Umwelthydrologie und Wasserressourcen

Das integrierte Nebenfach Umwelthydrologie und Wasserressourcen vermittelt Grundkenntnisse zu Wasserflüssen und zur Wasserspeicherung in verschiedenen Raum- und Zeitskalen. Hierauf aufbauend werden gewässerökologische Grundlagen und ein Basiswissen in aquatischer Umweltchemie gelehrt. Auch die Wassernutzung und Probleme beim Umgang mit der Ressource Wasser werden behandelt.

So werden schrittweise die Grundlagen für das Verständnis von Wasser in einer natürlichen und vom Menschen beeinflussten Umwelt vermittelt, die in einem höheren Studium vertieft oder direkt im Beruf angewendet werden können.

Gesamtstudienverlauf B.Sc. Umweltnaturwissenschaftken mit iNF Umwelthydrologie und Wasserressourcen

Nebenfachleitung

Prof. Dr. Kerstin Stahl

E-Mail: kerstin.stahl[at]hydrology.uni-freiburg.de

Modulinhalte

Hydrologie

Vermittlung von hydrologischem Basiswissen und essentiellen praktischen Fertigkeiten im Gelände und bei der Auswertung hydrologischer Daten.

Die Vorlesungen behandeln hydrologische Grundlagen, hydrologische Methoden und regional hydrologische Themen. Ausgehend vom Abfluss aus dem Einzugsgebiet und seiner Variabilität in Raum und Zeit werden
dabei die Abflussbildungsprozesse sowie hydrologische Kernthemen wie Hoch- und Niedrigwasserereignisse, die Wasserbilanz in Flachland und Gebirge, der Einfluss von Landnutzung und Klimaänderung auf die Hydrologie, und weitere Themen behandelt. Methodisch werden Messmethoden inklusive Grundlagen der Tracerhydrologie, der Datenanalyse, und der Modellierung behandelt.

Parallel zur Vorlesung finden Übungen statt. Hier werden die Grundlagen der Abflussmessung vermittelt und im Gelände geübt, sowie Infiltrationsmessungen durchgeführt und selbständig ausgewertet. Die wichtigsten Kenngrößen und Abflussdatenanalysen aus der hydrologischen Praxis werden ebenfalls in den Übungen demonstriert und dann selbständig durchgeführt. Zum Schluss steht die Anwendung eines Bodenwasserhaushaltsmodells.

Grundlagen der Meteorologie

• Vertikaler Aufbau und Entstehung der Erdatmosphäre
• Thermodynamik der Atmosphäre und Vertikalbewegungen
• Rolle des Wasserdampfes in der atmosphärischen Thermodynamik
• Feuchtadiabatische Prozesse, hohe Konvektion und Gewitter
• Elektrische und optische Erscheinungen in der Atmosphäre
• Wind und Turbulenz, Grenzschicht
• Reibung, Impuls und bodennahes Windprofil
• Dynamische und thermische Winde in komplexer Orographie
• Rotierende Windsysteme, Wirbelstürme, Tornados
• Entstehung und Dynamik außertropischer Wettersysteme
• Wettervorhersage und operationelle Synoptik

Bodenschutz und Bodenökologie

• Bodenfunktionen und Funktionskonkurrenz
• Bodenschutz im Recht: Schädliche Bodenveränderung, Altlasten,Eingriffsregelungen, Bundesbodenschutzgesetzt, zukünftige EU Bodenrahmenrichtlinie usw.
• Schutz von Bodenfunktionen im Rahmen der Landnutzung (Biodiversität, Kohlenstoffspeicherung, Bodenfruchtbarkeit)
• Grenzwerte: Vorsorge-, Prüf- und Maßnahmenwerte, Verfahren zur Ableitung von physikalischen und stofflichen Grenzwerten
• Physikalischer Bodenschutz (Bodenversiegelung, Bodenerosion durch Wind und Wasser, Bodenverdichtung und Strukturzerstörung)
• Erosionsvorhersage mit Modellen (RUSLE, WEPP, Erosion2d)
• Stofflicher Bodenschutz (Schadstoffe, Mikroplastik, Versauerung)
• Umgang mit Online-Ressourcen zum Bodenschutz

Hydrogeologie

Vermittlung von hydrogeologischem Basiswissen und Grundlagen der Hydrogeologie. Themenschwerpunkte sind die Grundlagen Geologie, Hydrogeologie, der aquatischen Chemie, inklusive der wichtigsten hydro-chemischen Wasserinhaltsstoffe und deren Vorkommen und Verhalten in der Umwelt.

