Basisinformation zur quantitativen Hydrologie

Die quantitative Hydrologie ist der Zweig der Gewässerkunde, der die Prozesse der Abflussbildung in den Einzugsgebieten, der Abflusskonzentration im Gewässernetz sowie die resultierende Dynamik von Wasserstand und Durchfluss in den Gewässern als Teilbereiche des Wasserkreislaufes betrachtet. Alle Betrachtungen schließen Veränderungen durch menschliche Aktivitäten und Auswirkungen auf den Menschen mit ein.

Wasserstand

Der Wasserstand in einem Fließgewässer wird an besonders markanten Punkten (Pegeln) beobachtet. In Abhängigkeit vom Querprofil des Gewässers, der Strömungsgeschwindigkeit und den hydraulischen Bedingungen oberhalb und unterhalb des Pegels kann der Wasserstand je nach vorherrschender Abflussdynamik zwischen den Extremen Niedrigwasserstand und Hochwasserstand variieren.

Abfluss / Durchfluss

Der Abfluss aus einem Einzugsgebiet ist das Ergebnis der räumlichen und zeitlichen Transformation des Niederschlags durch die Hydrosphäre (Atmosphäre, Biosphäre, Pedosphäre und Lithosphäre [Luft-, Pflanzen-, Boden- und Gesteinsschicht]) des Gebietes.
Während der gesamte Volumenfluss, der das Einzugsgebiet pro Zeiteinheit ober- oder unterirdisch verlässt, als Abfluss bezeichnet wird, ist der Durchfluss der Volumenfluss durch einen Oberflächengewässerquerschnitt pro Zeiteinheit.

Hydrometrische Messungen an Pegeln

Pegellatte
Abb. 1: Pegellatte zur Ablesung des Wasserstands (Foto: D. Schwandt, BfG)

Die Messung von Wasserständen erfolgt mithilfe von Pegeln, die stets mit einer Pegellatte (Lattenpegel) und je nach überregionaler Bedeutung zusätzlich mit Registriereinrichtungen zur kontinuierlichen Wasserstandsmessung ausgerüstet sind (Schreibpegel: z.B. Schwimmerprinzip, Druckluftprinzip, Ultraschallmessung). Lattenpegel können als lotrechte Pegellatten, als Staffelpegel (Abfolge von lotrechten Pegellatten), als schräg entlang der Uferböschung installierte Pegellatten (Schrägpegel) oder als Treppenpegel (stufig gestaltete Pegellattenskala entlang einer Ufertreppe) ausgebildet sein. Der Pegelnullpunkt kann oberhalb der Flusssohle liegen, so dass Pegelstand und Wassertiefe sich nicht entsprechen und beim Pegelstand 0 cm noch Wasser im Fluss vorhanden ist.
Die Messung des Durchflusses erfolgt bei Flüssen indirekt über die Bestimmung der mittleren Fließgeschwindigkeit, die mit der Flussquerschnittsfläche multipliziert wird. Diese Messungen (z.B. mit Messflügeln, stationären Ultraschallgeräten, ADCP-Sonden) werden in größeren Zeitabständen bei unterschiedlichen Wasserständen durchgeführt. Aus den Messungen von Durchfluss und korrespondierendem Wasserstand wird eine Durchflusskurve erstellt, die für jeden gemessenen Wasserstand einen zugehörigen Durchflusswert angibt. Nach bedeutenden Änderungen geometrischer oder hydraulischer Parameter der Durchflussmessstelle, wie nach Baumaßnahmen im Gewässerbett oder dem Ablauf größerer Hochwasserereignisse, muss eine neue Wasserstands - Durchflussbeziehung aufgestellt werden.

Gewässerkundliche Hauptwerte

Der Wasserstand wird mit dem Symbol W gekennzeichnet, der Durchfluss mit dem Symbol Q. Folgende Hauptwerte werden aus den entsprechenden langjährigen Datenreihen an den Pegeln berechnet:

  • HHW / HHQ - Höchster bekannter Wert
  • HW / HQ - Höchster Wert gleichartiger Zeitabschnitte einer Zeitspanne
  • MHW / MHQ - Mittelwert der höchsten Werte gleichartiger Zeitabschnitte einer Zeitspanne
  • MW / MQ - Mittelwert gleichartiger Zeitabschnitte einer Zeitspanne
  • MNW / MNQ - Mittelwert der niedrigsten Werte gleichartiger Zeitabschnitte einer Zeitspanne
  • NW / NQ - Niedrigster Wert gleichartiger Zeitabschnitte einer Zeitspanne
  • NNW / NNQ - Niedrigster bekannter Wert
  • NMxW / NMxQ - Niedrigstes arithmetisches Mittel von x aufeinanderfolgenden Tageswerten in Niedrigwasserzeitabschnitten
  • HQT - Ingenieurtechnisch ermittelter wahrscheinlich erreichter Hochwasserscheiteldurchfluss (HQ) innerhalb der Zeitspanne T (z.B. HQ100 = 1500 m³/s: statistisch tritt innerhalb von 100 Jahren wahrscheinlich ein Hochwasserdurchfluss von 1500 m³/s auf)

