GIS-Unterst tzung f r die Modellierung des Oberfl chenabflusses

1. 1 GIS-Unterst�tzung f�r die Modellierung des Oberfl�chenabflusses Josef F�rst

2. 2 Lernziele In diesem Kapitel werden folgende Kenntnisse vermittelt: �berblick �ber den aktuellen Stand der Unterst�tzung von Niederschlag-Abflussmodellen durch GIS, Verst�ndnis f�r den Zusammenhang zwischen Modell-Typen und GIS-Unterst�tzung, �berblick �ber die Probleme der Kopplung von GIS und Abflussmodellen.

3. 3 Gliederung Einleitung Modellstruktur und GIS-Unterst�tzung GIS und r�umlich aggregierte Modelle zur Hochwasservorhersage GIS und halbverteilte Modelle f�r die gro�r�umige Einzugsgebietsmodellierung GIS Unterst�tzung f�r verteilte Niederschlag-Abflussmodelle Das TOPMODEL-Konzept Erosion und Sedimenttransport Zusammenfassung

4. 4 Einleitung Zeitliche und r�umliche Variabilit�t infolge zeitlicher und r�umlicher Verteilung des Niederschlages und r�umlich, teilweise auch zeitlich, variablen abflussbestimmenden Eigenschaften Physikalisch interpretierbare Parameter in konzeptionellen Modellen

5. 5 Einleitung Physikalisch basierte Modelle, prozessorientiert Problem: Aufl�sung

6. 6 Modellstruktur und GIS-Unterst�tzung Ber�cksichtigung von Unsicherheiten durch Monte Carlo-Simulationen GIS-Unterst�tzung von Abflussmodellen: GIS und r�umlich aggregierte Modelle zur Hochwasservorhersage, GIS und halb-verteilte (semi-distributed) Modelle f�r die gro�r�umige Einzugsgebietsmodellierung, GIS-Unterst�tzung verteilter, prozessorientierter Abflussmodelle

7. 7 GIS und r�umlich aggregierte Modelle zur Hochwasservorhersage r�umliche Variationen des Niederschlags, des Abflusses und anderer abflussrelevanter Prozesse ignoriert; nur r�umlich � wie auch immer � gemittelte Inputs, Outputs und Parameter verwendet Beispiel eines r�umlich aggregierten Abflussmodells: Einheitsganglinienverfahren Einheitsganglinie ist die Ganglinie des direkten (Hochwasser)Abflusses, die aus dem konstanten Gebietsniederschlag der H�he 1 f�r eine bestimmte Dauer resultiert. Annahme eines zeitinvarianten, linearen Verhaltens des Einzugsgebietes Klassisch: Blackbox (Input � Output) GIS: Sch�tzung aus Einzugsgebietsinformationen

8. 8 Geomorphologische momentane Einheitsganglinie Rodriguez-Iturbe (1969): basiert auf zweidimensional ebener Beschreibung der Topologie des Gew�ssernetzes. Der Plan des Gew�ssernetzes ist Ergebnis des gebietstypischen Abflussverhaltens

9. 9 Geomorphologische momentane Einheitsganglinie Rodriguez-Iturbe (1969): basiert auf zweidimensional ebener Beschreibung der Topologie des Gew�ssernetzes. Der Plan des Gew�ssernetzes ist Ergebnis des gebietstypischen Abflussverhaltens momentane Einheitsganglinie IUH als Funktion der Horton�schen Zahlen RA, RB und RL, eines internen Ma�stabsfaktors LO und der mittleren Flie�geschwindigkeit v im Gew�sser

10. 10 R�umlich verteilte Einheitsganglinie Maidment (1993): Ordinate der Einheitsganglinie zur Zeit t ist die Steigung des Zeit-Fl�chendiagramms im Intervall [t-Dt, t]

