Lernmaterialien für Groundwater an der TU Hamburg-Harburg

Chapter 1

Was ist Hydrologie? What is Hydrology?

• Hydrologie beschäftigt sich mit der Erforschung von Wasser, seinem Vorkommen und seiner Bewegung durch das Sysem Erde-Atmosphäre (Land, Luft, Ozean) Hydrology is about the investigation of water, its occurrence and movement through the Eartth-Atmosphere system (land, air, and ocean).
• Definition des U.S. National Research Council (1991): The U.S. National Research Council (1991) provides the following definition for hydrology: 
  • Hydrologie ist die Wissenschaft, die das Wasser der Erde, ihr Vorkommen, ihre Zirkulation und Verteilung, ihre chemischen und physikalischen Eigenschaften und ihre Reaktion mit der Umwelt, einschließlich der Beziehung zu Lebewesen behandelt. Hydrology is the science that treats the waters of the Earth, their occurrence, circulation, and distribution, their chemical and physical properties, and their reaction with 
    the environment, including the relation to living things.
• Zentrum der Hydrologie: Wasserkreislauf, ein kontinuierlicher Prozess, bei dem Wasser von der Erde in die Amosphäre und zurück zu Land und Ozeanen  transportiert wird. The central focus of hydrology is the hydrologic cycle which is a continuous process by which water is transported from the earth to the atmosphere and back to the land and oceans. 

Wasserkreislauf

• 6 Hauptkomponenten:
  • Niederschlag (P)
  • Infiltration (I)
  • Verdunstung (E)
  • Transpiration (T)
  • Oberflächenabfluss (R)
  • Grundwasserabfluss (G)

The hydrologic cycle is usually described in terms of six major components including: Precipitation (P), Infiltration (I), Evaporation (E), Transpiration (T), Surface runoff (R) and
Groundwater flow (G) 

Warum ist Hydrologie wichtig?

• eine unserer wichtigsten natürlichen Ressourcen ist Wasser water is one of our most important natural resources 
• ohne Wasser kein Leben auf der Erde Without it, there would be no life on the Earth.
• Hydrologie angesichts zukünftiger Unsicherheiten (Klimawandel, Bevölkerung, Verbrauch, Bewirtschaftung) zunehmend erforderlich Hydrology as a major is flourishing and it is increasingly desired/required in the face of future uncertainties (in terms of climate change, human population, consumption and management). 
• komplexe Dynamik des Wassers im Erdsystem verstehen Hydrology has evolved as a science in response to the need to understand the complex dynamics of water in the Earth system 
• bietet Lösungen für die großen wasserbezogenen Herausforderungen and offers solutions to the grand water-related challenges. 

Grundwasser und Grundwasserhydrologie Groundwater & GW hydrology 

• Grundwasser: Wasser unter Landoberflöche, das die Poren im Boden vollständig sättigt According to Hendriks water beneath the land surface that fully saturates the pores in the ground is called groundwater.
• Grundwasserhydrologie: Wissenschaft vom Vorkommen, der Verteilung und der Bewegung von Wasser unter der Erdoberfläche Todd and Mays
  (Groundwater Hydrology, third Edition, 2005) define groundwater hydrology as “the science of the occurrence, distribution, and movement of water below the surface of the earth” 

Grundwasserhydrologie

• das Verständnis der Grundwasserströmung erfordert detaillierte Informationen über die Eigenschaften des porösen Materials, der Fluideigenschaften und deren zeitliche und räumliche Veränderungen sowie die Grenzen des Strömungssystems Understanding groundwater flow requires detailed information about the characteristics of the porous medium and fluid properties and their variations in time and space as well as the boundaries of the flow system
• wichtiges Thema für Wassermanagement, Vegetation und Pflanzenbau sowie Schadstofftransport im Boden und Wasserqualität Groundwater hydrology is an important topic for water management, vegetation and crop production as well as contaminant transport in soil and water quality, which will be discussed in future lectures 

Grundwasserleiter (aquifers)

