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Die Verdunstung freier Wasserflächen – Grundlagen

Die Verdunstung freier Wasserflächen – Grundlagen

Methoden der

Methoden der Verdunstungsbestimmung 26 ___________________________________________________________________________ Aufgrund der Beweglichkeit der schwimmenden Verdunstungsgefäße ist ihr Wasserspiegel unruhiger als bei Geräten, die an Land betrieben werden. Im klassischen Aufbau wird die Messung der Wasserstände im Kessel mit Hilfe von Stech- bzw. Nadelpegeln vorgenommen. Die Feineinstellung erfolgt mit Hilfe von Mikrometerschrauben, deren Skalierung ähnlich wie bei Messschiebern ausgelegt ist. Durch konische Zuspitzung des Pegels ist der Moment der Berührung der Wasseroberfläche gut zu erkennen. Die Messung erfolgt in der Mitte der Kesselfläche in einer Röhre, die nur über eine oder mehrere kleine Öffnungen Kontakt mit dem Wasserkörper des Verdunstungskessels hat. Der Wasserstand im Messzylinder entspricht dem im Gerät, ohne dass Verfälschungen der abgelesenen Werte durch Oszillationen oder Rauhigkeiten des Wasserspiegels zu befürchten sind. Dessen Abstand zum Kesselrand lässt sich auf diese Weise im 1/10 mm - Bereich sicher bestimmen (vgl. z. B. BINDEMANN 1921, RICHTER 1965). Die Messung des Wasserstandes ist selbstverständlich auch mit anderen Methoden und technischen Hilfsmitteln realisierbar. Zum Teil finden Verdunstungsschreiber Anwendung. Manche Verdunstungskessel sind unterhalb des Randes mit einem Überlauf ausgestattet. Übersteigt der Wassergewinn durch Niederschläge den Verdunstungsverlust, tritt dieser bei Erreichen einer bestimmten Spiegelhöhe in Funktion. Das überschüssige Wasser wird in einem Messbecher aufgefangen und registriert. Das unkontrollierte Überlaufen des Kessels über den Rand und die damit verbundene Störung der Messung werden so vermieden. Die Höhe der Verdunstung zwischen zwei Beobachtungsterminen ergibt sich als Differenz aus Wasserstandsänderung und Niederschlag. Im Allgemeinen werden die Messungen zu 1 - 3 Terminen am Tag vorgenommen. Ein wesentlicher Nachteil der Floßverdunstungsmessungen gegenüber Berechnungen aus dem Wasser- und Wärmehaushalt besteht darin, dass nicht die Verdunstung des Sees, sondern lediglich an einem Punkt seiner Oberfläche ermittelt wird. Die Übertragbarkeit der gewonnenen Werte auf das gesamte Gewässer ist somit problematisch. Wünschenswerte Referenzmessungen an verschiedenen Punkten der Seefläche müssen in der Regel aus Kostengründen unterbleiben. Daher sollte ein möglichst repräsentativer Standort gewählt werden. Bei seiner Festlegung müssen die morphometrischen, thermischen und hydrodynamischen Verhältnisse des Gewässers, seine Windexposition, die vorherrschenden Windrichtungen und weitere lokale Gegebenheiten berücksichtigt werden. In einer Reihe von Untersuchungen befand sich das Floß in einiger Entfernung vor den Uferstützpunkten der ausführenden Institutionen. Ein nicht zu unterschätzender, Kompromisse fordernder Faktor der Standortwahl für Floßverdunstungsanlagen ist also auch deren Erreichbarkeit, insbesondere bei widrigen Witterungsverhältnissen. Der Nachteil einer Punktmessung der Verdunstung ist zwar vorhanden, letztlich besteht die Problematik aber, berücksichtigt man die räumliche und zeitliche Variabilität prozess- und zustandsbeschreibender Größen, generell bei meteorologischen Messungen. Da der im Kessel befindliche Wasserkörper gegenüber dem Gewässer isoliert ist, hat er einen relativ eigenständigen Wärmehaushalt. Dies wirkt sich auf die Höhe und das zeitliche Verhalten

