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Hydrologie und Wasserwirtschaft (Subject) / Klimawandel (Lesson)

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• Definiere „Wetter“! - Als „Wetter“ wird der physikalische Zustand der Atmosphäre zu einem bestimmten Zeitpunkt oder in einem auch kürzeren Zeitraum an einem bestimmten Ort oder in einem Gebiet bezeichnet, wie er durch die meteorologischen Elemente und ihr Zusammenwirken gekennzeichnet ist. 1) Das kurzzeitige Zusammenwirken von Lufttemperatur, -druck, -feuchtigkeit, Niederschlag, Bewölkung und Wind nehmen wir als Wetter wahr. Es kann sich mehrmals täglich ändern. 2) Beim Wetter handelt es sich um eine Beschreibung des momentanen Zustands.
• Definiere „Witterung“! - Als Witterung wird der allgemeine, durchschnittliche oder auch vorherrschende Charakter des Wetterablaufs eines bestimmten Zeitraums bezeichnet. - Witterung fasst den Wetterablauf von mehreren Tagen oder Wochen, selten auch Monaten zusammen. - Dabei werden typische Witterungstypen oder auch -verläufe unterschieden, wobei die Charakteristik durch die jeweils vorherrschende Wetterlage bestimmt wird.
• Definiere „Klima“! - Das Klima ist definiert als die Zusammenfassung der Wettererscheinungen, die den mittleren Zustand der Atmosphäre an einem bestimmten Ort oder in einem mehr oder weniger großen Gebiet charakterisieren. 1) Als Klima bezeichnet man schließlich den typischen Verlauf des Wetters an einem Ort über einen längeren Zeitraum hinweg. Das Klima beschreibt also das Durchschnittswetter eines Orts. 2) Es wird repräsentiert durch die statistischen Gesamteigenschaften über einen genügend langen Zeitraum. Im allgemeinen wird ein Zeitraum von 30 Jahrenzugrunde gelegt, die sog. Normalperiode.
• Unterscheide „Klimamodell“ und das „Wettervorhersagemodell“ bei der Klimamodellierung! - Klimamodell => Ziel ist eine Simulation des zukünftigen Klimazustandes auf der Basis von festgelegten Treibhausgaskonzentrationen => startet mit simuliertem Gegenwartsklima => rechnet weit in die Zukunft mit vorgeschriebenem CO2-Gehalt => wichtig ist nicht das ‘Wetter’, nur die mittleren Zustände (mehrjährige Mittelwerte, Standardabweichung, Häufigkeitsverteilungen, … => Klima) => Verifizierung durch Simulation vergangenen Klimas - Wettervorhersagemodell => Ziel ist realistische Prognose der Wetterparameter auf der Basis des Ist-Zustandes => startet mit weltweiten Beobachtungen (Boden, Atmosphäre) => rechnet ohne weiteren Input in die Zukunft => Vorhersage ca. 3 Tage gut,  > 2 Wochen nicht möglich => Verifizierung täglich möglich
• Was sind Unterschiede zwischen dynamischen und statistischen Klimamodellen? - Dynamische Regionale Klimamodelle: => Berechnen die physikalischen Prozesse der Atmosphäre => Betrachten einen Ausschnitt der Atmosphäre und verwenden an den Rändern des Simulationsgebietes Antriebsdaten des globalen Klimamodells (Wind, Luftfeuchte, Druck, Temperatur) → „Nesting“ oder „Dynamisches Downscaling“ => Rasterbasierte Ergebnisse - Statistisch-empirische Modelle => Annahme: globale Klimamodelle sind in der Lage, das Klima großräumig in hinreichender Qualität zu beschreiben => Es werden die statistischen Beziehungen zwischen großräumigen Mustern / Wetterlagen und den lokalen Auswirkungen identifiziert => Aus der Vergangenheit gewonnene statistische Beziehungen werden auf die Vorausrechnungen der globalen Modelle angewandt => Ergebnisse werden auf vorhandene Klimastationen bezogen
• Was versteht man unter Starkregen? Regen, der im Verhältnis zu seiner Dauer eine hohe Niederschlagsintensität hat und daher selten auftritt (zweimal jährlich oder seltener)“
