Sıtkı Koçman Universität
• Davie, T., 2008, Fundamentals of Hydrology (Zweite Ausgabe). Rutledge, 200 S.
• Raghunath, HM, 2006, Hydrologie (Zweite Ausgabe). New Age Int. Publ., Neu-Delhi, 463 S.
• Usul, N., Ingenieurhydrologie. METU Press, Ankara, 404 S.