Inhalt

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1.  Einleitung  1

2.  Begriffsklärung  1

3.  Anwendungsbereiche der Evapotranspiration  4

4.  Bestimmung der Evapotranspiration  4

4.1  Direkte Messverfahren  5

4.1.1  Evaporimeter  6

4.1.2  Lysimeter  6

4.1.3  Turbulenz- Korrelations- Methode  8

4.2  Indirekte Messverfahren  9

4.2.1  Messung der Energiebilanz  9

4.2.2  Gradientmessungen in der bodennahen Luftschicht  11

4.3  Berechnungsverfahren zur Bestimmung der Evapotranspiration  12

4.3.1  Potentielle Evapotranspiration  12

4.3.1.1  Wasseroberfläche  12

4.3.1.1.1  Verfahren nach Dalton  13

4.3.1.1.2  Energiebilanzverfahren  15

4.3.1.1.3  Kombinationsverfahren  17

4.3.1.2  Landoberflächen  18

4.3.1.2.1  Haude  18

4.3.1.2.2  Thornthwaite  19

4.3.1.2.3  Penman  20

4.3.1.2.4  Weitere Berechnungsverfahren  21

4.3.2  Tatsächliche Evapotranspiration  22

4.3.2.1  Die Bowen- Ratio- Methode  22

4.3.2.2  Verfahren nach Renger und Wessolek  23

4.3.2.3  Verfahren nach Penman- Monteith  24

5.  Regionalisierung der Evapotranspiration  27

5.1  Verwendung von Geographischen Geoinformationssysteme (GIS)  27

5.2  Einsatz der Fernerkundung zur Bestimmung der Evapotranspiration  29

6.  Systemmodelle  32

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6.1 Das Wasserbilanzmodell AKWA 33

6.2 Das Evapotranspirationsmodell PROMET 34

6.3 Das Agrarmeteorologische Modell AMBETI 37

6.4 Datenvergleich verschiedener Modelle 39

7. Zusammenfassung und Ausblick 42

Abbildungs- und Tabellenverzeichnis Literatur

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1. Einleitung

Die vorliegende Hausarbeit im Bereich „Hydrologische Systemanalyse und Modellierung“ beschäftigt sich mit dem Themenschwerpunkt „Bestimmung der Evapotranspiration: Charakterisierung von Systemmodellen und ihre Bewertung anhand von vergleichender Datenauswertung“. In der Landschaftsökologie nimmt der Wasserhaushalt eine zentrale Stellung ein. Die Quantifizierung der einzelnen Teilkomponenten ist dabei immer noch schwierig. Ziel dieser Arbeit ist es einen Überblick über die wichtigsten Methoden zur Erfassung der Evapotranspiration zu geben. Um den Einstieg in die Thematik etwas zu erleichtern, erfolgt zu Beginn eine Beschreibung der grundlegenden thematischen Begriffe sowie eine kurze Erläuterung der verschiedenen Anwendungsbereiche hinsichtlich der Verdunstung. Anschließend werden die einzelnen Bestimmungsverfahren erklärt, bei denen in Berechnungs- und Messmethoden untergliedert wird. Einen weiteren Schwerpunkt stellt die Regionalisierung dar. Diese wird unter Einbezug Geographischer Informationssysteme sowie der Fernerkundung wiedergegeben. Daran schließt sich eine Beschreibung einiger Evapotranspirationsmodelle. Den Abschluss bildet ein Zukunftsausblick, der eine mögliche Entwicklung, hinsichtlich der Erfassung und Modellierung der Evapotranspiration, geben soll.

