Die Wassertemperatur des Flusses Aare. Prognose, Faktoren und Modellierung

Inhaltsverzeichnis

1 Einfiihrung
1.1 Vorwort
1.2 Zusammenfassung
1.3 Methode

2 Faktoren
2.1 Lufttemperatur
2.2 Verdunstung und Kondensation
2.3 Niederschlag
2.4 Schneeschmelze
2.5 Die Stromung im Fluss
2.5.1 Die verschiedenen Stromungsarten
2.6 Die Strahlung
2.7 Der Warmestrom
2.8 Bedeutung der Faktoren

3 Modelle
3.1 stochastische Modelltypen (allgemeine Definition)
3.1.1 statistische Modellierung der Wassertemperatur im Fluss gemass Klitzsch (1978)
3.1.2 Tagesgang der Wassertemperatur
3.2 deterministische Modelltypen (allgemeine Definition)
3.2.1 LARSIM

4 die Wassertemperatur in der Aare
4.1 geografische Lage der Aare
4.2 Messstationen vom BAFU
4.3 Daten
4.3.1 Welche Daten werden fur welches beschriebene Modell benotigt?
4.3.2 Datenquelle
4.4 Hypothesen
4.4.1 Hypothese 1 - Jahresverlauf der Wassertemperatur
4.4.2 Hypothese 2 - Einfluss der Lufttemperatur
4.4.3 Hypothese 3 - Tagesgang

5 Fazit
5.0.1 Danksagung

1 EinfLihrung

1.1 Vorwort

Das Flussschwimmen hat in der Stadt Bern Tradition. Erste Badeunfalle wurden im 14. und im 15. Jahrhundert in den Chroniken festgehalten. Die Wassertemperatur der Aare ist in der Stadt Bern im Sommer ein Dauergesprachsthema (Rieder 2018).

Durch mein Engagement in der «Schweizerische Lebensrettungs-Gesellschaft»(kurz SLRG) bin ich vermehrt mit der Entwicklung von der Wassertemperatur in naturlichen Gewassern konfrontiert. Bei dem Kursmodul fur den Fluss ist die Wassertemperatur von entscheidender Bedeutung, ob ein Kurs durchgefuhrt werden kann oder ob er abgesagt werden muss. Aus diesem Grund reizte mich das Thema «die Wassertemperatur im Fluss»fur eine Maturarbeit.

Die Dauer, der Verlauf und die Geschwindigkeit des Wachstums der Lebewesen im Fluss werden durch die Wassertemperatur bestimmt. Sie beinflusst auch alle Stoffwechselvorgange. Die Wassertemperatur pragt und reguliert die Lebensgemeinschaft im und am Fluss direkt (Jakob und Lukes 2000, S. 113). Im Jahr 2018 starben gemass einer Meldung (fulu und derv o.D.) 90 Prozent der Eschen im Rhein aufgrund einer zu hohen Wassertemperatur.

Damit der Mensch die Wasserqualitat und die Wassermenge des Flusses modellieren kann, muss die Wassertemperatur als Eingangsgrosse ortlich sowie zeitlich genau vorhanden sein. Insbeson-dere die Wassermenge ist fur die Vorhersage von Uberflutungen wichtig. Doch wie entwickelt sich die Wassertemperatur?

Die Wassertemperatur ist in eine Teildisziplin der Hydrologie. «Hydron» bedeutet auf alt-griechisch Wasser und «logos» steht fur Wissenschaft. Die Hydrologie erforscht den Wasserkreislauf, den Wasserhaushalt und den Wasserstand sowie das Grundwasser, das Abwasser und das Eis (Willig o.D.). Die Hydrologie gliedert sich in die zwei Teilgebiete Ozeanologie (Meere) und Gewasserkunde (Festland). Die Gewasserkunde selber unterteilt sich in die Gebiete Limnologie (Seen), Hydrogeolo-gie (Grundwasser), Glaziologie (Entstehung und Verbreitung des Eises) und Potamologie (Flusse) (Definition Hydrologie o.D.).

1.2 Zusammenfassung

Die Wassertemperatur wird von der Temperatur der Zuflusse, der Strahlung, der Verdunstung, dem Niederschlag, der Kondensation, dem Temperaturaustausch mit der Umgebung und der Schnee-schmelze beeinflusst (Jakob und Lukes 2000). Modelle sind in den Naturwissenschaften dazu da, Zusammenhange aufzuzeigen. Mittels mathematischen Modellen sind Vorhersagen von bestimm-ten Sachverhalten moglich (Modell o.D.). Ein Modell ist entweder stochastisch oderdeterministisch. Die Basis von einem deterministischen Modell sind physikalische und mathematische Gesetzte. Es konnen auch Gesetzte einer anderen Disziplin sein. Stochastische Modelle hingegen basieren auf der statistischen Theorie (Reuter o.D.). Wie funktionieren diese Modelle im Bezug auf die Wassertemperatur im Fluss? Die Temperatur in der Zwickauer Mulde wurde stochastisch vorhergesagt. Man bildete mittels statistischen Methoden eine Funktion und Ness diese weiterlaufen. Das Tages mittel wurde mittels einer periodischen Funktion in einer trigonometrischen Summe dargelegt. Bei dem Tagesgang wurde die Globalstrahlung sowie die Hohe des Gewassers berucksichtigt(Klitzsch 1978).