11. 11 R�umlich verteilte Einheitsganglinie Maidment (1993): Ordinate der Einheitsganglinie zur Zeit t ist die Steigung des Zeit-Fl�chendiagramms im Intervall [t-Dt, t] Ermittlung des Zeit-Fl�chendiagramms im GIS Flie�richtungen und zugeh�riges Entw�sserungsnetz Flie�geschwindigkeit in jeder Rasterzelle aus Karten der Rauhigkeit und des Gef�lles z. B. �ber die Manning-Strickler-Formel Sind Flie�geschwindigkeit und Flie�weg bekannt, f�r jeden Punkt die Flie�zeit zum Gebietsauslass berechnen

12. 12 R�umlich verteilte Einheitsganglinie ZFD in ArcView 3: Bereinigtes DHM, Rauhigkeiten ? Gef�lle, Flie�richtung ? Geschwindigkeit ? FlowLength (AVENUE) ? Isochronenkarte ? Histogramm = ZFD

13. 13 GIS und halbverteilte Modelle f�r die Einzugsgebietsmodellierung Mittelweg zwischen fl�chenaggregierten und verteilten Modellen. Ziel: wichtigste physikalische Gesetzm��igkeiten ber�cksichtigen und gleichzeitig die einfache Handhabung gew�hrleisten Beispiel: COSERO (IWHW) Konzeptionelles Bodenspeichermodell

14. 14 COSERO r�umliche Diskretisierung eines Einzugsgebietes

15. 15 COSERO GIS-Unterst�tzung Erfassung und Verwaltung der raumbezogenen Information Abgrenzung von hydrologisch �hnlichen Gebieten (HRU) benutzerfreundliche Variante von COSERO in MMS (Modular Modeling System) und GIS Weasel

16. 16 GIS Unterst�tzung f�r verteilte Niederschlag-Abflussmodelle Abflussentstehung und Wellenablauf unter Verwendung der Prinzipien der Erhaltung von Masse, Impuls und Energie

17. 17 GIS Unterst�tzung f�r verteilte Niederschlag-Abflussmodelle bei ausreichender r�umlicher Aufl�sung und Genauigkeit der Parameter, theoretisch keine Kalibrierung ? aber Einschr�nkungen: Inhomogenit�ten innerhalb einer Berechnungs-Rasterzelle ? vereinfachte Beschreibung der Prozesse Mangelhafte theoretische Grundlagen f�r die Integration von Inhomogenit�ten innerhalb Modellraster Praktische Einschr�nkungen in den numerischen L�sungsmethoden und Probleme der Dimensionalit�t bei der Parametersch�tzung

18. 18 Abflussmechanismen Horton�scher Oberfl�chenabfluss (infiltration excess) Verz�gerter Horton�scher Abfluss Ges�ttigter Oberfl�chenabfluss (saturation excess) Oberfl�chenabfluss infolge S�ttigung des Oberbodens

19. 19 Oberfl�chenabfluss N�herungsweise eindimensionale Betrachtung

20. 20 Abflussbestimmende Hangeigenschaften Gef�lle, L�nge und Gestalt des Hanges, Exposition zu den ma�geblichen, Regen bringenden Winden Bodeneigenschaften, Rauhigkeit, Vegetation, Niederschlagsintensit�t und Infiltrationscharakteristik Gef�lle: viele Algorithmen ArcInfo GRID: Methode von Horn � 3x3 lineares Filter, reziproker Wert des Quadrates des Abstands Hangl�nge Einfach: als Distanz zum Gew�sser ermittelt TAPES: Stromlinien

21. 21 Abflussbestimmende Hangeigenschaften Exposition Direkt im GIS (Richtung der Flie�richtungsvektoren) Hangform