Methoden der Verdunstungsbestimmung 27 ___________________________________________________________________________ der Evaporation aus. Sowohl die Erwärmung des Wassers im Kessel als auch dessen Abkühlung erfolgen schneller als im See. Im Tagesgang weisen die Temperaturen eine größere Amplitude auf. Die Erhöhung der Verdunstung durch Überhitzung des Wassers im Kessel an sonnenscheinreichen Tagen ist dabei bedeutender als ihre Verringerung durch stärkere Abkühlung in den Nacht- und Morgenstunden. Die aus den Messungen abgeleiteten Verdunstungshöhen liegen damit etwas zu hoch. Dieser systematische Fehler ist, wenn die Temperaturdifferenzen aufgezeichnet werden, mit Hilfe empirischer Beziehungen abschätzbar. Untersuchungen des Tagesganges der Evaporation müssen dementsprechend korrigiert bzw. unter Beachtung dieser Problematik interpretiert werden. Bei der Fertigung der Kessel finden Materialien Verwendung, die gute Wärmeleiteigenschaften aufweisen, insbesondere Kupfer- und Eisenbleche. Die Temperaturdifferenzen zwischen dem See und dem Kessel bleiben daher meist klein. Lediglich bei rascher Erwärmung und Abkühlung sind deutliche Unterschiede messbar. Die Verdunstungskessel werden bis dicht unter den Rand mit Wasser gefüllt, der innere Wasserspiegel entspricht in der Höhe etwa dem äußeren des untersuchten Gewässers. Das Überstehen des Randes wie auch die Lage des Kessels innerhalb der Floßkonstruktion führen zu einer Veränderung der Luftbewegung über der Wasserfläche des Messgerätes im Vergleich zur freien Seefläche. Im "Lee" des Randes treten kleinere Bereiche mit verringertem Luftaustausch sowie Verwirbelungen auf. Diese Randeffekte verlieren sich mit zunehmender Gerätegröße. Da man die Beeinflussung der Luftbewegung für alle Windrichtungen gleich groß halten möchte, werden runde Kessel eingesetzt. Der verdunstungsmindernde Randeffekt nimmt mit abnehmender Füllhöhe, also wachsendem Abstand zwischen Kesselrand und Wasserspiegel zu. Dieser Zusammenhang wurde von BINDEMANN (1921) mit Hilfe der Gleichung 4.2-1 beschrieben: (4.2-1) EP = E (ho / [ho + h]) p Darin sind EP die Geräteverdunstung, E die Verdunstung der freien Wasserfläche, h die Füllhöhe unter dem Rand sowie ho und p empirisch zu bestimmende, gerätespezifische Konstanten. Für einen bis zum Rand gefüllten Kessel (h = 0) entspricht die gemessene der unbeeinflussten Evaporation freier Wasserflächen. Mit größer werdendem Abstand zwischen dem Rand und dem Wasserspiegel (h > 0) nimmt die turbulente Luftbewegung und damit der Austausch wasserdampfgesättigter bzw. relativ feuchter gegen trockene Luft ab, die Verdunstungsgeschwindigkeit sinkt. Um den geschilderten Randeffekt klein zu halten, taucht man die Verdunstungskessel weit in das Gewässer hinein. Daraus resultiert die Gefahr der Messwertverfälschung durch das Hineinschwappen von Wasser in das Gerät. Der Floßkonstruktion kommt daher auch eine wellenbrechende Funktion zu. Zusätzlich werden oftmals mehrere Kessel auf einem Floß betrieben. Durch Vergleich der Einzelwerte können fehlerhafte Messergebnisse besser erkannt und verworfen werden. Kontinuierlich arbeitende

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