LARSIM «Large Area Runoff Simulation Model»ist ein deterministisches Modell. Die verschiedenen Prozesse im Fluss werden so simuliert, dass das Modell den Fluss als Raum darstellt. Bei der Analyse der Messwerte in der Aare wurden drei Hypothesen gemass Klitzsch (1978) auf-gestellt und untersucht: der Jahresverlauf der Wassertemperatur ist ahnlich wie einen trigonometrischen Graph, die Lufttemperatur hat im Sommer den grosseren Einfluss als im Winter auf die Wassertemperatur und die Tagesamplitude der Wassertemperatur hangt von der Globalstrahlung ab. Den Einfluss der Globalstrahlung auf die Tagesamplitude konnte in dieser Arbeit aufgezeigt werden. Die Wassertemperatur wird von der Lufttemperatur stark beeinflusst. Jedoch ist der Einfluss im Fruhjahr und Winter grosser als im Sommer und im Herbst. Der Jahresgang der Temperatur lasst sich in Form einer Cosinus Funktion beschreiben.

1.3 Methode

Diese Arbeit untersucht zwei Fragestellungen:

- Wie entwickelt sich die Wassertemperatur?
- Wie funktionieren Modelle im Bezug auf die Wassertemperatur im Fluss?

Mittels einer Literaturstudie wurden die Faktoren, welche die Wassertemperatur beeinflussen, er-mittelt und dargelegt. Anschliessend wird von dem stochastischen und dem deterministischen Mo-delltyp je ein Beispiel ausfuhrlicher erlautert. Die Prognose der Wassertemperatur fur die Zwickau-er Mulde(Klitzsch 1978), entstanden mit der stochastischen Vorgehensweise, wird ausfuhrlich be-schrieben. Das deterministische Modell wird mit der Hilfe von LARSIM «Large Area Runoff Simulation Model»(Das Wasserhaushaltsmodell LARSIM - Modellgrundlagen und Anwendungsbeispiele 2019) illustriert.

Urn die Frage zu beantworten, wie sich die Wassertemperatur im Fluss entwickelt und welchen Ver-lauf sie nimmt, wurde auf der Basis von drei Hypothesen eine Messreihe der Wassertemperatur analysiert:

1. Der Jahresverlauf der Wassertemperatur lasst sich in Form eines trigonometrischen Graphen beschreiben (Klitzsch 1978).
2. Die Lufttemperatur beeinflusst die Wassertemperatur im Sommer sehr stark (Klitzsch 1978).
3. Die Tagesamplitude der Wassertemperatur ist grosser, wenn die Globalstrahlung hoher ist (Klitzsch 1978).

Die Messdaten stammen von der Station «Schonau-Bern, Aare». Diese Station wird betrieben von dem Bundesamt fur Umwelt («BAFU»).

Urn diese Hypothesen zu untersuchen, wurde der Korellationskoeffizient berrechnet. Er ist «ein Mass fur den Grad des linearen Zusammenhang » (Korrelationskoeffizient o.D.). Wenn der Korrelati-onskoeffizient den Wert von -1 hat, existiert einen vollstandigen negativen linearen Zusammenhang. Wenn der Korrelationskoeffizient einen Wert von +1 hat, existiert einen vollstandigen positiven linearen Zusammenhang. Sofern der Wert allerdings 0 ist, gibt es keinen linearen Zusammenhang (Korrelationskoeffizient o.D.).

2 Faktoren

Primar wird die Wassertemperatur von der Lufttemperatur bee\r\i\usst(Hydrologisches Jahrbuch der Schweiz 2017 2018, S. 1). Die Wassertemperatur hangt zudem von der Temperatur von den Zu-flussen und den Quellen, der Strahlung, der Verdunstung, dem Niederschlag, der Kondensation und der Schneeschmelze ab. Eine entscheidende Rolle im Fluss spielt auch der Temperaturaustausch mit der Umgebung. Der Anteil vom Schmelzwasser aus Eis und Schnee ist in alpinen Regionen verstarkt zu beriicksichtigen (Jakob und Lukes 2000).

2.1 Lufttemperatur

Die Lufttemperatur resultiert aus der mittleren kinetischen Energie der Luftmolekule. Je schneller die durchschnittliche Geschwindigkeit ist, desto hoher ist die Lufttemperatur (Definition Lufttemperatur 2001).