Hydrologisches Jahr

Ein hydrologisches Jahr, das auch als Abflussjahr bezeichnet wird, umfasst den Zeitraum vom 01. November des Vorjahres bis zum 31. Oktober. Diese Abgrenzung wurde festgelegt, um auch die in Schnee und Eis gebundenen Niederschläge zu erfassen, die erst im folgenden Kalenderjahr abfließen.

Hochwasser

Hochwasser Spielplatz Rheinau, Koblenz
Abb. 2: Spielplatz Rheinau, Koblenz, März 2006 (Foto: D. Schwandt, BfG)

Hochwasserereignisse können durch Stark- bzw. Dauerregen, Schneeschmelze, Eisgang, technisches Versagen von wasserbaulichen Einrichtungen oder Kombinationen davon ausgelöst werden. Ob es im konkreten Fall zu einem Hochwasser kommt, ist jedoch maßgeblich abhängig vom aktuellen Zustand im Einzugsgebiet (Bodenfeuchte), den Gegebenheiten im Flusssystem (Wasserführung, Wellenüberlagerung) sowie der raum-zeitlichen Dynamik des Niederschlags bzw. der Temperatur (bei Schneeschmelze und Eisgang).

Hochwassermarken

Hochwassermarken am Josefstor, Rhens
Abb. 3: Hochwassermarken am Josefstor, Rhens (am Rhein) (Foto: D. Schwandt, BfG)

Die höchsten Wasserstände historischer Hochwasserereignisse wurden in vielen Städten an markanten Punkten (Brücken, Pegelhäuser, Stadtmauertürme ...) 'verewigt'.
Hochwassermarken können einen Rückschluss auf die Ausdehnung vergangener Hochwasserereignisse geben und -mit Restriktionen- zu heutigen Pegelständen in Beziehung gesetzt werden, um beispielsweise Durchflussmengen historischer Hochwasser zu schätzen.

Extreme Niedrigwasserstände wurden an sogenannten "Hungersteinen" - großen Steinen im Flussbett, markiert.

Niedrigwasser

Niedrigwasser Domfelsen Magdeburg
Abb. 4: Elbe-Niedrigwasser, Magdeburger Domfelsen am 27.07.2015 (Foto: I. Carls, BUE)

Abhängig von den Vorbedingungen (feucht / trocken) bewirken ausbleibende Niederschläge einen langsamen oder schnellen Rückgang der Wasserstände und Durchflussmengen. Sofern Schneerücklagen, Gletscher oder große Grundwasserspeicher bzw. Seen im Flusseinzugsgebiet vorhanden sind, kann sich der Rückgang verzögern bzw. durch Schnee- oder Gletscherschmelze zeitweise kompensiert werden. Hohe Lufttemperaturen und Wind erhöhen die mögliche (potentielle) Verdunstung, geringe Wasserverfügbarkeit / Bodenfeuchte lassen die tatsächliche (aktuelle) Verdunstung niedriger ausfallen.
Extreme Niedrigwasserbedingungen (häufig in Verbindung mit hohen Temperaturen) beeinträchtigen die Schifffahrt, die Entnahme von Kühlwasser für Kraftwerke, die Wasserentnahme für landwirtschaftliche Bewässerung und haben ökologische Folgen (z.B. Fischsterben).