• Grundwasser kommt in verschiedenen Arten von geologischen Formationen vor Groundwater occurs in several types of geologic formations
• Grundwasserleiter: unterirdische wasserführende Formation, die genügend Wasser speichern und mit einer Geschwindigkeit weiterleiten kann, die schnell genug ist, um hydrologisch bedeutsam zu sein An aquifer is an underground water-bearing formation that can store enough water and transmit it at a rate fast enough to be hydrologically significant.
• kann eine Schicht aus Kies, Sand, Sandstein, Kalkstein oder anderen durchlässigen geologischen Formationen sein An aquifer may be a layer of gravel, sand, sandstone or limestone, or other permeable geological formations.
• zwei Hauptklassen von Grundwasserströmungen, die sich durch die Art der oberen Grenze der Strömung unterscheiden und zwei Arten von Grundwasserleitern hervortragen: There are two major classes of ground-water flows, which are distinguished by the nature of the upper boundary of the flow causing two type of aquifers:
  • begrenzte Grundwasserleiter (umschlossen) Confined aquifers
  • unbegrenzte Grundwasserleiter Unconfined aquifers

umschlossener Grundwasserleiter (confined aquifers)

• durchgehend gesättigt  und oben und unten von undurchlässigen Materialien/Schichten (sogenannten Einschlussschichten) begrenzt If an aquifer is saturated throughout and bounded above and below by impermeable materials/layers  (called confining layers), it is called a confined aquifer.
• das Wasser steht unter Druck Water in the confined aquifer is under pressure. 
• Wenn der Grundwasserleiter von einem Brunner durchdrungen ist, wird das Wasser höher als der Grundwasserleiter steigen  If the aquifer
  is penetrated by a well, water will rise above top of the aquifer.
  

unbeschränkter (unbegrenzter) Grundwasserleiter (unconfined aquifers)

• obere Grenze liegt bei Atmosphärendruck (Wasserspiegel) An unconfined aquifer is an aquifer whose upper boundary is at atmospheric pressure (water table). 
• Grundwasserspiegel kann je nach Bedingugen steigen oder fallen The water table (i.e. the upper boundary of unconfined aquifers) can rise or fall depending on the conditions. 
• unterhalb und oberhalb des Grundwasserspiegels wird als gesättigte bzw. ungesättigte Zone bezeichnet und Wasser in der gesättigten Zone wird als Grundwasser bezeichnet Note below and above the water table is called saturated and unsaturated zone, respectively and that water in the saturated zone is called groundwater. 

Wasserscheide (Wassereinzugsgebiet) (Watershed)

• Landbereich, der Regen und Schnee auffängt und in ein gemeinsames Gewässer wie einen Bach, Fluss oder See abfließt oder versickert     A watershed is the area of land that catches rain and snow which drains or seeps into a common water body such as a stream, river or lake. 
• jeder Punkt der Erdoberfläche liegt in einem Wassereinzugsgebiet Every point on the surface of the Earth is situated in a watershed.
  
• Wassereinzugsgebiete werden durch die Naturlandschaft definiert und entsprechen daher oft nicht den politischen Grenzen Watersheds are defined by the natural landscape, and as a result often do not align with political boundaries.
  
• Wassereinzugsgebiete umfassen alle wasser- und wasserabhängigen Landmerkmale wie Feuchtgebiete, Wälder, Städte, Menschen und andere Lebewesen Watersheds include all water and water-dependent land features, such as wetlands, forests, towns, humans and other living things.
• gibt es in allen Formen und Größen Watersheds come in all shapes and sizes.
• überschreiten oft staatliche und nationale Grenzen They cross state, and national boundaries.
• Jeder lebt in einem Wassereinzugsgebiet (Wir im Einzugsgebiet der Elbe) Everyone lives in a watershed. We live in Elbe River Basin. 

• Möglichkeit die Grenzen von einem Wassereinzugsgebiet zu identifizieren, ist alle höchsten Punkte des Landes in der Umgebung des aufnehmenden Gewässers zu verbinden. Die imaginäre Linie, die die Höhepunkte verbindet, wird als Wassereinzugsgebiet bezeichnet       One way to identify watershed boundaries is by connecting all of the highest points of the land in the area around the receiving body of water. The imaginary line that connects those high points
  is called the watershed divide. 

• die hozizontale Projektion der Fläche eines Wassereinzugsgebietes wird als Einzugsgebiet des Baches bezeichnet The horizontal projection of the area of a watershed is called the drainage area of the stream 

räumliche und zeitliche Variabilität  spatial and temporal variability 

• räumliche Verteilung einer bestimmten Eigenschaft zeigt ihre räumliche Variation zu einem bestimmten Zeitpunkt an, während die zeitliche Variation ihrer zeitlichen Variation an einer bestimmten Position entspricht Spatial distribution of a given property indicates its spatial variation at a given time, while temporal variation corresponds to its variation with time at a certain position.
• viele hydrologische Eigenschaften variieren räumlich und zeitlich über betrachtete geografische Regionen Many hydrological properties
  vary spatially and temporally over the considered geographic region.
  