2.2 Verdunstung und Kondensation

Die Kondensation beschreibt den Ubergang von einem gasformigen Stoff in den flussigformigen Zustand. Beim Wetter spielt die Kondensation eine grosse Rolle bei der Bildung von Wolken, Nebel, Tau und Raureif. Dabei kondensiert das Wasser in der Luft (Kondendastion) o.D.). Eine Grundvoraussetzung fur die Verdunstung ist, dass das Gas uber dem flussigen Stoff nicht mit Dampf gesattigt ist. Dann wechselt der flussige Stoff, ohne dabei die Siedetemperatur zu passieren, in die gasformige Form (Verdunstung) o.D.). Die Kondensation und die Verdunstung ermoglichen den Phaseniibergang fur Wasser zwischen Wasserdampf und flussigem Wasser. Somit sind sie ein grundlegender Prozess fur den Wasser- kreislauf und das Wetter (Kondendastion) o.D.).

2.3 Niederschlag

Es gibt zwei Arten von Niederschlag. Der Nieselregen und der normale Regen gehoren dem flussigen Niederschlag an. Der teste Niederschlag umfasst den Fall von einzelnen Eiskristallen, Schnee, Graupel, Hagel und Einkorner (Hydrologie 2018). Abfliisse die primar durch Niederschlage entste-hen, sind pluvial gepragt (Blanc und Schadler 2013).

2.4 Schneeschmelze

40 Prozent von dem Wasser, welches aus der Schweiz abfliesst stammt von der Schneeschmelze. Abfliisse, deren Hauptquelle die Schneeschmelze ist, sind nival gepragt (Blanc und Schadler 2013). Die Schneeschmelze findet meistens beim Jahreszeitenwechsel von Fruhling zum Winter statt. Sie sorgt fur einen erhohten Wasserpegel in Seen sowie Bachen und Flussen. Der erhohte Wasserpe-gel kann, je nach Ausmass der Erhohung, zu Uberschwemmungen fuhren (Schneeschmelze o.D.).

2.5 Die Stromung im Fluss

Das Skript zum Kursmodul Fluss der SLRG 2017 beschreibt den Zusammenhang der Fliessge-schwindigkeit vom Wasser und diesen drei Faktoren: dem Gefalle, dem Flussgrund und dem Was-servolumen. So kann zum Beispiel durch festgeklemmtes Schwemmholz oder einer Gerollsperre die Stromung verringert, hingegen durch die Befestigung des Flussufers erhoht werden. Entscheidend fur die Wassertemperatur ist die Stromung des Flusses dann, wenn im Fluss die Stromung langsamer wird, bis die Zustande ahnlich wie bei einem stehenden Gewasser sind. Dann bilden sich Wasserschichten, die Wassertemperatur ist also nicht mehr im ganzen Gewasser «gleich»sondern je nach Schicht anders.

2.5.1 Die verschiedenen Stromungsarten

Die Stromung in der Kurve

Der Stromstrich verschiebt sich in der Kurve nach aussen. An der Aussenseite (dem sogenannten Prallhang) wird standig Material abgetragen und reflektiert. Die Wassertiefe ist hier hoher, die Stromung schneller und hinter Hindernissen gibt es kleine scharfe Kehrwasser. In der Innenkurve ist die Wassertief weniger tief, die Stromung langsamer oder es gibt gar ein grosses langsames Kehrwasser. In diesem Kehrwasser konnen sich unter Umstande verschiedene Wasserschichten bilden. Hier lagert sich auch Material ab, es bildet sich ein Gleithang.

Kehrwasser

Bei einer Einengung des Flussbetts durch Hindernisse (z. B. Geroll) fliesst die gleiche Menge Wasser durch ein kleineres Flussbett. Es entsteht eine «Stromzunge mit erhohter Fliessgeschwindig-keit»(SLRG 2017). Der Raum, der hinter dem Hinderniss wieder frei wird, fullt sich flussaufwarts wieder mit Wasser. Es bildet sich ein Kehrwasser. Getrennt wird dieses Kehrwasser von der Haupt-stromung durch eine Verschneidungslinie. Hinter dem Hinderniss befindet sich eine Zone mit ruhi-gerem, evt. stehendem Wasser. Dort sammelt sich Treibgut und Ablagerungen von Sedimenten und weiteren festen Stoffen. Hier entsteht ein ruhendes Gewasser mit Wasserschichten.

Verschneidungen oder Pilze

Eine Verschneidung befindet sich dort, wo zwei Stromungen aufeinander treffen und Wasser von der Oberflache in die Tiefe ausweicht. Wenn Wasser vom Boden des Flussbetts an die Oberflache schwillt entsteht einen Pilz. Das Gewasser ist fliessend.

