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Die Verdunstung freier Wasserflächen – Grundlagen

Die Verdunstung freier Wasserflächen – Grundlagen

Sonderfälle 96

Sonderfälle 96 _________________________________________________________________________ Der größere Teil der zusätzlich eingetragenen Energie geht dem Gewässer durch die Steigerung der Verdunstung verloren. Deren Veränderung und absolute Werte können durch empirische Gleichungen des Massentransportansatzes (4.6-1) ermittelt werden. Zur Bestimmung des Sättigungsdampfdruckes ist dann die erhöhte Wasseroberflächentemperatur heranzuziehen. Probleme kann hier, insbesondere bei großen Seen mit unregelmäßiger Beckengestalt, die repräsentative Bestimmung und Mittelung der räumlich stärker variierenden Wasseroberflächentemperaturen bereiten. Intensive Untersuchungen der Beeinflussung des Wärmehaushaltes und der Verdunstung von der freien Wasserfläche durch Abwärmeeintrag wurden von HARBECK (1960) am Colorado-City- Stausee in Texas durchgeführt. Der See wurde Ende der 40er Jahre gleichzeitig mit einem Kraftwerk als Kühlwasserreservoir und -fläche angelegt. Für den Zeitraum vom 21.07.1954 bis zum 19.07.1955 wurde die Wärmebilanz durch einen Eintrag von 59 cal cm -2 d -1 vergrößert. Daraus resultierte eine Erhöhung der Verdunstungswärme um 34 cal cm -2 d -1 , des fühlbaren Wärmestromes um 15 cal cm -2 d -1 , der Energieabgabe durch Advektion des verdunstenden Wassers um 2 cal cm -2 d -1 und der effektiven Ausstrahlung um 8 cal cm -2 d -1 . Damit gingen 58 % der Energie in die erhöhte Verdunstung zuzüglich 3 % der advektiv mit dem verdunstenden Wasser hinweggeführten Wärme, 25 % wurden durch direkten Kontakt an die überlagernde Luft abgegeben und 14 % durch die erhöhte Ausstrahlung abgeführt. Ähnliche Resultate erzielten RICHTER ET AL. (1979) bei der Untersuchung der thermischen Belastung des Stechlin- und des Nehmitzsees in Nordbrandenburg durch Einbindung in den Kühlwasserkreislauf des Kernkraftwerkes Rheinsberg. Beim Stechlinsee wurden 57 % der eingetragenen Energie durch den latenten und 31 % durch den fühlbaren Wärmestrom sowie 12 % durch die erhöhte langwellige Ausstrahlung der Gewässeroberfläche abgebaut. Die durch den Wärmeeintrag verursachten Veränderungen im See wurden beschrieben. RITTER (1980) weist darauf hin, dass die an Seen gewonnenen Ansätze der Ermittlung der Verdunstung freier Wasserflächen für Fließgewässer nur bedingt übertragbar sind. Ihre Anwendung zur Berechnung der Abkühlung erwärmten Flusswassers, wie sie in verschiedenen Wärmelastrechnungen durchgeführt wurde, sollte daher unterbleiben. Insbesondere bei geringen Windgeschwindigkeiten und hohen Wassertemperaturen tritt eine erheblich höhere Verdunstung auf. Die Folge ist eine schnellere Abkühlung der thermisch belasteten Gewässer. Die Unterschiede sind aus dem Turbulenzverhalten der Flüsse erklärbar.

Sonderfälle 97 _________________________________________________________________________ 6.5 Der Einfluss von Oberflächenwellen und Gischt Wasserseitig kann sich an der Grenzfläche Wasser-Luft eine vergleichbare Schichtenanordnung wie im überstehenden Luftkörper aufbauen (ROEDEL 1994). An der Phasengrenze kommt es zur Ausbildung einer laminar-viskosen Grenzschicht, die von einer besser durchmischten turbulenten Wasserschicht unterlagert wird. Oberhalb einer Schubspannungsgeschwindigkeit von etwa 10 cm / s setzt Wellenbewegung ein, der genannte Schichtenaufbau wird zerstört. Die skizzierten Verhältnisse sind für den Austausch gelöster gasförmiger Beimengungen des Wassers mit der Luft von großer Bedeutung, für die Wasserdampfabgabe aber weniger relevant, da für diese der Transferwiderstand ganz auf der Luftseite liegt (ROEDEL 1994). Die Steigerung der Verdunstung bei höheren Windgeschwindigkeiten ist somit vor allem eine Folge der turblenzbedingten Verringerung des luftseitigen Widerstandes. Ein wechselseitiger Austausch der Luftströmung mit der windinduzierten Wellenbewegung führt zu einer Erhöhung der Scherungsturbulenz des Windes, daher zu einem verstärkten Wasserdampftransport und zur Erhöhung der Verdunstung (SIEMS 1980). Weiterhin ist eine Steigerung der Verdunstung durch Vergrößerung der Wasseroberfläche als Folge der Wellenbewegung möglich. Diese ist allerdings bei kleineren Wellen nur geringfügig. Bei mechanisch erzeugten Wellen, hier ist der Einfluss der Luftturbulenz weniger ausschlaggebend, wurde auch eine Verringerung der Verdunstungsrate festgestellt, die wahrscheinlich auf der Separation der Luftströmung bzw. der Luftkörper im Lee der Wellenkämme beruht. Hier kann sich kurzzeitig Wasserdampf in der Luft ansammeln, der Konzentrationsgradient wird verringert (SIEMS 1980). Ab einer Windgeschwindigkeit von etwa 10 m / s beginnen die Wellen zu brechen. Es kommt dabei verstärkt zur Gischtbildung und zum Eintrag von Luftblasen in den Wasserkörper. Letzteres ist wiederum für den Austausch gelöster Gase von Bedeutung. Die Gischtbildung vergrößert dagegen die verdunstende Oberfläche bzw. erzeugt einen unscharfen Übergangsbereich zwischen dem Wasser und der Atmosphäre. Viele Tropfen fallen schnell wieder zurück auf die Wasseroberfläche, einige, insbesondere die kleineren, können aber auch in der Schwebe gehalten werden und teilweise oder ganz verdunsten. Die Verdunstungswärme wird in diesem Fall nicht dem Wasserkörper, sondern dem fühlbaren Wärmestrom der Luft entzogen. Soweit die Verdunstung der Tropfen über Salzwasser, also über Salzseen oder im marinen Bereich, geschieht, bleiben Salzpartikel zurück. Diese können durch Turbulenz in größere Höhen gelangen und dort als Kondensationskerne Bedeutung für die Wolkenbildung erlangen (ANDREAS ET AL. 1995, CHENG et al., 1988). Die Verdunstung kann durch Gischt- bzw. Spraybildung bedeutend erhöht werden. Dabei tragen vor allem Tropfen mit einem Durchmesser von etwa 30 - 80 µm zur Erhöhung des Wasserdampfflusses bei (ANDREAS ET AL. 1995). Die Abbildungen 6-5 und 6-6 zeigen schematisierte Profile des Verdunstungswärmestromes und des Stromes fühlbarer Wärme über einer Wasseroberfläche sowohl für die Verhältnisse mit, als auch ohne Sprayverdunstung. Bei

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