• Definiere „Rohwasser“, „Reinwasser“ und „Trinkwasser“! - Als Rohwasser wird Wasser bezeichnet, das einem Gewässer oder dem Grundwasser entnommen worden ist, um dieses in einem Wasserwerk zu Reinwasser aufzubereiten. - Reinwasserist entsprechend der vorgesehenen Nutzung (Trinkwasser, Betriebswasser, Prozesswasser) aufbereitetes Rohwasser. - Im Sinne der Trinkwasserverordnung ist Trinkwasser1) alles Wasser, im ursprünglichen Zustand oder nach Aufbereitung, das => zum Verzehrbestimmt ist: Trinken, Kochen, Zubereitung von Speisen und Getränken => für häusliche Zwecke bestimmt ist: Körperpflege und –reinigungsowie die Reinigung von Gegenständen, die mit Lebensmitteln in Berührung kommen und die nicht nur vorübergehend mit dem menschlichen Körper in Kontakt kommen => in einem Lebensmittelbetriebfür die Herstellung, Behandlung und Konservierung verwendet wird
• Was sagt die Trinkwasserqualität aus? - Trinkwasser muss den Ansprüchen der Deutschen Trinkwasserverordnung gerecht werden, die auf der Trinkwasser –Richtlinie der Europäischen Union basiert => Trinkwasser muss so beschaffen sein, dass durch seinen Genuss oder Gebrauch eine Schädigung der menschlichen Gesundheit insbesondere  durch  Krankheitserreger nicht zu besorgen ist. Es muss rein und genusstauglich sein… => In der Trinkwasserverordnung sind für 48 Parameter Grenzwerte gegeben
• Was sind Anforderungen an das Trinkwasser? - Trinkwasser muss frei von Krankheitserregern sein, darf keine gesundheitsschädlichen Stoffe enthalten und muss keimarmsein - Trinkwasser soll zum Genuss anregen, es soll daher klar, kühl und geruchslos sein und gut schmecken - Der Gehalt an gelösten Stoffen soll so geringwie möglich sein => Grenzwerte finden sich in der Trinkwasserverordnung - Trinkwasser und die mit ihm in Berührung kommenden Werkstoffe sollen so aufeinander abgestimmt sein, dass keine Korrosion entsteht - Es soll in genügender Menge und mit ausreichendem Druck verfügbar sein
• Was sind die Aufgaben der Wasserversorgung? - Versorgung der Menschen mit dem unverzichtbaren Lebensmittel Trinkwasser => Ressourcenschutz und Bewirtschaftung => Wassergewinnung => Wasseraufbereitung => Wasserspeicherung => Wasserverteilung - Wasserversorgung wird als Daseinsvorsorgegesehen für die die Gemeinden verantwortlichsind und über deren Gestaltung sie im Rahmen der geltenden Gesetze frei entscheiden können. - Aufteilung der Aufgaben zwischen => Staat (Bund und Länder) => Gemeinden => Wasserversorgungsunternehmen
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• Was ist virtuelles Wasser? - Virtuelles Wasser gibt an, wie viel Wasser für die Herstellung eines Produktes benötigt wird => Wachstum der Pflanzen => Erzeugung tierischer Produkte => Herstellung von Industrieprodukten => Reinigung des durch die Produktion verunreinigten Wassers - Dieses Wasser wird virtuell genannt, weil es in dem Endprodukt nicht mehr enthalten ist. - Es stammt aus Regenwasser, Oberflächenwasser oder Grundwasser
• Was sagen die drei Schutzzonen der Wasserschutzgebiete aus? - Schutzzone I: => Entspricht dem Fassungsbereich des Brunnens und von Anlagen zur künstlichen Grundwasseranreicherung => Umkreis von 10 m um Brunnen => Jegliche Verunreinigungen und Beeinträchtigungen der Wassergewinnungsanlage sind zu vermeiden => Es sind nur Tätigkeiten zulässig, die unmittelbar der Trinkwassergewinnung dienen   - Schutzzone II: => Diese Zone muss vor Verunreinigungen geschützt werden, die durch das Reinigungsvermögen des Untergrundes bis zur Fassungsanlage (Brunnen) nicht zu beseitigen sind => Die Zone II reicht bis zu einer Linie, von der aus das genutzte Grundwasser noch mindestens 50 Tage bis zur Wasserfassung fließt => Eine Entfernung von 100 m sollte nicht unterschritten werden => Das Grundwasser soll vor Verunreinigungen durch krankheitserregende Mikroorganismen (z. B. Bakterien, Parasiten) und sonstigen Beeinträchtigungen geschütztwerden => Es sind jegliche Bodeneingriffe und der Bau von Abwasserkanälen verboten => Es sind Erweiterungen von baulichen Anlagen, der Transport wassergefährdender oder radioaktiver Stoffe sowie eine intensive landwirtschaftliche oder gartenbauliche Nutzungen (z. B. Aufbringen von Jauche und Gülle) verboten - Schutzzone III: => Reicht von der Grenze der Zone II bis zur Grenze des unterirdischen Einzugsgebietesder Wasserversorgungsanlage => Bei großen Einzugsgebieten (Entfernung von mehr als 2 km zur Anlage) ist eine Unterteilung in Teilzonen III A und III B möglich => Das Grundwasser soll vor weitreichenden Beeinträchtigungen, insbesondere vor nicht oder schwer abbaubaren chemischen und vor radioaktiven Verunreinigungen geschützt werden => Es gilt ein Verbot für die Lagerung und Verwendung wassergefährdender Stoffe, die Lagerung und Behandlung von Abfall sowie den Neubau von z. B. Industrieanlagen, Tanklagern und Kläranlagen
• Unterscheide Vertikal- und Horizontalfilterbrunnen! Vertikalfilterbrunnen - In der Regel verwendete Brunnenart - Erschließung eines oder mehrerer Grundwasserleiter - Durch eine lotrechte Bohrung können in mehreren Tiefen verschiedene Wasser führende Schichten (Grundwasserleiter) erschlossen werden. - Durch den Ausbau der Bohrung mit Filterrohren und Vollrohren kann Wasser aus den gewünschten Schichten entnommen werden. Horizontalfilterbrunnen - Für niedrige Durchlässigkeiten und geringe Mächtigkeiten des Grundwasserleiters geeignet - Es können gegenüber dem Vertikalfilterbrunnen größere Wassermengen gefördert werden - Hohe Kosten
• Was sind Risiken der Flusswassergewinnung? - Flusswasser ist starken Belastungen ausgesetzt: => Wechselnde Wasserführung (Niedrig-und Hochwasser) => Wechselnde Wasserqualität (chemisch, biologisch, physikalisch) => Abschwemmungen von Oberflächenwasser (städtischer und ländlicher Raum) => Vorfluter für Abwasserleitungen - Deshalb überwiegend indirekte Wassergewinnung als Uferfiltrat oder über Grundwasseranreicherung mit aufbereitetem Flusswasser
• Was bedeutet „Uferfiltrat“? - Wasser, das über ufernaheBrunnen (Brunnenreihe) nach einer Bodenpassage aus einem Gewässer entnommen wird - Während der Bodenpassagewird das Wasser filtriert, biologisch gereinigt und die Wassertemperatur reguliert - Mischungvon Oberflächenwasser und echtem, über versickernde Niederschläge neu gebildetem Grundwasser
• Was bedeutet Grundwasseranreicherung? - Dass man Oberflächenwassergewinnt - In einigen Fällen einer ersten Aufbereitungsstufe(Vorreinigung) zuführt - Anschließend über Schluckbrunnenoder Versickerungsbeckenin das Grundwasser einbringt - Vermehrung des Wasserdargebotes durch eine künstliche Grundwasserneubildung
• Was ist der Nutzen der Grundwasseranreicherung? - Zur Vergrößerungdes nutzbaren Grundwasserdargebotsbei gleichzeitiger qualitativer Verbesserung des durch die Untergrundphase aufbereiteten Anreicherungswassers - Zur Hebung eines (wegen Übernutzung) absinkenden Grundwasserspiegels - Als hydraulische Sperregegen Zufluss von Wasser ungeeigneter Beschaffenheit, z. B. Meerwasser an der Küste, verunreinigtes Grundwasser aus Altlasten oder Unfällen mit wassergefährdenden Stoffen - Zur hydraulischen Sanierung eines verunreinigten Grundwasserleiters: durch gezieltes Einbringen und Entnehmen von Wasser erfolgt eine Ausspülung und es werden ggf. bestimmte biologische und chemische Wirkungen ausgelöst
• Was sind Effekte der Grundwasseranreicherung? - Abscheidung partikulärer Wasserinhaltsstoffe durch mechanische Filtration - Biologischer Abbau organischer Wasserinhaltsstoffe, besonders im oberen Bereich der Infiltrations-oder Versickerungsstrecke, begünstigt durch Adsorptionsvorgänge - Chemisch-physikalische Reaktionen mit den Filtermaterialien der Infiltrationsanlage und den durchströmten Sedimenten des Grundwasserleiters - Rückhaltung und Eliminierung von Mikroorganismen (Bakterien, Viren, Parasiten) - Temperaturausgleich–saisonale Temperaturschwankungen im Anreicherungswasser werden im Untergrund gedämpft