• wichtig räumlliche und zeitliche Variabilität hydrologischer Eigenschaften wie Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Bodenwassergehat etc. zu analysieren und untersuchen zu können Therefore, it is essential to be able to analyze and investigate the spatial and temporal variability of hydrological properties such as
  temperature, humidity, soil water content, etc. 

Grunderhaltungssatz im hydrologischen System Basic conservation law in hydrologic system 

• meisten hydrologischen Konzepte beziehen sich auf einfaches Modell: Kontrollvolumen Most hydrologic concepts are related to the simple model of a system (sometimes called control volume) 
• System wird als jede kozeptionell definierte Raumregion definiert, die in der Lage ist, eine Folge von Eingaben einer konservativen(erhaltende) Größe zu empfangen, eine gewisse Menge dieser Größe zu speichern und Ausgaben dieser Größe abzugeben   In this course, a system is defined as any  onceptually defined region of space that is capable of receiving a sequence of inputs of a conservative quantity, storing some amount of that quantity and discharging outputs of that quantity 

• Konservative Größen sind diejenigen, die nicht innerhalb des Systems erzeugt oder zerstört werden können, wie Masse und Energie Conservative quantity is the one that can not be created or destroyed within the system such as mass and energy. 
• konservative (erhaltende) Größen: Masse, Impuls und Energie, Wasservolumen (obwohl Wasserdichte von Temperatur abhängig ist) In the context of this course, mass, momentum and energy are considered as the conservative quantities. Additionally, water volume is also considered as a conservative quantity (although water density is a function of temperature).

Erhaltungsgleichungen Conservation equations

Grundlegende Erhaltungsgleichung: The basic conservation equation can be stated as: 

• Die Menge (wird erhalten), die in ein Kontrollvolumen eintritt (I) abzüglich der Menge, die das Kontrollvolumen (Q) verlässt, entspricht der Änderung der Menge, der im Volumen gespeicherten Menge (ΔS) The amount of a conservative quantity entering a control volume (I) minus the amount of the
  quantity leaving the control volume (Q) equals the change in the amount of the quantity stored in the volume (∆𝑆) 
• Betrag Ein -  Betrag Aus = Änderung im Speicher Amount In – Amount Out = Change in Storage 
  
• die Gleichung gilt unter drei Bedingungen: The above equation is true under three conditions 
  • I ) für erhaltende Größen  for conservative quantities 
  • II ) für ein definiertes Kontrollvolumen for a defined control volume, 
  • III ) für einen definierten Zeitraum (Δt) for a defined time period (∆𝑡) 
• in mathematischer Form: In mathematical form, the above equation can be written as: 

Δt gibt den Zeitraum an

• Definition der durchschnittlichen Zu- und Abflussrate für den Zeitraum ∆𝑡: We can define the average rate of inflow and outflow for the period ∆𝑡 as 

• momentanen Zufluss- und Abflussraten: We may define the instantaneous rates of inflow and outflow as: 

• Momentane Eingaberate - Momentane Ausgaberate = Momentane Speicherrate Instantaneous rate of Input – Instantaneous rate of Output = Instantaneous rate of storage 

Regionaler Wasserhaushalt Regional water balance 

• Erhaltungsgleichung angewendet auf die Wassermasse, die sich durch verschiedene Abschnitte des Wasserkreislaufs bewegt, bezeichnet als Wasserbilanzgleichung When the conservation equations are applied to the mass of water moving through various portions of the hydrologic cycle, they are called water balance equations. 
• Anwendung der Wasserbilanzgleichung (Wasserhaushaltsgleichung) auf ein Wassereinzugsgebiet wird als Reginaler Wasserhaushalt (regionale Wasserbilanz) bezeichnet. Application of water balance equation to a watershed is referred as regional water balance.