Deutsches Gewässerkundliches Jahrbuch

Im Deutschen Gewässerkundlichen Jahrbuch (DGJ) werden jährlich Wasserstands- und Duchflussdaten an bedeutsamen Pegeln oberirdischer Fließgewässer in Tabellenform (z.T. als Grafiken) veröffentlicht. Weiterhin sind ein hydrographisches Verzeichnis der Messstellen (Pegel), gewässerkundliche Gebietsbeschreibungen und eine Charakterisierung der Witterungsverhältnisse des maßgeblichen Jahres enthalten. Das DGJ bzw. vergleichbare Schriftenreihen existieren fortlaufend seit Ende des 19. Jahrhunderts. Die älteren Jahrbücher hatten unterschiedlichen territorialen Bezug (z.B. Jahrbuch für die Gewässerkunde Norddeutschlands, Württembergisches Jahrbuch für Gewässerkunde, Jahrbuch der Bayerischen Landesstelle für Gewässerkunde...). Mit dem "Jahrbuch für die Gewässerkunde des Deutschen Reichs", das erstmalig im Jahr 1940 für das Abflussjahr 1937 herausgegeben wurde, erfolgte eine zentrale Zusammenführung der gewässerkundlichen Daten. Jahrbücher für das Gebiet des Deutschen Reiches erschienen in vier Jahrgängen. Der letzte Band für das Abflussjahr 1940 wurde nachträglich im Jahr 1950 von der Bundesanstalt für Gewässerkunde (BfG) herausgegeben. Als nachfolgende Schriftenreihe erschien in Ostdeutschland das "Gewässerkundliche Jahrbuch der Deutschen Demokratischen Republik". In der Bundesrepublik Deutschland wurde das "Deutsche Gewässerkundliche Jahrbuch" flussgebietsbezogen in mehreren Teilbänden von unterschiedlichen Landesbehörden herausgegeben, wie es auch heute der Fall ist.

Seit 1990 ist das DGJ in 10 Teilbände gegliedert:

  • Donaugebiet
  • Rheingebiet, Teil I, Hoch- und Oberrhein
  • Rheingebiet, Teil II, Main
  • Rheingebiet, Teil III, Mittel- und Niederrhein mit deutschem Issel- und Maasgebiet
  • Weser- und Emsgebiet
  • Elbegebiet, Teil I, Grenze CZ bis Havelmündung
  • Elbegebiet, Teil II, Havel mit deutschem Odergebiet
  • Elbegebiet, Teil III, Untere Elbe ab Havelmündung
  • Küstengebiet der Nordsee
  • Küstengebiet der Ostsee

Einige Jahrbücher werden von Länderbehörden als PDF-Dateien im Internet veröffentlicht, z.B. Elbegebiet, Teil I ; Elbegebiet, Teil II ; Weser- und Emsgebiet ; Rheingebiet, Teil I ; Rheingebiet, Teil II ; Donaugebiet. Jahrbücher / Jahrbuchseiten sind auch über das Pegelportal - DGJ abrufbar.

Überblicks- und Fachliteratur, Glossar

  • Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit / Umweltbundesamt (Hrsg.) (2014): Wasserwirtschaft in Deutschland - Teil 1: Grundlagen
  • Bronstert, A. et al. (2016): Hochwasser und Sturzfluten an Flüssen in Deutschland. In: Brasseur, G., Jacob, D. & Schuck-Zöller, S. (Hrsg.) (2017): Klimawandel in Deutschland - Entwicklung, Folgen, Risiken und Perspektiven. Springer Spektrum, Heidelberg.
  • Dyck, S. & Peschke, G. (1995): Grundlagen der Hydrologie. Verlag für das Bauwesen, Berlin.
  • Fohrer, N. (Hrsg.), Bormann, H., Miegel, K., Casper, M., Bronstert, A., Schumann, A. & Weiler, M. (2016): Hydrologie. UTB Band-Nr. 4513, Stuttgart.
  • Lecher, K., Lühr, H.-P. & Zanke, U. (Hrsg.) (2015): Taschenbuch der Wasserwirtschaft: Grundlagen - Maßnahmen - Planungen. 9. Aufl., Springer Vieweg, Wiesbaden.
  • Liebscher, H-J. (Hrsg.) & Baumgartner, A. (1999): Allgemeine Hydrologie - Quantitative Hydrologie (Lehrbuch der Hydrologie, Band 1). Borntraeger, Berlin.
  • Mendel, H.G. (2000): Elemente des Wasserkreislaufs: eine kommentierte Bibliographie zur Abflußbildung. (Hrsg. von der Bundesanstalt für Gewässerkunde). Analytica, Berlin.
  • Maniak, U. (2016): Hydrologie und Wasserwirtschaft: Eine Einführung für Ingenieure. 7. Aufl., Springer, Berlin.
  • Symader, W. (2004): Was passiert, wenn der Regen fällt? Einführung in die Hydrologie. Ulmer, Stuttgart.
  • Umweltbundesamt (Hrsg.) (2012): Hochwasser: verstehen, erkennen, handeln!
  • WMO, UNESCO (Hrsg.) (2012): International Glossary of Hydrology WMO-No. 385
  • WMO, UNESCO, Hubert, P. (Hrsg.): Internationales hydrologisches Glossar