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NIEDERSCHLÄGE UND ABFLUSSMENGEN

Aline Leiter	Tabea Schefer

ABSTRACT

In our project we investigate the precipitation in the lake Joeri catchment and the resulting run-off as monthly and annual mean. The role of lake Constance is interesting because it is a buffer for river run-off. The rivers above the lake reflect the actual precipitation, the Rhine below the lake is almost unaffected.
The exceptional hydrological summer 2003 (hot and dry) lead to extremely low water marks in lake Constance and low run-off of the Rhine. From given concentrations of dissolved Calciumions we calculated the load of Calcium and the chemical erosion rate.

EINLEITUNG

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit dem Abflussregime im Einzugsgebiet der Jöriseen, des Hochrheins bis Basel und des Rheins bis Rotterdam. Im Speziellen wird der Sommer 2003 untersucht, welcher mit seiner Rekordhitze und Trockenheit zu aussergewöhnlichen Ergebnissen führte. Die Hauptziele bestehen in der Erhebung der Niederschläge, des Abflussregimes der Jöriseen und deren Einzugsgebiet, sowie der Berechnung der Abflussmengen des Rheins vom Bodensee bis Rotterdam. Ferner sollen aus den Abflussmengen und aus den Konzentrationen die Frachten von gelösten Ionen berechnet werden (Gruppe Geochemie). Ein weiteres Ziel ist die Berechnung der chemischen Erosionsrate im Einzugsgebiet der Jöriseen.

THEORIE

Die meisten Abflussmengen stammen aus dem Hydrologischen Jahrbuch der Schweiz. Für einzelne Messstellen wurden die Abflussmengen ermittelt, indem die durchschnittliche Fliessgeschwindigkeit mit der Querschnittsfläche des Flussbettes (zu berechnen aus Tiefe und Breite) verrechnet wurde. Durch Multiplikation von Fliessgeschwindigkeit und Querschnitt erhält man die durchschnittlichen Abflussmengen in Kubikmetern pro Sekunde. Mittels der berechneten Werte ist es beispielsweise der Fachgruppe Geochemie möglich, Frachten von Ionen und Partikeln aus den Konzentrationen zu berechnen. Die Frachtmenge ist die Menge an Gestein, die über ein Jahr hinweg durch das Wasser abgetragen wird (chemische Erosionsrate). Um die Frachtmenge F zu berechnen, wird folgende Formel benötigt: F = c * Q, wobei c die Konzentration in mol/l und Q die Abflussmenge in m³/s ist.

Für die Berechnung der Erosionsrate h im Einzugsgebiet werden folgende Formeln verwendet:
m = F * FM ; V = m / Dichte ; h (Schicht erodiert) = V / A

METHODEN

Durch Abstecken einer Strecke(l) bekannter Länge im Gewässer und anschliessender Messung der Zeit, die ein schwimmender Gegenstand (Holzstück, Blätter etc.) für die Distanz benötigte, konnte die Fliessgeschwindigkeit ermittelt werden. Ferner wurden Breite(b) bzw. Tiefe(h) des Flusses gemessen. Aus diesen Daten liessen sich mit obiger Formel die Abflussvolumina berechnen. Da es auf Grund der Topographie sehr kompliziert ist, das Einzugsgebiet der Jöriseen zu berechnen, greift man auf eine simple, aber sichere Methode zurück: Aus der Landkarte kopieren wir das Gebiet der Jöriseen und schneiden es entlang der Wasserscheiden aus. Ebenfalls wird von derselben Karte ein Feld, das einem Quadratkilometer entspricht, ausgeschnitten. Wenn das Stück Papier mit dem Einzugsgebiet und den einen Quadratkilometer nun auf die Waage gelegt und das Gewicht bestimmt wird, kann ein Verhältnis aufgestellt werden (graphische Integration). Ergebnis: 7,1 km².

Abb. 1: Das Hydrologenteam beim Ermitteln der Abflussmenge des Ausflusses Jörisee I

ERGEBNISSE

Abb. 2: Abflussmengen der Stationen Auelti bis Lobith

ABFLUSS JÖRISEE I (VEREINABACH)

• durchschnittliche Tiefe (h): 0,205m
• Breite (b): 12,10m
• Länge Messstrecke (l): 10,00m
• Zeit Messstrecke (t): 49,5 s
• durchschnittliche Geschwindigkeit: 0,202 m/s

BERECHNUNG DER FRACHTMENGEN UND EROSIONSRATEN

Jöriseen
F       = 0,5 * 10³ l/s * 0,063 * 10^-3 mol/l

= 0,0315 mol/s
= 1000000 mol/y

m      = 1000000 mol/y * 100 g/mol

= 100000 kg/y
= 100 t (als CaCO₃)/y

V       = 100000 kg/y / 2700 kg/m³

= 37 m³/y

h       = 37 m³/y / 7 *10⁶ m³

= 5 µm/y

Basel
F       = 1256 * 10³ l/s * 1,368 * 10^-3 mol/l

= 1720 mol/s
= 5,5 * 10¹⁰ mol/y

m      = 5,5 * 10¹⁰ mol/y * 100 g/mol

= 5,5 * 10⁶ t (als CaCO₃)/y

Der Sommer 2003 kennzeichnet sich durch wenig Niederschlag und somit einer grossenTrockenheit. In Davos ist das Sommertotal an Niederschlag mit 490 mm weit unter den Normalverhältnissen. Bei den folgenden zwei Diagrammen ist gut zu erkennen, dass die Abflussmengen oberhalb des Bodensees niederschlgsbestimmt sind. Das heisst, dass wenn es längere Zeit nicht regnet, die Abflussmengen entsprechend klein , und nach ausgiebigen Regengüssen die Abflussmengen gross sind.

SOMMER 2003

Abb. 3: Regenmengen in Davos von Anfang März bis Ende August 03

Abb. 4: Abflussmengen Auelti von März bis August 03

Wie Abb. 3 und 4 zeigen, sind sämtliche Abflussmengen der Flüsse oberhalb des Bodensees niederschlagsbestimmt. Mit einer mittleren Aufenthaltszeit des Wassers im Bodensee von 4,5 Jahren wirkt der See als riesiger Puffer bezüglich der Abflussmengen des Rheins. Die Abflussmengen des Bodensees schwanken saisonal (Schneeschmelze), nicht aber nach kurzen Regengüssen.
Auffallend im Spätsommer 2003 ist, dass der Pegel 1,60 m unter dem Normalstand steht, das heisst 762 Mio. m³ Wasser im See fehlen (Hochwasser Sommer 99: Pegel + 1,93 m, plus 920 Mio. m³ !). Der tiefe Pegel führt zu stark reduzierten Abflussmengen im Rhein. Es werden durchschnittlich 5 µm CaCO₃ pro Jahr aufgelöst, wobei zu beachten ist, dass die Jöriseen grösstenteils in kristallinem Gebiet liegen. Nur Kalkadern stehen als Kalziumquelle zur Verfügung. Daraus folgt, dass vermutlich tiefe Risse ins Gestein gefressen werden.
Aus den Jöriseen fliessen in einem Jahr durchschnittlich 200 l/s ab. Der Rhein in Rotterdam führt im Schnitt 2000 m³/s. Das heisst, dass jedes 10‘000ste Wassermolekül in Rotterdam aus den Jöriseen stammt; auf einen Liter aufgerechnet sind es rund 2 Tropfen pro Liter.

Abb. 5: Jörisee I, II und III im Juni 2003



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