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Hydrologie

 
     
  Wissenschaft des Wassers. Die Hydrologie erforscht das Wasser des festen Landes über, auf und unter der Erdoberfläche hinsichtlich seiner Verteilung in Raum und Zeit, seiner Zirkulation und seinen physikalischen, chemischen und biologisch verursachten Eigenschaften und Wirkungen sowie die Wechselbeziehungen zwischen den natürlichen Voraussetzungen und den auf diese zurückwirkenden anthropogenen Einflüsse. Dabei bezeichnet der Begriff "Wasser" alle in der Natur vorkommenden Erscheinungsformen des Wassers einschliesslich der darin gelösten, emulgierten und suspendierten Stoffe sowie Mikroorganismen. Der Austausch des Wassers zwischen den Phasenbereichen (fest, flüssig, gasförmig) erfolgt über den Wasserkreislauf, wobei auch die Prozesse der Zustandsänderungen, d.h. die Übergänge zwischen den einzelnen Phasen, sowie die des Transportes und der Speicherung des Wassers einbezogen werden. Diese Vorgänge variieren sowohl zeitlich als auch räumlich. Bei der räumlichen Betrachtungsweise ist es dabei selbstverständlich, dass benachbarte Räume einbezogen werden. Für Fragen der globalen Wasserbilanz heisst das, dass auch die Niederschläge und die Verdunstung über den Ozeanen mit einbezogen werden müssen. Diese Prozesse werden in der quantitativen Hydrologie behandelt. Auch Fragen zu Wasser in Form von Eis und Schnee gehören zur Hydrologie, werden aber eingehender von der Glaziologie behandelt.


Ein wesentlicher Teil der Hydrologie befasst sich mit der Wasserbeschaffenheit (qualitative Hydrologie), d.h. mit den physikalischen (Hydrophysik) und chemischen Eigenschaften (Hydrochemie) sowie den Wechselwirkungen mit biologischen Prozessen (Hydrobiologie, Limnologie). Dabei ist die Beschreibung des Zustandes eines Gewässers durch biologische Indikatoren einbezogen. Unter den physikalischen Eigenschaften werden dabei nicht nur die Temperatur, Dichte, Viskosität, Leitfähigkeit, Trübung etc. verstanden, sondern hierzu gehört auch das Vermögen des Wassers, durch seine Bewegung feste und gelöste Stoffe sowohl im Gewässer als auch im Boden und im System der Pflanze zu transportieren. Die chemischen Eigenschaften beinhalten neben pH-Wert, Geruch, Geschmack usw. auch die Zusammensetzung der gelösten Stoffe sowie deren Dissoziation in Anionen und Kationen. Die genannten biologischen, physikalischen und chemischen Eigenschaften sind nach Raum und Zeit verteilt. Die Hydrologie betrachtet v.a. den Bereich, in dem Wechselwirkungen zwischen den biologischen Prozessen und den physikalischen und chemischen Eigenschaften auftreten. In den Gewässern spielen sich zahlreiche Wechselbeziehungen ab, zum einen Wechselbeziehungen zwischen dem Wasservolumen und den Merkmalen der Wasserbeschaffenheit und zum anderen diejenigen zwischen den Wasserbeschaffenheitsmerkmalen untereinander. Die Wechselbeziehungen dieser Merkmale werden unter natürlichen Voraussetzungen untersucht, wobei hierunter z.B. meteorologische und klimatische Einflüsse sowie bodenkundliche, morphologische, vegetative und sonstige Bedingungen verstanden werden. Diese Verhältnisse können durch anthropogene Massnahmen beeinflusst werden, wobei sich infolge der Wechselbeziehungen wiederum die physikalischen und chemischen Eigenschaften ändern. Durch solche Massnahmen ist sowohl eine Veränderung des am Wasserkreislauf teilnehmenden Wasservolumens möglich als auch eine Änderung der Wasserbeschaffenheit hinsichtlich der Verteilung nach Raum und Zeit.