P = Niederschlag precipitation

G_in = Grundwasserzufluss groundwater inflow

G_out = Grundwasserabfluss groundwater outflow

Q = Bachabfluss  stream outflow 

ET = Evapotranspiration evapotranspiration 

∆S = Änderung des Speichers über den Zeitraum change in the storage over the time period
 

Aufenthaltszeit Residence time 

• Die Verweilzeiteines Reservoirs im Wasserkreislauf ist definiert durch durchschnittliche Verweildauer eines "Pakets" Wasser im Reservoir Residence time (TR) of a reservoir within the hydrologic cycle is defined as the average length of time that a “parcel” of water spends in the reservoir 
• Die Verweilzeit ist ein Maß für das durchschnittliche "Alter" des Wassers im Reservoir. Residence time is a measure of the average “age” of the water in the reservoir. 
• entspricht der Zeit, wie lange es dauern würde, bis der Behälter leer gefüllt ist, wenn kein Wasser austritt (Oder wie lange es dauert, bis der Behälter vollständig leer ist, wenn kein Wasser eindringt) Conceptually, this is equivalent to how long it would take the reservoir to become filled from empty if no water were to leave (or how long it would take the reservoir to empty from full if no water were to enter) 
• eine gängige Methode zur Schätzung der Verweilzeit besteht darin, die Speicherkapazität (S) durch die durchschnittliche Abflussrateoder Zuflussratezu definieren A common method to estimate the residence time (TR) is to divide the reservoir storage (S) by the average rate of outflow (mQ) or inflow (mI) as: 

Dimensionen und Einheiten Dimensions and units 

• Hydrologische Beziehungen werden durch Beziehungen zwischen den numerischen Werten hydraulischer Größen ausgedrückt         Hydrologic relationships are normally expressed as relations between the numerical values of hydrologic quantities.
• alle physikalischen Größen werden gemessen und in Einheiten ausgedrückt All physical quantities are measured and expressed in units 
• internationale Einheitensystem (SI-System):  international system of units (SI system)
  • SI-System enthält sieben Grundeinheiten für Länge, Masse, Zeit, Strom, Temperatur, Stoffmenge und Lichtstärke The SI system contains seven basic units for length, mass, time, electric current, temperature, amount of substance, and luminous intensity. 
  • andere physikalischen Größen werden in abgeleiteten Einheiten ausgedrückt (wie Kraft in Newton) Other physical quantities are expressed in
    derived units. Force, for example, is expressed by a derived unit Newton. 
    

Abgeleitete SI-Einheiten Derived SI Units 

• Einheit ist ein qualitativer Ausdruck einer physikalischen Größe oder eines Attributs A dimension is a qualitative expression of a physical quantity or an attribute.
• Kann Basiseinheit wie Länge (L), Zeit (T) oder Masse (M) oder abgeleitete Einheit wie Volumen oder Dichte sein  It may be a basic dimension such as length [L], time [T], or mass [M], or a derived dimension such as volume [L3], or density [ML-3]. 
• Einheitenprüfung ist ein wichtiger Schritt bei der Überprüfung der Gültigkeit einer Gleichung. Die Einheiten aller Terme einer Gleichung muss konsistent sein Dimensional inspection is an important step in verifying the validity of an equation; the dimension of all terms in an equation must be consistent. 

Geschwindigkeit: VELOCITY: 

Beschleunigung: ACCELERATION: 

Kraft: FORCE:  

Druck: PRESSURE:  

Arbeit: WORK:

Beispiel: Wasserbilanz Example-water balance 

Berechnen Sie die geschätzte Evapotranspiration eines Flusses, wenn Sie wissen, dass das Einzugsgebiet 20370 km² beträgt, die Niederschlagsrate 1100 mm/Jahr beträgt und der Fluss eine Abfluss von 386 m³/s hat. 

Angenommen, die Nettospeicherveränderungen sind für den untersuchten Zeitraum effektiv null und die Grundwasserflüsse sind vernachlässigbar. 

Compute the estimated evapotranspiration from a river knowing the watershed area is 20370 Km2, the precipitation rate is 1100 mm/year, and the streamflow is 386 m3/s. Assume the net changes in storage is effectively zero for the period of time under investigation and that the ground-water flows are negligible. 

P + G_in - (Q + ET + G_out) = ΔS -> P + 0 - (Q + ET + 0) = 0

ET = P - Q oder

m gibt den Durchschnitt über einen Zeitraum an m indicates the average over the period of measurement

 -> umwandeln in mm/Jahr we should convert it to mm/yr

(386 *10^9 * 60 * 60 * 24 * 365) (mm³/Jahr) / (20370 * 10^12) (mm²) = 598 mm/Jahr