Bachelor + Master Publishing
811 Bachelorarbeiten, 533 Masterarbeiten, 10.103 Diplomarbeiten

Wasserdynamik und wassergebundene Stoffdynamik in einem landwirtschaftlich intensiv genutzten hydrologischen Kleineinzugsgebiet am Rande der tropischen Metropole Habana (Cuba)

Wasserdynamik und wassergebundene Stoffdynamik in einem landwirtschaftlich intensiv genutzten hydrologischen Kleineinzugsgebiet am Rande der tropischen Metropole Habana (Cuba)
Über dieses Buch
  • Art: Diplomarbeit
  • Autor: Herwig Hölzel
  • Abgabedatum: April 2004
  • Umfang: 111 Seiten
  • Dateigröße: 7,4 MB
  • Note: 1,1
  • Institution / Hochschule: Universität Leipzig Deutschland
  • ISBN (eBook): 978-3-8324-8667-9
  • ISBN (Paperback) :
    978-3-8324-8667-9 P
  • ISBN (CD) :978-3-8324-8667-9 CD
  • Sprache: Deutsch
  • Prämierung:
  • Arbeit zitieren: Hölzel, Herwig April 2004: Wasserdynamik und wassergebundene Stoffdynamik in einem landwirtschaftlich intensiv genutzten hydrologischen Kleineinzugsgebiet am Rande der tropischen Metropole Habana (Cuba), Hamburg: Diplomica Verlag
  • Schlagworte: Landschaftsökologie, Abflußmodellierung, Hochwasserschutz, Wasserqualität, Erosion

Diplomarbeit von Herwig Hölzel

Einleitung:

Die vorliegende Arbeit entstand im Rahmen eines bilateralen Ausbildungsprogramms einer fachbezogenen Partnerschaft mit Entwicklungsländern des Deutschen Akademischen Austauschdienstes (DAAD). Es wird seit 01.01.2003 zwischen dem Geographischen Institut der Universität Leipzig und der hydrologischen Abteilung der Fakultät für Geographie der Universität Habana durchgeführt. Das Ausbildungsprogramm leiten Prof. Dr. Hans Neumeister (Leipzig) und Prof. Dr. Iván Gonzáles Piedra (Habana) unter dem Fachbezug Geoökologie. Das Thema lautet „Nachhaltige Entwicklung, Bewirtschaftung und Schutz agrarisch, forstwirtschaftlich, wasserwirtschaftlich und touristisch genutzter Landschaften.“ Im Vorfeld wurde am 05.02.2002 von Seiten der Universität Habanas zwei deutschen Studenten das Angebot unterbreitet, ihre Abschlussarbeiten über ein hydrologisches Einzugsgebiet in Cuba anzufertigen. Als Untersuchungsgebiet wurde das hydrologische Einzugsgebiet des Flusses Cojímar im suburbanen Raum Habanas vorgeschlagen. In Zusammenarbeit mit der Universität Habana wurden Probleme benannt, die für eine Bearbeitung in Frage kommen. Darauf aufbauend ist ein Arbeitskonzept erstellt worden. Die notwendige Datengrundlage für die Bearbeitung wurde in einem dreimonatigen Aufenthalt in Habana während des Zeitraumes vom 29.11.2002 bis 28.02.2003 gelegt.

Ein wesentliches Problem stellten behördliche Beschränkungen bei der Bereitstellung von Daten und Messwerten für Ausländer in Cuba dar. Da die offiziell verfügbaren Datensätze für die Untersuchungsziele ungenügend waren, sind in eigener Feldarbeit Messwerte ermittelt und über mathematische Modelle abgeleitet worden. Hierfür wurde von der Universität Habana ein mathematisch hydrologisches Modellsystem vorgeschlagen, deren Brauchbarkeit durch eine Anwendung geprüft werden sollte.

Die Arbeit soll den Partnern des Lehrprojektes der Universität Habana Techniken und Methoden für Lehre und Ausbildung nach dem geoökologischen Ausbildungskonzept der Universität Leipzig vorführen. Die Aussagefähigkeiten und -grenzen des bereitgestellten hydrologischen Modellsystems für die Analyse hydrologischer Einzugsgebiete soll gezeigt werden. Die Ergebnisse sollen den zuständigen Behörden vertiefende Informationen über den Untersuchungsraum bereitstellen und nützliche Hinweise bei der aktuellen und zukünftigen Bewältigung von Nutzungskonflikten geben.