• Unterscheide die drei Quellenarten! - Schichtquellen: Die Grundwassersohle eines Grundwasserleiters tritt an die freie Oberfläche - Stauquellen: Der Grundwasserleiter trifft auf eine undurchlässige (Stau-) Schicht und tritt dort an die Oberfläche - Überlauf-oder Verengungsquelle: Durch Einschnürung des Grundwasserleiters wird das Grundwasser aufgestaut und tritt dadurch an die Oberfläche
• Definiere „Wasseraufbereitung“! - Mit dem Begriff „Wasseraufbereitung“ werden gezielte technische Maßnahmen zur Anpassung der Beschaffenheit eines Wassers an die Anforderungen an Trinkwasserund zur Anpassung an Trinkwasserbeschaffenheit an technische Erfordernisse der Trinkwasserverteilungund Trinkwasserverwendung bezeichnet
• Was sind Grundlegende Randbedingungen bei der Wasseraufbereitung?  - Zur Wasseraufbereitung muss immer Energieaufgewendet werden  Häufig müssen zudem Aufbereitungsstoffeeingesetzt werden - Dabei fallen Rückständean, die entsorgt werden müssen - Oder es können Nebenprodukte(z. B. Kalk) erzeugt werden, die weiter verwendet / verkauft werden können - Analogie zur Abwasserreinigung (Klärschlamm)
• Was sind allgemeine Ziele der Wasseraufbereitung? - Die Gründe für die Wasseraufbereitung liegen => primär in der Aufrechterhaltung der menschlichen Gesundheit => aber auch in der Sicherstellung / Aufrechterhaltung eines funktionierenden und langlebigen Wasserversorgungsnetzes - Um das Aufbereitungsziel zu erreichen, müssen häufig mehrere Verfahren/ Module der Wasseraufbereitung kombiniertwerden - Es gibt kein allgemeingültiges Verfahrensschema - Die Kombination der unterschiedlichen Module hängt in erster Linie von der Qualität der Rohwasserquelle, den regionalen Randbedingungen und den anthropogenen Einflüssen ab - Schaffung eines Multi-Barrieren-Systems
• Was sind Ziele der Wasseraufbereitung hinsichtlich der Anforderungen durch den Menschen? bereitgestelltes Trinkwasser … - orientiert sich an der Beschaffenheit eines natürlich reinen Grundwassers - kann lebenslang getrunken werden, ohne gesundheitliche Beeinträchtigungen hervorzurufen - muss frei von Krankheitserregern, genusstauglich und rein sein - enthält ungefährliche Gehalte an gesundheitsrelevanten, chemischen Stoffen - enthält verunreinigende Stoffe nur im technisch unvermeidbaren Maß - Restgehalte müssen unterhalb der Grenzwerte der Trinkwasserverordnung liegen
• Was sind Ziele der Wasseraufbereitung hinsichtlich der Anforderungen durch das Wasserversorgungssystem? Verfahren der Trinkwasseraufbereitung sollen - hohe Volumenströme erlauben und trotz schwankender Rohwasserqualitäten und Volumenströme einfach und betriebssicher arbeiten - eine hohe Wasserqualität bei möglichst wenig Rückständen und Nebenprodukten sicherstellen - einen sozialverträglichen Wasserpreis ermöglichen => hoher Wirkungsgrad der Verfahren, um mit geringem Aufwand das Aufbereitungsziel zu erreichen => automatisierbare Aufbereitungsprozesse mit geringem Personaleinsatz => geringe Investitions-und Betriebskosten - negative Auswirkungen (z. B. Korrosion) auf das Wasserversorgungsnetzreduzieren bzw. verhindern
• Erläutere die Notwendigkeit von Oberflächengewässer / Quellwasser und Flusswasser hinsichtlich der Aufbereitung! - Oberflächenwasser / Quellwasser … => hier ist stets mit Vorhandensein von Krankheitserregern zu rechnen => Desinfektion (mit vorheriger Partikelabtrennung) ist zwingend erforderlich => bei stehenden Gewässern (z. B. Seen, Talsperren) ist wegen möglicher Massenentwicklungvon Algen oft eine mehrstufige Aufbereitung nötig - Flusswasser … => ist stets als mit Krankheitserregern und anthropogenen Stoffen zu bewerten (mit stark schwankenden Konzentrationen) => Wasseraufbereitung hat sich auf Störfälle mit kurzzeitig massiven Kontaminationen einzustellen