Verschneidung oder Wirbel

Es treffen zwei Stromungen im fliessenden Gewasser mit unterschiedlicher Fliessgeschwindigeit oder Fliessrichtung aufeinander. Das Wasser nimmt anschliessend eine vertikale Drehbewegung auf und es entsteht eine nach "nach unten gerichtete Sogwirkung".

Wellen oder Walzen

Die Stromung bremst ab, es entstehen Wellen. Bei einer steigenden Differenz zwischen den Ge-schwindigkeiten vom anstromendem und abfliessendem Wasser wird die Welle immer grosser, bis der Wellenkamm bricht. Durch den Kamm fallt ein Teil des Wassers flussufwarts zuruck. Es entsteht ein Riicklauf. Wenn die zuriickfallende Wassermasse konstant ist, wird die horizontale Rotation als Walze bezeichnet. Das zurucklaufende Wasser hat einen hohen Sauerstoffanteil. Die SLRG (2017) warnt vor dem Rucklauf der Walze. Sie kann Boote stoppen und Schwimmer bis zur Erschopfung kreisen lassen. Durch den hohen Sauerstoffanteil im Wasser kann es sein, dass der Auftrieb der Schwimmweste nicht mehr genugt, urn die Person an der Oberflache zu halten.

2.6 Die Strahlung

Gemass Egli u. a. 2016 liefert die Sonne die gesamte Energie fur das Wettergeschehen auf der Er- de. Die Solarkonstante betragt 1370 W/m[2]. Das ist die Energie, die an der Atmospharenoberflache zur Verfiigung steht. Die Energie der Sonne wird vor allem im kurzwelligen Bereich abgestrahlt. Die Energie, die die Erde erreicht, besteht aus Ultraviolette- und Lichtstrahlung. Wenn die Strahlen auf die Atmosphare und die Oberflache der Erde auftreffen wird ein Teil reflektiert. Das Albedo ist der Wert, der das Ruck- strahlungsvermogen einer nicht selbst leuchtenden Oberflache beschreibt. Die Atmosphare absorbiert einen geringen Teil der Sonnenstrahlung. Etwa die Halfte der Strahlung erreicht den Erdboden. Das ist die Globalstrahlung. Der Erdboden reflektiert die Sonnenstrahlen seinerseits in langwelliger Form wieder zuriick. Diese langwelligen Strahlen werden z. T. von Gasen in der Atmosphare absorbiert, also aufgenommen. (Egli u.a. 2016) Wie viel der Boden der Strahlung reflektiert hangt von der Bodenbeschaffenheit ab. Gemass Brix u. a. 2012, S. 9 reflektieren naturliche Oberflachen wie Gras, Wasser und Erde maximal bis zu 10% der einfallenden Strahlung. Sand sowie Schaumkronen im Meer reflektieren ca. 20%. Bis zu 80% reflektiert Neuschnee, Eis und Gletscher. Die Globalstrahlung, also die die Strahlungsbilanz, beeinflusst die Amplitude des Tagesgang der Wassertemperatur bei Klitzsch (1978). Kremer und Brahmer (2013), welche das Modell LARSIM (gemass Das Wasserhaushaltsmodell LARSIM - Modellgrundlagen und Anwendungsbeispiele (2019)) angewendet haben, beriicksichtigen die kurzwellige und langwellige Strahlungsbilanz im Fluss.

2.7 Der Warmestrom

Der Warmestrom wird auch Warmefluss genannt. Er wird in Watt W gemessen - der Warmefluss beschreibt die pro Zeit iibertragende Warmemenge. Man kann den Warmestrom mit der Formel AQ = AQ/At. Dabei wird die Warmemenge AQ in Joule angegeben und die Zeit At in Sekunden. Der Warmestrom selber hat als Einheit Watt (studyflix, Warme 2019).

Der latente Warmestrom transportiert gemass wetter.de , latenter Warmestrom 2019 die Warme durch den Wasserdampf. Bei der Verdunstung nimmt der Dampf die Energie auf, die dann bei dem Verdampfen wieder freigesetzt wird. Diese Ubertragung bei der Kondensation hat nicht selten einen Einfluss auf die Temperatur von einem Medium oder beider Medien. Das ist dann gemass fuhlbare Warme 2001 die fuhlbare Warme oder auch fuhlbarer Warmestrom genannt. Man kann sie zum Beispiel mit einem Thermometer messen. Die latente Warme hingegen kann man mit dem Wasser-dampfgehalt der Luft messen.

Der Austausch von der Warme zwischen dem Wasser im Fluss und der Umgebungsluft findet lau-fend statt. LARSIM berucksichtigt den latenten und fuhlbaren Warmestrom (Das Wasserhaushaltsmodell LARSIM - Modellgrundlagen und Anwendungsbeispiele 2019).

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