Je nach Auftreten des Wassers kann die Hydrologie in verschiedene Bereiche eingeteilt werden (Hydrometeorologie, Nivologie, Glaziologie, Hydrologie der Fliessgewässer, Küstenhydrologie, Grundwasserhydrologie, Hydrologie der Ästuare etc.). Die Teilbereiche der Hydrologie, die sich mit den fliessenden und stehenden Gewässern befassen, werden der Gewässerkunde zugeordnet, die Ökologie dieser Gewässer wird von der Limnologie untersucht. Die Hydrobiologie stellt den Übergangsbereich zur Biologie dar. Mit dem unterirdischen Wasser, d.h. mit den Wasserflüssen in der ungesättigten Bodenzone und der gesättigten Bodenzone, befassen sich die Hydropedologie und die Hydrogeologie. Die Hydrologie enthält neben den Naturwissenschaften (Geo- und Bio-) auch ingenieurwissenschaftliche Komponenten. In den Ingenieurwissenschaften werden Flüssigkeiten wie Wasser zum einen als ein Mittel zur Kräftübertragung und zum anderen als zu transportierende Masse angesehen. Weiterhin wird das Wasser als ein Stoff betrachtet, auf dem Frachtgut befördert und durch den Energie gewonnen werden kann. Andererseits stellt das Wasser aber auch eine Gefahr dar, welche die von Natur und Menschenhand geschaffene Strukturen zerstören kann (Hochwasser, Sturmflut). Mit den theoretischen Grundlagen der Bewegung des Wassers in offenen und geschlossenen Gerinnen beschäftigt sich die Hydrodynamik. Auf diesen Grundlagen aufbauend werden im Bereich des Wasserbaus (Hydrotechnik) Strukturen geschaffen, um das Wasser zu nutzen oder Gefahren abzuwenden. Dabei muss zwangsläufig häufig schon im Planungsstadium auf Angaben aus dem Bereich der Hydrologie zurückgegriffen werden. Durch wasserbauliche Massnahmen wird der ursprüngliche Zustand der Natur verändert (anthropogene Beeinflussung des Wasserkreislaufes), womit sich wiederum die Hydrologie befasst. Die speziell für den Wasserbau erforderlichen Teilgebiete der Hydrologie werden oft unter dem Begriff Ingenieurhydrologie zusammengefasst.


Die Hydrologie findet ihre Anwendung in der Wasserwirtschaft und der Agrar- und Forstwirtschaft. Bereits in frühen Perioden der Kulturentwicklung hat der Mensch erfahren, dass wesentliche Lebensbedingungen von Wasserüberschuss und -mangel abhängen. So haben sich bereits vor 5000 Jahren Wasserbaukulturen entlang der grossen Flüsse in Asien und am unteren Nil entwickelt. Wasserbauten für Ent- und Bewässerung, Hochwasserschutz und Wasserversorgung bezeugen, dass einfache hydrologische Prinzipien bereits bekannt gewesen sein müssen. Erste hydrologische Messungen gehen in diese Zeit zurück. Entlang des gesamten Nillaufs wurden Wasserstandsmarken sowie bezifferte und geeichte Skalen zur quantitativen Bestimmung der Wasserstände angelegt. Dies sind wohl die ältesten erhaltenen hydrometrischen Messeinrichtungen. Erste Regenmessungen sind aus der Zeit gegen Ende des 4. Jh. v.Chr. in Indien bekannt. Gestützt auf das empirische Wissen der alten Kulturen entwickelten die griech. Naturphilosophen Hypothesen zum Wasserkreislauf: In der Hypothese des Wasseraufstieges innerhalb der festen Erde wird Wasser von einem die Erde tragenden Urmeer von der Erde aufgesogen und tritt an höherer Stelle als Quellen und Flüsse an die Oberfläche, wobei das Meerwasser vom Salz gereinigt wird (Thales 624-546 v.Chr., Platon 427-348 v.Chr.). In der meteoren Hypothese von Anaxagoras (500-428 v.Chr.) und Diogenes von Apollonia (460-390 v.Chr.) wurden wesentliche Elemente des Wasserkreislaufs richtig erkannt und beschrieben. Aristoteles (385-322 v.Chr.) hat in seinem Werk "Meteorologica" eine dritte Hypothese aufgestellt. Danach bildet sich in der Erde fortlaufend Wasser, in dem sich in Poren und Klüften eingedrungene Luft abkühlt und in Wassertropfen verwandelt. Die Hypothese des Wasseraufstiegs innerhalb der festen Erde und von der Umwandlung von Luft in Wasser blieb über viele Jahrhunderte die massgebliche Lehrmeinung.