2. Begriffsklärung

Die Evapotranspiration ist ein physikalischer Vorgang. Das Wasser verändert bei Temperaturen, die unterhalb des Siedepunktes liegen, den Aggregatzustand. Es geht von flüssiger oder fester Form in den gasförmigen Zustand über. Die Verdunstung beschreibt somit die Fähigkeit der Atmosphäre Wasserdampf aufzunehmen (Dyck 1995). Der Vorgang der Evapotranspiration setzt sich aus den Komponenten der Evaporation sowie der Transpiration zusammen. Die Evaporation beschreibt die „Verdunstung der unbewachsenen Erdoberfläche (Bodenverdunstung, Schneeverdunstung, Eisverdunstung), des auf Pflanzenoberflächen zurückgehaltenen Niederschlags (Interzeptionsverdunstung) und von freien Wasserflächen (Seeverdunstung)“ (Deutscher Verband für Wasserwirtschaft und Kulturbau 1996, S. 1). Sie wird als unproduktive Verdunstung bezeichnet, weil keine aktiven biotischen Prozesse stattfinden (Baumgartner 1990). Unterschiedliche Einflussgrößen, wie z.B. die Windgeschwindigkeit, das Sättigungsdefizit der Atmosphäre, die zeitliche Verteilung

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des Niederschlags oder die verschiedenen Vegetationsparameter wirken sich auf die Evaporation aus (Dyck 1995). Die Transpiration ist produktiv aufgrund der photosynthetischen Aktivitäten der Pflanzen (Baumgartner 1990). Diese beschreibt die Verdunstung der Vegetation, durch die Abgabe, des Nährstoffe aus dem Boden in die Pflanze transportierenden Wassers, über Spaltöffnungen (Stomata) der Blattunterseite (Wilhelm 1993). Wie in Abbildung 1 zu erkennen, ist die Evapotranspiration demzufolge ein zusammengesetztes System aus verschiedenen Teilströmen.

Abb. 1: Teilströme der Evapotranspiration (aus: Baumgartner 1990, S. 333)

Bei der Evapotranspiration wird dampfförmiges Wasser in die umgebende Atmosphäre befördert, vorausgesetzt, diese besitzt ein Sättigungsdefizit an Wasserdampf. Die Verdunstungshöhe bestimmt, welcher Niederschlagsanteil für den Abfluss und somit für die weitere Wassernutzung übrig bleibt. Im mitteleuropäischen Klimabereich verdunstet mehr als die Hälfte des Niederschlags, d.h. es wird direkt wieder an die Atmosphäre abgegeben und gelangt somit nicht zum Abfluss. Die Evapotranspiration ist aus diesen Gründen ein wichtiger Bestandteil des Wasser- und des Wärmehaushaltes, da neben dem Wasserdampfübergang auch ein Übergang von Energie verbunden ist. Dies wird in den Abbildungen 2 und 3 dargestellt. In die Wasserhaushaltsgleichung geht die Verdunstung als eine Verlustgröße ein, und auch in der Energiebilanz ist sie, als latenter, d.h. versteckter Verdunstungswärmestrom, mit einem negativen Vorzeichen versehen. Der verdunstenden Oberfläche wird die Wärme entzogen. Eine Ausnahme bildet die Kondensation von Reif oder Tau, bei der der Verdunstungswärmestrom positiv ist. In diesem Fall wird die im Wasserdampf enthaltene Energie an die Atmosphäre und die benetzte Oberfläche abgegeben und somit eine Erwärmung erzeugt (Deutscher Verband für Wasserwirtschaft und Kulturbau 1996).

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Abb. 2: Schematische Darstellung der Wasserbilanzkomponenten (aus: Schöniger 2002, o.A.)

Abb. 3: Richtung der Energiebilanzgrößen an der Erdoberfläche (aus: Schöniger 2002, o.A.)

Die Evapotranspiration ist in potentielle und tatsächliche unterteilbar. „Die potentielle Verdunstung ist als das Wasservolumen definiert, das eine ganz oder teilweise mit Vegetation bedeckte, unter optimaler Wasser- und Nährstoffversorgung stehende Fläche bei ungehindertem Wassernachschub unter den gegebenen meteorologischen,

bodenphysikalischen und vegetationsspezifischen pflanzenbaulichen Randbedingungen pro Zeiteinheit maximal an die Atmosphäre abgibt“ (Baumgartner 1990, S. 334). Sie ist die mögliche Verdunstung unter optimalen Bedingungen hinsichtlich der Wasserversorgung und des Vegetationsbestandes. Als die tatsächliche Evapotranspiration wird die Verdunstung bei begrenzt verfügbarem Wasser sowie den vorherrschenden klimatischen Bedingungen bezeichnet. Das Kriterium für diese Einteilung- in potentiell und tatsächlich- ist also die Begrenzung der Wassernachlieferung (Wilhelm 1993). Voraussetzung für den Beginn der Evapotranspiration ist das Vorhandensein von Energie. Diese wird aus der Strahlung oder der Wärme gewonnen (Deutscher Verband für Wasserwirtschaft und Kulturbau 1996).