Zusätzlich zu den Grundlagen werden Ansätze zur Modellierung des Grundwasserströmungsverhaltens, sowie des konservativen und reaktiven Stofftransports im Grundwassers, behandelt. Anwendungen werden jeweils in Fallstudien dargestellt.

• Definitionen und Basiswissen
• Grundwasserneubildung
• Klassifizierung von Aquiferen
• Hydrogeologische Konzeptmodelle
• Messung und Interpretation von hydrogeologischen Größen
• Grundwasserqualität: Chemische Stoffe
• Grundwasserqualität: Chemische Prozesse
• Untersuchung und Bewertung der Wasserqualität
• Tracer in der Hydrogeologie
• Modellierung des Strömungsverhaltens
• Modellierung des Stofftransports

Wasserwirtschaft

Das Modul beinhaltet unterschiedliche Aspekte der Wassernutzung in verschiedenen Skalen und behandelt die Prinzipien und Möglichkeiten des Gewässerschutz und der Gewässersanierung.

• Arten der Wassernutzung (Grund-, Oberflächenwasser, Nutz,- Brauch-, Trinkwasser)
• Wassernutzung in Landwirtschaft, Industrie, Haushalt (Bewässerungstechniken)
• Globale und regionale Nutzung
• Prinzip der nachhaltigen Wassernutzung
• Stadtentwässerung (Kanalisation, Versickerungssysteme, Rückhaltebecken) • Auswirkungen des globalen Wandels auf die Wassernutzung
• Siedlungswasserwirtschaft (Wasseraufbereitung, Entwässerung)
• Natürliche und anthropogene Emissionsquellen und deren Eintragspfade
• Nitrat-, Stickstoff und Phosphorkreislauf
• Grund- und Oberflächenwasserschutz
• Grund- und Oberflächenwassersanierung

Gewässerökologie

Inhalt der Veranstaltung ist, den Studierenden gewässerökologische Grundlagen, Prozesse, und Forschungstechniken zu vermitteln.

• Messung der Temperatur, Leitfähigkeit, Abfluss, Sauerstoff und pH Wert an ausgewählten Gewässerabschnitten
• Abflussvariabilität und Sedimenttransport
• Strukturgüte
• Chemische Gewässergüte
• Ökologische Gewässergüte
• Gesetzliche Grundlagen und Verordnungen der Gewässerbewertung

Aktuelle Themen

Die Veranstaltung ist als Seminar konzipiert, in dem aktuelle Fragen der Umwelthydrologie vertieft werden. In mehreren Vorlesungsterminen werden zunächst Fachliteraturquellen und –recherche, systematisches Aufarbeiten und bewerten, Präsentations- und Schreibtechnik vermittelt und z.T. in Gruppenarbeit geübt und besprochen.

Die Studierenden erhalten außerdem zu Beginn ein Seminarthema zu einer aktuellen Fragestellung in der Umwelthydrologie. Dazu sollen jeweils eine Recherche und Dokumentation erstellt werden.

Wichtige Schritte des praktischen und wissenschaftlichen Arbeitsprozesses werden formal geübt:
Recherche: Desk-Study, Review
Dokumentation: Kommentierte Bibliografie, Erstellung einer schriftlichen Ausarbeitung
Vortrag: Präsentation und Diskussion

Hydrologische Modellierung

In diesem Modul werden einerseits die Grundlagen im Bereich der hydrologischen quantitativen Einzugegebiets-Modellierung gelehrt:

• Einführung in hydrologische Modelle
• Klassifikation und Arten von Modellen
• Methoden zur Modellkalibrierung und Modellevaluierung

Außerdem werden Grundlagen geschaffen, um mittels R und QGIS die Daten für die Modellierung vorzubereiten (räumliche Daten in GIS, Abflussdaten, meteorologische Daten) und das airGR Modellpacket angewandt um verschiedenen hydrologische Fragen zu beantworten (Einfluss von Klimawandel, Landnutzung, Auswirkung von Extremen, Szenarien, Stresstests).

Um die Studierenden auf die Anwendung von Modellen in der Praxis vorzubereiten, werden verschiedene Anwendungsbeispiele von Ingenieurbüros vorgestellt und diskutiert. Dabei werden Fallbeispiele aus verschiedenen Projekten aus Forschung und Anwendung von externen Gästen (z.B. ASG Rhein, BIT Ingenieure, HVZ) vorgestellt.

Als praktischer Teil des Kurses werden sie die zu je einem Einzugsgebiet verfügbare räumliche Daten aufbereiten, um sie dann in einem hydrologischen Modell mit einem eigenen Datensatz an Niederschlags-, Abfluss- und Klimadaten anzuwenden. Dabei werden iterativ die im Kurs erlernten Methoden in die Anwendung integriert.