Mit Beginn der Renaissance wurde die Naturphilosophie durch die Naturwissenschaft abgelöst. Neben L. da Vinci (1452-1519) und C. von Mengenburg (1475) waren es J. Besson (1540-1576) und B. Palissy (etwa 1510-1590), die mit dem Konzept der Schwerkraft die Wasseraufstiegstheorie und die Kondensationstheorie widerlegten. Besonders Palissy hatte die Einzelvorgänge des Wasserkreislaufs eindeutig und detailliert dargestellt und weitgehend durch scharfe, richtig interpretierte Naturbeobachtungen nach Ursache und Wirkung erkannt. P. Perrault (1611-1680), E. Mariotte (1620-1684) und E. Halley (1656-1742) brachten quantitative Elemente in die bis dahin nur durch allgemeine Beobachtungen abgestützte, spekulativ-qualitative Hydrologie ein. Perrault war der erste, der versuchte, Komponenten des hydrologischen Kreislaufs quantitativ zu bestimmen. Er setzte sich in seinem 1674 erschienenen Buch "De l'origines des fontaines" (Über den Ursprung der Quellen) mit allen bestehenden Auffassungen auseinander. Der Zeitpunkt des Erscheinens dieses Werkes gilt heute als Geburtsstunde der Hydrologie. Auch auf dem Gebiet der Bestimmung des Durchflusses in Flüssen und künstlichen offenen Gerinnen wurden im 18. Jh. bedeutende Fortschritte erzielt. Das Pitot-Rohr (Pitot 1695-1771), der Messflügel (u.a. Cabral 1734-1811, Woltmann 1757-1837) und der Venturi-Kanal (Venturi 1746-1822) wurden entwickelt. A. Brahms (1692-1758), A. De Chezy (1718-1798) und P. Du Buat (1738-1809) legten die Grundlage für die Berechnung des Durchflusses in offenen Gerinnen und L. Euler (1707-1783) entwickelte die allgemeinen Bewegungsgleichungen für ideale Flüssigkeiten. D. Bernoulli (1700-1782) veröffentlichte 1738 seine Betrachtungen über die Zusammenhänge zwischen Geschwindigkeit und Druck, die dann später zur allgemeinen Gleichung über die Erhaltung der Energie erweitert wurden. Das Perrault-Mariotte-Halley-Konzept des hydrologischen Kreislaufs begann sich im 18. Jh. immer mehr durchzusetzen. Bezüglich der Verknüpfung von Niederschlag, Abfluss und Verdunstung, Qualität und Verteilung der einzelnen Komponenten sowie der physikalischen Begründung der einzelnen Abläufe gab es durch verstärktes Experimentieren neue Erkenntnisse. J.C. De la Methiére (1748-1807) befasste sich mit Fragen der Durchlässigkeit von Felsformationen, der Erhaltung der Bodenfeuchte, der Verdunstung und Transpiration, der Versickerung, der Grundwasserneubildung, der Grundwasserbewegung und der Wasserversorgung der Quellen. W. Smith (1769-1839) legte mit seinen geologischen Studien die Grundlagen für die Fortschritte der Grundwasserhydrologie im folgenden Jahrhundert. J. Dalton (1766-1844) stellte für England und für Wales erste Wasserhaushaltsbetrachtungen an und definierte das Verdunstungsgesetz.


Die Fortschritte der allgemeinen Hydraulik und die Entwicklung neuer Messgeräte im 18. Jh. führten dazu, dass einzelne Elemente des hydrologischen Kreislaufs quantitativ besser erfasst werden konnten. Sowohl beim Oberflächenabfluss als auch bei der Grundwasserbewegung wurden wesentliche neue Erkenntnisse, wenn auch zunächst noch weitgehend empirisch, gewonnen.