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3. Anwendungsbereiche der Evapotranspiration

Die Bestimmung der Evapotranspiration ist für viele Bereiche von großer Bedeutung, wenn auch in unterschiedlichem räumlichem und zeitlichem Auflösungsvermögen. Die Daten der Verdunstung werden in der Wasserwirtschaft für Bewässerungsanlagen, für den Bau von Speicherbecken und Kanälen, für die Berechnung der Grundwasserneubildung und des nutzbaren Wasserangebots benötigt. Des weiteren auch bei der Sanierung von eutrophierten Seen, bei Gletscherstudien, bei der Renaturierung von Feuchtbiotopen sowie der Trockenlegung von Nassgebieten. Weiterhin in der Meteorologie für die Erstellung von Klimamodellen, z.B. zur Abschätzung der Wirkung des Treibhauseffektes, sowie in den numerischen Modellen zur Wettervorhersage. Auch bei der Erfassung der Bodenversalzung spielt die Verdunstung eine wichtige Rolle. Von großem Interesse ist die Ermittlung der Evapotranspiration ebenfalls in der Agronomie und der Forstwirtschaft. Dort vor allem für die Erstellung von Wachstums- sowie Ertragsmodellen. Auch das Verkehrswesen und die Bauwirtschaft benötigen derartige Werte für Bodenwasserhaushaltsberechnungen, z.B. für die Befahrbarkeit von Wegen und Strassen und für den Bau von Erddämmen. Auch bei wissenschaftlichen Untersuchungen, wie z.B. bei Studien über Pflanzenphysiologie oder Nährstoffbilanzen ist die Verdunstung ein wichtiger Faktor (Deutscher Verband für Wasserwirtschaft und Kulturbau 1996). Die Berechnung der Evapotranspiration stellt somit eine wesentliche Aufgabe dar. Auf diese wird im weiteren Verlauf der Hausarbeit eingegangen. Beginnend bei grundlegenden einfachen Meßmethoden für größtenteils punktuelle Standorte bis zur Regionalisierung, bei der Geographische Informationssysteme und Fernerkundungstechniken zum Einsatz kommen.

4. Bestimmung der Evapotranspiration

Die Ermittlung der Evapotranspiration ist ein sehr aufwendiger Prozess, da die verschiedenen Umweltmedien (Boden, Vegetation, Atmosphäre) über die Verdunstung gekoppelt sind. Sie wird aus unterschiedlichen Bezugsgrößen ermittelt, weil sie sich einer unmittelbaren Bestimmung entzieht. In einem komplexen System, welches aus dem Boden, der Vegetation und der Atmosphäre besteht, ist die Evapotranspiration von allen Teilgliedern abhängig. Aus diesem Grund muss ihre Ermittlung, bezüglich einer getrennten Anwendung in hydrologischer, bodenphysikalischer, pflanzenphysiologischer, mikrometeorologischer und

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klimatologischer Verfahren, kritisch betrachtet werden, da nur eine zusammenhängende Untersuchung aller Teilbereiche eine zufriedenstellende Erfassung der Evapotranspiration erkennen lässt (Deutscher Verband für Wasserwirtschaft und Kulturbau 1996). Die Verdunstung ist ein zeitlich und räumlich sehr variabler Prozess. Ihre flächenhafte Darstellung ist ein großes Problem. Die meteorologischen Werte, die für einen Standort vorliegen, können zeitlich und räumlich nicht interpoliert werden, da der Prozess der Verdunstung nicht linear von Pflanzen-, Boden- sowie Atmosphärenparametern abhängt. Deswegen müssen die Daten flächenhaft zur Verfügung stehen. Die Fernerkundung ermöglicht solche Aufnahmen (Schädlich 1998). Eine genauere Beschreibung dieser Methodik erfolgt in Abschnitt 5.2.