Problemstellung:

Durch die fast vollständige Abholzung in den letzten Jahrhunderten in der stadtnahen Umgebung von Habana und der hydrogeographischen Situation, dass der Untergrund überwiegend aus wasserdurchlässigen Kalksteinen aufgebaut ist, ergibt sich für die landwirtschaftliche Nutzung der Wasserressourcen eine prekäre Situation. Dies wird durch seltene extreme hydrometeorologische Ereignisse, die in den Sommermonaten und im Herbst auf Cuba ein Charakteristikum darstellen, in verheerender Weise verstärkt. Zu diesen Ereignissen zählen Hurrikane sowie Stark- und Dauerniederschläge.

Wie in vielen Metropolen der Entwicklungsländer, ist das stetige Wachstum der Bevölkerung Habanas mit einer Zunahme des Flächendrucks korreliert, was zukünftig eine Verknappung der für die landwirtschaftliche Produktion zur Verfügung stehenden Fläche erwarten lässt. Die intensive landwirtschaftliche Nutzung zum Zwecke der Ernährungssicherung ist darum dringendes Problem.

Dies verlangt einen optimalen Umgang mit den zur Verfügung stehenden Wasserressourcen ohne die Systemstabilität des Landschaftsraumes zu stören. Deshalb ist die Suche nach ressourcenschonenden und umweltverträglichen Nutzungsformen des Wassers in der Umgebung von Habana, die der Stabilität des Landschaftssystems nicht abträglich sind, notwendig. Die Forderung nach einer intensiven aber auch systemstabilen landwirtschaftlichen Bewirtschaftung des Wassers ist Grundlage für die Erarbeitung eines Leitbildes.

Als Leitbild meiner Untersuchung habe ich die Schaffung bzw. Sicherung eines beständig stabilen Landschaftssystems durch angepasste Nutzungsformen der zur Verfügung stehenden Wasserressourcen gewählt, um die Leistungsfähigkeit des Landschaftshaushaltes als Lebensgrundlage für die Menschen dieses Raumes jetzt und in Zukunft zu erhalten. Das Funktionieren von Landschaftsökosystemen ist auf dem „…organisierten Zusammenwirken der ihnen jeweils angehörenden Lebewesen…“ angewiesen (HABER 1992). Der Mensch hat sich jedoch „…von diesem organisierten Zusammenwirken weitgehend entfernt und deshalb die Fähigkeit einer nachhaltigen Lebensweise verloren…“. (GRABAUM 1996). Deshalb halte ich die Forderung nach systemstabilen Nutzungsformen landschaftlicher Ressourcen für besser geeignet, da die nachhaltige Nutzung dieser Ressourcen praktisch nicht umsetzbar ist.

Die Hauptaufgabe landschaftsökologischer Untersuchungen besteht demnach in der „…Erhaltung oder Wiederherstellung der Stabilität der Ökosysteme in der Landschaft, denn je höher die auf biotische Regulation und Regeneration beruhende Stabilität ist, desto geringer ist der zur Erhaltung des Zustandes und der Nutzungseignung erforderliche gesellschaftliche Aufwand an Arbeit, Energie und Material zur Kompensation von Störungen.“ (BASTIAN & SCHREIBER 1994).

Hinzu kommen Konflikte durch unterschiedliche Wertvorstellungen und Nutzungsansprüche der verschiedenen Nutzergruppen an die jeweiligen Landschaftssysteme, die es zu berücksichtigen gilt. So erfordern die Verhältnisse und Dringlichkeiten Cubas andere Prioritäten als die für die Industrieländer definierten. Steht dort die Schaffung landschaftlicher Ästhetik, das Erholungspotential und der Freizeitwert von Landschaftsräumen im Vordergrund, hat für Cuba die Ernährungssicherung der Bevölkerung absoluten Vorrang.

Inhaltsverzeichnis:

1. Rahmen der Untersuchung 1
2. Problemstellung und Nutzungsleitbild 2
3. Ziele, Aufgabenstellung und Aufbau der Arbeit 4
4. Bearbeitungsebenen und Datenanforderungen 5
5. Steuerbereich: Das hydrologische Einzugsgebiet des Flusses Cojímar 8
5.1 Gewässer und Relief 9
5.2 Klima und Witterung 11
5.3 Gestein und Boden 13
5.4 Vegetation und Landnutzung 14
6. Fokusbereich: Das hydrologische Subeinzugsgebiet des Cacaosees 16
6.1 Geologischer Untergrund, Boden und Relief 16
6.2 Gewässer, aktuelle Vegetation und Landnutzung 17
6.3 Eintrag, Umsatz und Austrag von Wasser und wassergebundenen Stoffen 20
7. Prozessbereich: Wasserdynamik im hydrologischen Subeinzugsgebiet des Cacaosees 22
7.1 Grundlegendes zu Modellen 22
7.1.1 Mathematische hydrologische Modelle 23
7.2 Methodenbeschreibung und Methodendiskussion 25
7.2.1 SCS Curve Number Model (USDA 1986) 25
7.2.1.1 Modellaufbau und Parameterbestimmung 27
7.2.1.2 Allgemeine Wertung der Eignung 27
7.2.2 Kinematic Wave Model (USACE 1979) 29
7.2.2.1 Berechnung des Oberirdischen Abflusses 29
7.2.2.2 Berechnung des Kanalabflusses 30
7.2.2.3 Modellaufbau und Parameterbestimmung 31
7.2.2.4 Allgemeine Wertung der Eignung 32
7.2.3 Level Pool Model (USACE 2000) 33
7.2.3.1 Modellaufbau und Parameterbestimmung 34
7.2.3.2 Allgemeine Wertung der Eignung 34
7.2.4 Steady Flow Analysis (USACE 2002) 34
7.2.4.1 Modellaufbau und Parameterbestimmung 35
7.2.4.2 Allgemeine Wertung der Eignung 36
7.3 Spezielle Datenanforderungen für die eigene Modellbildung 36
7.3.1 Ableitung des digitalen Geländemodells 38
7.3.2 Ableitung der Niederschlagsdaten 38
7.3.3 Ableitung der Abfluss-Kurvennummern 39
7.3.4 Ableitung der Oberflächenrauhigkeitswerte und deren Verteilung 40
7.3.5 Ableitung des Versiegelungsgrades 40
7.3.6 Ableitung des potentiellen Speichervolumens 40
7.4 Datenaufbereitung und eigene Modellanwendung 41
7.4.1 Erstellung des Schemas und der topographischen Parameter 43
7.4.2 Abfluss- und Speichersimulation 44
7.4.3 Erstellung der geometrischen Parameter 45
7.4.4 Hochwassersimulation und Ausweisung hochwassergefährdeter Bereiche 47
7.5 Ergebnisse und Ergebnisdiskussion 47
7.5.1 Abflusssimulation 48
7.5.2 Speichersimulation 52
7.5.3 Flutsimulation 55
7.5.4 Ergebnisdiskussion 59
7.5.4.1 Aussagefähigkeit und –optimierung 60
8. Prozessbereich: Wassergebundene Stoffdynamik im hydrologischen Subeinzugsgebiet des Cacaosees 65
8.1 Eutrophierung in den Tropen 66
8.2 Feld- und Laboranalytik 67
8.2.1 Kartierungen 67
8.2.2 Messungen 68
8.3 Ergebnisse und Ergebnisdiskussion 70
8.3.1 pH-Wert 71
8.3.2 Elektrische Leitfähigkeit 72
8.3.3 Sauerstoff 73
8.3.4 Stickstoff 75
8.3.5 Phosphat 76
8.3.6 Calcium 78
8.3.7 Sulfat 79
8.3.8 Magnesium 80
8.3.9 Eintragsquellen für wassergebundene Stoffe 81
8.3.10 Schlussfolgerungen 85
9. Literaturverzeichnis 87
10. Tabellenanhang 93

Automatisiert erstellter Textauszug:

Das Projekt zur Ausweisung hydrologischer Parameter beinhaltet drei Arbeitsabschnitte. Der erste ermöglicht den Charakter des ausgewiesenen hydrologischen Einzugsgebietes zu modifizieren. In diesem Zusammenhang muss der Wasserauslass lokal definiert werden, um das hydrologische Einzugsgebiet von der Umgebung abzugrenzen. Durch weitere Funktionen wird die Anpassung des definierten Untersuchungsgebietes an die wirklichen Verhältnisse ermöglicht. Im Rahmen der Modellbildung wurden zwei Subeinzugsgebiete zusammengeführt, die durch den angelegten Cacaosee vereinigt werden. Im dem zweiten Arbeitsabschnitt wird die Topologie des zuvor definierten hydrologischen Einzugsgebietes berechnet. Im Bezug auf die Abflussganglinien werden die Attribute Länge, Neigung und Ordnung definiert. Über die definierten Reliefeigenschaften kann das hydrologische Zentrum des Zusammenflusses für die jeweiligen Subeinzugsgebiete lokalisiert werden. Der dritte Arbeitsschritt konvertiert die Ergebnisse für das HEC-HMS. Als Ergebnis werden für das HEC-HMS lesbare Dateien mit dem räumlichen Schema und dem physikalischen Charakter des Einzugsgebietes erstellt. [...]