22. 22 Das TOPMODEL-Konzept TOPMODEL (a TOPography based hydrological MODEL), mehr als 20 Jahre altes Modellkonzept, mit einer einfach anzuwendenden Modellstruktur, auf Basis eines DHM hybrides Konzept, einerseits hochaufl�sendes DHM verwendet, andererseits Abflussprozess konzeptionell als Antwortfunktion des Einzugsgebietes Topographischer Index ln(a/tanb) Oberliegerfl�che a ist ein Ma� f�r die topographisch bestimmte Konzentration des Abflusses zum Pixel i Teile des Einzugsgebietes, die einen �hnlichen topographischen Index aufweisen, hydrologisch �hnlich sorgf�ltig vorbearbeitetes DHM, Aufl�sung maximal 50 m, frei von lokalen Senken und D�mmen

23. 23 Das TOPMODEL-Konzept Schwierige Modellkalibrierung

24. 24 Erosion und Sedimenttransport wenn Bodenmaterial rascher abgetragen wird als die nat�rliche Bodenbildung stattfindet beschleunigte Bodenerosion durch eine Reihe anthropogener Eingriffe Bodenverlust ? Verlust von N�hrstoffen, Verminderung des landwirtschaftlichen Nutzwertes, verminderter Hangstabilit�t, verst�rkte Gefahr von Murabg�ngen und Hangrutschungen Sedimentation ? Eutrophierung, toxische Belastung, Speicherverlandung, Sohlverdichtung, ...

25. 25 Erosion und Sedimenttransport Universal Soil Loss Equation, USLE: j�hrliche Fl�chen- und Rillenerosion f�r einen Hang, abh�ngig von Erosivit�t des Niederschlags Erodierbarkeit des Bodens Hangl�nge Hangneigung Bodenbedeckung und -bewirtschaftung Schutzma�nahmen GIS Unterst�tzung Aufbereitung fl�chenhafter Daten (Interpolation, Regionalisierung, Klassifikation) Ableitung repr�sentativer Werte f�r aggregierte Modelle (fl�chengewichtete Mittelung, Fl�chenstatistiken, ...) Darstellung und Interpretation von Modellergebnissen

26. 26 Beispiel: Fl�chenhafter Bodenabtrag durch Wasser (HA� Karte 8.4)

27. 27 Beispiel: Erosionsmodellierung mit KINEROS ereignisbasiertes, physikalisch fundiertes Modell, das die Prozesse der Interzeption, der Infiltration, des Oberfl�chenabflusses und der Erosion von kleinen landwirtschaftlichen und st�dtischen Einzugsgebieten beschreibt parzielle Differenzialgleichungen f�r Oberfl�chenabfluss, Gerinneabfluss, Erosion und den Sedimenttransport durch FD-Verfahren gel�st r�umliche Ver�nderung des Niederschlags, der Infiltration, des Abflusses und der Erosionsparameter

28. 28 Charakteristik von Kineros eindimensionale kinematische Gleichungen zur Berechnung des Abflusses von ebenen, rechteckigen Teilfl�chen, in offenen Trapezgerinnen, durch kreisf�rmige Rohrdurchl�sse und in kleinen R�ckhaltebecken

29. 29 Charakteristik von Kineros Infiltration ist dynamisch, abh�ngig vom Niederschlag und Oberfl�chenabfluss

30. 30 GIS-Unterst�tzung

31. 31 Zusammenfassung Art und der Grad der GIS-Unterst�tzung in engem Zusammenhang mit der Modellstruktur: Erfassung, Verwaltung und Darstellung der raumbezogenen Eingangsdaten und Modellergebnisse. Sch�tzung physikalisch basierter Modellparameter f�r fl�chenaggregierte Modelle Halbverteilte Modellkonzepte k�nnen zus�tzlich die GIS-Funktionen zur karten�bergreifenden Klassifikation und Identifikation hydrologisch �hnlicher Gebiete nutzen. Bei verteilten Modellkonzepten besteht die GIS-Unterst�tzung vor allem in der Erfassung und Aufbereitung (Interpolation) der Eingangsdaten und Parameter sowie in der Darstellung der Ergebnisse des Modells