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Die Verdunstung freier Wasserflächen – Grundlagen

Die Verdunstung freier Wasserflächen – Grundlagen

Ermittlung ausgewählter

Ermittlung ausgewählter Eingangsgrößen 66 _________________________________________________________________________ 5 Messung und Berechnung ausgewählter Eingangsgrößen 5.1 Wasseroberflächentemperatur Die Ermittlung der Wasseroberflächentemperatur bildet vor allem eine Grundlage der empirischen Berechnung der Verdunstungshöhen. Diese kann direkt, mit einem Thermometer oder aber über die langwellige Ausstrahlung der Seefläche bestimmt werden. Fehlen Messungen im Gewässer, werden mittlere Werte der Wasseroberflächentemperatur auch unter Berücksichtigung meteorologischer Daten und der Gewässereigenschaften abgeschätzt. Die Grundlage bilden regressionsanalytisch geeichte Gleichungen bzw. Gleichungssysteme. Bei der Temperaturmessung ist zu beachten, dass die Erwärmung der Oberflächen stehender Gewässer räumlich und zeitlich variabel ist. Der turbulente Wärmeaustausch, windinduzierte Bewegungen des Wasserkörpers, die Beschattung von Teilen der Oberfläche, Unterschiede in der Lichtabsorption in Abhängigkeit von der Trübung des Wassers und anderen Faktoren, wie der Gewässertiefe, können zur räumlichen Differenzierung der thermischen Verhältnisse beitragen. Tiefere Gewässerareale weisen im Vergleich zu flachen Bereichen sowohl im Tagesverlauf, als auch im Jahresgang zumeist geringere Temperaturschwankungen auf. Daher sollte möglichst in Nähe des Mittelpunktes der Seefläche oder besser an mehreren repräsentativen Stellen gemessen werden. Aufgrund der Wellenbewegung des Wasserkörpers ist es schwierig, stationäre Temperaturmessungen in der oberflächennahen Wasserlamelle durchzuführen, da sich die Thermometer abwechselnd in der Luft und im Wasser befinden. Deshalb werden die Bestimmungen aus methodischen Gründen oftmals in einer Tiefe von 10 - 50 cm durchgeführt. Im Tagesgang bestehen natürlich Unterschiede zur Wasseroberflächentemperatur, die nach Zusammenfassung zu Mittelwerten aber an Bedeutung verlieren. RICHTER (1977) wies darauf hin, dass die Variabilität der Wassertemperaturen im Tagesverlauf gegenüber den Lufttemperaturen wesentlich geringer ausgeprägt ist. Daher können repräsentative Tageswerte auch auf Grundlage ein- oder zweiterminiger Messungen ermittelt werden. Voraussetzung ist, dass die Zeitpunkte der Bestimmungen entsprechend gewählt werden. Für den Stechlinsee lagen die Schnittpunkte der Temperaturkurve und der Mittelwertslinie etwa bei 11°° und 22°° Uhr. Einterminige Messungen sollten daher zu diesen Zeiten, vorzugsweise um 11°° Uhr vorgenommen werden. Die Überprüfung ergab eine gute Übereinstimmung der so gewonnenen Werte mit den mehrterminig ermittelten Tagesmitteln. Zweiterminige Messungen wurden für 7°° und 14°° Uhr empfohlen. Liegen Beobachtungen einer nahegelegenen meteorologischen Station vor, deren Daten auch für das Gewässer Repräsentativität besitzen, kann eine empirische Berechnung der Wasseroberflächentemperatur auf Grundlage von Messungen der Lufttemperatur vorgenommen werden. Die hydrographischen Verhältnisse des Gewässers sind dabei zu berücksichtigten.

Ermittlung ausgewählter Eingangsgrößen 67 _________________________________________________________________________ Hierbei wird mit unter anderem mit multiplen Gleichungen der Form: (5.1-1) tWO = c1 * tL + c2 * (∆tL) + c3 gearbeitet (FERGUSON & ZNAMENSKY 1981a). In die Berechnung gehen mit tL die mittlere Lufttemperatur und mit ∆tL die Änderung der Lufttemperatur gegenüber dem vorhergehenden Zeitraum ein. Die regressionsanalytisch ermittelten Konstanten c1, c2 und c3 spiegeln vor allem die spezifischen Eigenschaften des jeweils untersuchten Gewässers wieder. Gleichungen dieser Form eignen sich insbesondere für die Berechnung von Wochen- oder Dekadenmitteln der Wasseroberflächentemperatur. Für längere Zeiträume ist es günstiger, mit einer rückwirkend übergreifenden Mittelung der Lufttemperaturen zu arbeiten. Diesen Ansatz verfolgte RICHTER (1977) in der Berechnung von Monatsmitteln der oberflächennahen Wassertemperatur (tWO ) mit folgenden Gleichungen: (5.1-2) sowie tWO = 1,07 * terw + 1,34 für die Sommermonate (5.1-3) tWO = 0,97 * terw + 0,91 für die Wintermonate. Das erweiterte Mittel der Lufttemperatur (terw) ergibt sich dabei aus dem Mittelwert der Lufttemperatur des Monats, für den die Berechnung erfolgt, und der mittleren Temperatur des Erweiterungszeitraumes (tm) am Ende des Vormonats. Da die Entwicklung des Wärmeinhaltes des Wasserkörpers bei gegebenen Lufttemperaturen im Wesentlichen eine Funktion seiner Mächtigkeit ist, wird die Länge des Erweiterungszeitraumes unter Berücksichtigung der mittleren Tiefe (z) des Sees gewählt: (5.1-4) tm = 10 * √z - 15. Das Gleichungssystem von RICHTER (1977) ist für nordostdeutsche Seen mit einer mittleren Tiefe von 2,3 m bis 25 m gültig. Der methodische Ansatz dürfte bei entsprechender Neueichung auf Gewässer anderer Regionen anwendbar sein.

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