Das 19. Jh. war in bezug auf die Hydrologie die grosse Zeit der experimentellen Untersuchungen (experimentelle Hydrologie), in der die Grundlagen für die moderne Hydrologie gelegt wurden. Die Hydrologie hatte sich in ihren grundlegenden Konzepten als wissenschaftliche Disziplin etwa um die Mitte des 19. Jh. durchgesetzt. Gekennzeichnet wird dieser Stand der Entwicklung durch die Veröffentlichung des "Handbuches der Hydrologie" im Jahre 1862 durch N. Beardmore (1816-1872). Regelmässige Wasserstandsmessungen in der Neuzeit wurden erst seit dem 18. Jh. durchgeführt,


z.B. am Rhein (Emmerich) seit 1770 bzw. 1782 (Köln). Systematische Bestimmungen des Durchflusses (Durchflussmessung) wurden seit dem Beginn des 19. Jh. ausgeführt, am Oberrhein seit 1809. T.J. Mulvany (1822-1892) und P. Schreiber (1848-1924) leisteten Pionierarbeit auf dem Gebiet der Niederschlags-Abflussbeziehungen. Mulvany schlug eine rationale Formel zur Berechnung von Hochwasserabflüssen aus Niederschlagswerten vor. Schreiber führte 1892 das Konzept eines unbegrenzten Gleitmittelprozesses zur Beschreibung der Niederschlags-Abfluss-Beziehung ein. Auch auf dem Gebiet Grundwasserhydrologie wurden in der Mitte des 19. Jh. durch F.E. Belgrand (1810-1878) und A. Paramelle (1790-1875) grosse Fortschritte erzielt. Paramelles Buch "Die Kunst, Quellen aufzufinden" ist als Meilenstein in der Entwicklung der Grundwasserhydrologie anzusehen. 1839/1840 veröffentlichten G. Hagen (1797-1884) und J. Poiseuille (1799-1869) ihre Gleichungen über den Abfluss durch Kapillaren. Im Jahre 1856 legte H. Darcy (1803-1858) die als Darcy-Gesetz bekannt gewordene empirisch gemessene Gleichung vor, die auch heute noch die Grundlage der meisten Berechnungen von Grundwasserbewegungen bildet. Im 19. Jh. hatte sich das Fachgebiet Hydrologie soweit konsolidiert, dass es auch als Lehrgebiet an Universitäten (1899 TH Dresden) eingeführt wurde.


Trotz aller Fortschritte, die im 19. Jh. erzielt wurden, steckte die Hydrologie in den ersten drei Jahrzehnten des 20. Jh. noch weitgehend in der Empirie. Erst die Durchführung von breit angelegten Forschungsprogrammen, der zunehmende nationale und internationale Gedankenaustausch sowie eine stärker werdende interdisziplinäre Zusammenarbeit führten graduell zu einer mehr rationalen Analyse hydrologischer Probleme. Als kennzeichnend für die Entwicklung sollen hier genannt werden: a) zunehmende Verwendung statistischer Methoden (Hazen 1930), b) Einführung des Unit-Hydrograph für die Ableitung der Durchflussganglinie aus dem Niederschlag (Sherman 1932), c) Abflussbestimmung aus dem Niederschlag aufgrund der Infiltrationstheorie (Horton 1933), d) Berechnung nicht-stationären Zuflusses zu Brunnen (Theis 1935), e) Einführung der Extremwertverteilung für Häufigkeitsanalysen hydrologischer Daten (Gumbel 1941), f) verstärkte Berücksichtigung hydrometeorologischer Prozesse (Bernard 1944), g) theoretische Analyse des Geschiebetriebs (Einstein 1950), h) Entwicklung des Konzeptes der "Speicherkaskade" (Nash 1957), i) Entwicklung der Infiltrationstheorie (Philip 1957). Die Entwicklung der Hydrologie in den letzten Jahrzehnten des 20. Jh. ist gekennzeichnet durch die quantitative Beschreibung und Modellierung komplexer hydrologischer Prozesse, wobei neben Verfahren der Mathematik und Geophysik zunehmend Methoden der Systemtheorie, der Statistik und der Wahrscheinlichkeitsrechnung (stochastische Hydrologie) herangezogen wurden. angewandte Hydrologie, deterministische Hydrologie, operationelle Hydrologie, regionale Hydrologie, theoretische Hydrologie, urbane Hydrologie, hydrologische Modelle.


HJL
Literatur: [1] BAUMGARTNER, A., LIEBSCHER, H. (Hrsg.)(1996): Lehrbuch der Hydrologie. [2]
DYCK, S., PESCHKE, G. (1996): Grundlagen der Hydrologie. - Berlin.
 
 

 

 

 
 
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