Abb. 19: Arbeitsalgorithmus 1 Anwendung des GIS-basierenden Programms HEC-GeoHMS zur Erstellung des Schemas und der topographischen Parameter des hydrologischen Einzugsgebietes auf Basis eines DGM´s 2 Abfluss- und Speichersimulation entsprechend der Niederschlagsdaten und den aus dem HEC-GeoHMS importierten topographischen Parameter sowie der gemessenen oder abgeleiteten Parameter der gewählten Berechnungsverfahren mit dem HEC-HMS 3. Anwendung des GIS-basierenden Programms HEC-GeoRAS zur Erstellung der geometrischer Parameter auf Basis eines DGM´s und Landnutzungsinformationen 4. Berechnung von Überschwemmungskörpern mit dem HEC-RAS entsprechend den errechneten Abflusswerten des HEC-HMS und den importierten geometrischen Parameter des HEC-GeoRAS sowie Export der Ergebnisse in ArcView® 3.2 zum Zwecke der grafischen Darstellung mit dem Programm HEC-GeoRAS [...]

Nachdem ich alle notwendigen Parameter (siehe Kap. 7.3) für die Modellanwendung definiert habe, werden folgend die Arbeitsschritte erläutert, die für Modellanwendung notwendig sind. Neben den beschriebenen Modelsystemen des HEC-USACE wird die geographische Informationssystemsoftware (GIS) ArcView® GIS 3.2 des Enviromental System Research Institut (ESRI) sowie die Erweiterungswerkzeuge 3D Analyst (ESRI) und Spatial Analyst (ESRI) benötigt, welche die digitalen räumlichen Daten für die Verwendung des HEC-HMS und HEC-RAS vorbereiten und nachbearbeiten. Die GIS-basierende Anwendungen HECGeoHMS und HEC-GeoRAS übernehmen in ArcView (ESRI) parameterbildende Aufgaben und dienen im Arbeitsalgorithmus (siehe Abb. 19) als Konverter zwischen den unterschiedlich strukturierten Programmen des USACE und des ESRI. In diesem Zusammenhang möchte ich auf den zeitlichen Aufwand hinweisen, der zur Einarbeitung in den Gebrauch der Modellsysteme notwendig ist, um mit Modellen dieser Komplexität fehlerfreie Berechnungen zu erzielen. [...]

Arbeit zitieren:
Hölzel, Herwig April 2004: Wasserdynamik und wassergebundene Stoffdynamik in einem landwirtschaftlich intensiv genutzten hydrologischen Kleineinzugsgebiet am Rande der tropischen Metropole Habana (Cuba), Hamburg: Diplomica Verlag

Schlagworte:
Landschaftsökologie, Abflußmodellierung, Hochwasserschutz, Wasserqualität, Erosion

Entdecken Sie mehr zum Thema

diplom.de
Bachelor + Master Publishing

Hermannstal 119 k
22119 Hamburg

Fon: +49 (0) 40 655992-0
Fax: +49 (0) 40 655992-22

Service-Telefon

Rufen Sie uns an:
+49 (0) 40 655992-0

Mo-Fr
09.00-16.00 Uhr

diplom.de in den Medien

Folgen Sie uns bei Twitter & werden Sie diplom.de-Fan bei Facebook!
Schreibtipps unserer Lektoren, Neuigkeiten aus dem Verlagsalltag und das Expertenwissen unserer Autoren als Tweet & Post!
Wir freuen uns auf Sie!

diplom.de BACHELOR + MASTER PUBLISHING

Bachelorarbeiten, Masterarbeiten, Diplomarbeiten, Magisterarbeiten, Dissertationen und andere Abschlussarbeiten aus allen Fachbereichen und Hochschulen können Sie bei uns als eBook sofort per Download beziehen oder sich auf CD oder als Buch zusenden lassen. Seit mehr als 15 Jahren ist diplom.de der seriöse, professionelle und erfolgreiche Partner für die Veröffentlichung wissenschaftlicher Abschlussarbeiten.

© Diplomica Verlag GmbH 1996-2011, AG Hamburg HRB 80293 - GF Björn Bedey, USt-IdNr.: DE214910002 - Verkehrsnummer: 12285 - Impressum
Index der Arbeiten - Index der Autoren