Im folgenden wird eine Übersicht über unterschiedliche Verfahren zur Bestimmung der Verdunstung gegeben. Hierbei werden auch ältere, sehr einfache Methoden erwähnt, da diese die Grundlage in komplexen Evapotranspirationsmodellen bilden. Unter methodischen Aspekten werden diese in direkte und indirekte Messverfahren sowie Berechnungsansätze unterteilt. Zur Datengewinnung stehen gegenwärtig des weiteren Geographische Informationssysteme und die Fernerkundung zur Verfügung (Deutscher Verband für Wasserwirtschaft und Kulturbau 1996).

4.1 Direkte Messverfahren

Alle Messverfahren, die dieser Kategorie zugeordnet werden, liefern lediglich relative Werte. Keines gibt die wirkliche Gebietsverdunstung wieder. Grundlage dieser Methoden ist die Wasserhaushaltsgleichung. Über direkte Messungen der einzelnen Teilglieder wird die Verdunstung als Restgröße errechnet. Vorraussetzung ist, dass diese hinreichend genau erfasst werden. Geräte zur direkten Bestimmung der Verdunstung sind die Lysimeter und die Evaporimeter. Des weitern existiert die Turbulenz- Korrelations- Methode, die ebenfalls den Messverfahren zugeordnet wird (Deutscher Verband für Wasserwirtschaft und Kulturbau 1996).

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4.1.1 Evaporimeter

Die Evaporimeter liefern keine genauen Werte für die potentielle oder die tatsächliche Verdunstung. Aus diesem Grund müssen, für die vorherrschenden Bedingungen, hinsichtlich des Standortes sowie des Klimas, zusätzliche Korrekturmaßnahmen durchgeführt werden. Mit Evaporimetern werden z.B. Daten zur Steuerung von Bewässerungsanlagen oder zur Verdunstung von Talsperren gewonnen. Verdunstungsgefäße sind dabei offene, mit Wasser gefüllte Behälter. Durch verschiedene Methoden der Messung, wie der Veränderung der Wasserspiegelhöhe im Gefäß, des Gewichtsverlustes oder der notwendigen Nachfüllmenge bis zum Ausgangswasserstand, wird die Verdunstung aufgrund des Wasserverlustes bestimmt. Unterschiedliche Aufstellungsarten und -orte, wie im Boden eingebettet, frei auf der Geländeoberfläche stehend, auf einem Floß, möglichst weit vom Ufer entfernt, montiert oder in einer Wetterhütte stehend, ermöglichen die Bestimmung von Verdunstungswerten von freien Wasser- und Landoberflächen. So gewonnene Daten dienen z.B. als Richtwerte für die Verdunstung geplanter Staubecken oder für empirische Berechnungsansätze der Seeverdunstung abhängig jeweils von ausgewählten Klimaelementen (Deutscher Verband für Wasserwirtschaft und Kulturbau 1996). Atmometer, die regelmäßige Beobachtungswerte durch meist tägliche Ablesung liefern, sowie Atmographen, die eine kontinuierliche Registrierung der Werte vorweisen, simulieren anhand von Fließ- bzw. Filterpapier sowie porösen keramischen Körpern die Boden- oder Pflanzenoberfläche an der die Verdunstung stattfindet. Zu derartigen Geräten zählen z.B. das Piche- Atmometer, der Wasserbilanzschreiber nach Klausing und der Evaporigraph nach Czeratzki und von Hoyningen- Huene (Deutscher Verband für Wasserwirtschaft und Kulturbau 1996).

4.1.2 Lysimeter

Ein Lysimeter ist ein Gerät zur Bestimmung des Bodenwasserhaushaltes, bei dem die Komponenten Niederschlag, Versickerung, Speicherung und Verdunstung bestimmt werden. Voraussetzung ist dabei, dass die Bodenart und die Vegetationsverhältnisse bekannt sind. Das Lysimeter ist ein abgegrenztes System bestehend aus wasserundurchlässigen Seiten- und Bodenbegrenzungen sowie einem eingefüllten Bodenkörper im Inneren des Gerätes (Abb. 4). Das Sickerwasser wird am Boden des Behälters abgelassen und gemessen. Bei gleichzeitiger Niederschlagsmessung kann dann eine Wasserbilanz des eingebauten Bodenkörpers ermittelt

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