• Erläutere die unterschiedlichen Filtrationsverfahren! Schnellfiltration / Verfahrensbeschreibung - Für die Schnellfiltration ist für eine ausreichende Entfernung hygienisch relevanter Partikel eine vorgeschaltete Flockung unabdingbar - Schnellfilter werden mit vergleichsweise großen Filtergeschwindigkeiten betrieben (vF = 3 –15 (30) m/h) - Abtrennung erfolgt in den Porenräumen des Filtermediums (Tiefenfiltration) - Reinigung des Filters erfolgt durch Spülung mit Wasser (und ggf. Luft) entgegengesetzt zur Filtrationsrichtung   Langsamfiltration - Es werden nicht spülbareFilter mit großen Oberflächen und geringen Filtergeschwindigkeiten (vf ≤ 15 m/d) verwendet - Filtermedium besteht aus natürlichem Sand - Gegenüber Versickerungsbecken wird bei Langsamfilterndas Filtrat gesammelt und kontrolliert abgeleitet - Abtrennung erfolgt hauptsächlich in der oberen, biologisch aktiven Schicht des Filtermediums (Oberflächenfiltration) - Reinigung des Filters erfolgt durch Abtrag und externer Aufbereitung der obersten Sandschicht   Membranfiltration - Das Filtermedium ist eine Membran (MF/UF: „porös“, NF/UO: „dicht“) => „porös / dicht“ hinsichtlich der mikroskopisch erkennbaren Poren - Unter Membranenversteht man flächige, teildurchlässige Strukturen, die für zumindest eine Komponente eines sie berührenden Fluids(Flüssigkeit oder Gas) permeabel, für andere hingegen undurchlässig sind - Beim Durchtritt von Wasser durch die Membran werden Partikel (bei MF/UF) oder gelöste Stoffe (bei NF/UO) in den Membranporen festgehalten - Es handelt sich um eine selektive Barriere zwischen zwei verschiedenen Phasen
• Was sagt die Partikelentfernung aus? - Partikel sind ungelöste, feste Wasserinhaltsstoffe - Aus hygienischen Gründen sind Partikel unerwünscht, da es sich um Krankheitserreger oder andere Mikroorganismen handeln kann - Mikroorganismen, Krankheitserreger und chemische Schadstoffekönnen aber auch an Partikel gebundenoder in diese eingeschlossen sein - Partikel können Nährstoffquellenfür Mikroorganismen darstellen und so zu Wiederverkeimungenim Wasserverteilungsnetz führen - Partikel verminderndie Desinfektionswirksamkeitvon UV-Strahlen sowie von chemischen Desinfektionsmitteln => Bei der Aufbereitung von Oberflächenwasser ohne Untergrundpassage ist vor der Desinfektion immer eine Partikeleliminierung erforderlich
• Wie funktioniert das Mülheimer Verfahren bei der Wasseraufbereitung? - Rohwasser: Oberflächenwasser der Ruhr - Einleitung in Versickerungsbecken => Einleitung des Rohwassers über eine Filtersandschicht in den Untergrund => Verbleib des Wassers in der Untergrundpassage: 3 –7 Tage => Rückhalt von Schmutzpartikeln auf der Oberfläche der Versickerungsbecken => Erste biologische Reinigungsprozesse (Abbau verschiedener Wasserinhaltsstoffe) im Filtersand und im Untergrund - Transport des Wassers mittels Vakuum über Sammelstollen und Heberbrunnenin Sammelbrunnen - Sammelbrunnen dienen Zwischenspeicher für die Wasseraufbereitung - Ozonung: => Ozon (O3) gilt als starkes Oxidationsmittel => Bakterien, Viren und Parasiten werden abgetötet => Organische Verbindungen, Eisen und Mangan werden durch Ozon so verändert, dass sie in den nachfolgenden Filteranlagen besser abgebaut oder abgetrennt werden können => Gleichmäßige Verteilung des Ozons in den Begasungskammern durch Diffusor - Filteranlagen: => Zwei übereinander gebaute Filtereinheiten => oben: Mehrschichtfilter => unten: Aktivkohlefilter - Mehrschichtfilter: => Kohleschicht baut Restozonvollständig ab => Eisen und Mangan werden auf Sand-und Kiesschichten zurückgehalten => Mikroorganismen bauen in den Filtern Ammonium und org. Verbindungen ab  Aktivkohlefilter => Weiterer biologischer Abbau durch Mikroorganismen, die sich auf der Aktivkohle ansiedeln => Bindung biologisch nicht abbaubarer Stoffe (Spurenstoffe wie Pflanzenschutz-und Arzneimittel) an der Oberfläche - Sicherheitsstufe: UV –Desinfektion => Sicherstellung der mikrobiologisch einwandfreien Beschaffenheit des Trinkwassers - Wasserspeicherung und Wassertransport: => Tagesbehälter (im Wasserwerk) => Trinkwasserförderpumpen => Rohrnetz / Wasserbehälter => Verbraucher

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