Gliederung - unibw.de · Molnar Zusammenfassung • Bei der hydrologischen / hydraulischen Modellierungen nehmen raumbezogene Daten eine wesentliche Rolle ein • Diese Daten bilden

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9. Seminar GIS & Internet vom 13. bis 15. September 2006 – UniBwMünchen Dr. techn. habil. Molnar

GIS-Anwendungen in der hydrologischen Modellierung von Hochwasserereignissen


Gliederung

• HORIX-Projekt• Modellsystem ASGi• Erforderliche Daten, Datenbedarf• Verwendete raumbezogene Daten, Input-Output• Werkzeuge zur Unterstützung des Modellsystems• Einbettung des hydrologischen Modellsystems in GIS• Darstellung der Ergebnisse der Modellierung mit dem

UMN-MapServer• Zusammenfassung, Ausblick

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Das HORIX-ProjektMeteorologie Hydrologie Hydraulik

Vorhersage- kette

Lokalmodell (DWD)

N-A-Modell Hydraulisches Modell

Analyse der

Unsicherheit

Gebietsspezifische Analyse hochwasserauslösender

Wetterlagen

• Sensitivitätsanalyse • Ausweisung hw-relevanter

Parameter, -bereiche

Stochastisch erweitertes N-A-Modell [ EXM, sxM, r(M,P) ] n

Unsicherheits- bestimmung

Monte Carlo Simulation zur Bestimmung der Gesamtunsicherheit

EXQ, sxQEXW, sxW

EXA, sxA

Operationelles System

Regelbasiertes Expertensystem Input: aktuelle und prognostizierte meteorologische Situation, Gebiets- und Abflusszustand

Output: Vorhersage von W und Q an ausgewählten Pegeln inkl. Unsicherheit, Überschwemmungskarten

EX . Erwartungswert P ... Niederschlag sx .. Standardabweichung Q ... Abfluss r ... Korrelation W ... Wasserstand M .. hochwasserrelevante Parameter des N-A-Modells A ... Überflutungsfläche n .. Anzahl der hochwasserrelevanten Parameter k ... Anzahl der Vorhersagezeitpunkte

k

• Sensitivitätsanalyse • Parametervariationen der

Sohlrauheit

EXP, sxP = f (Wetterlage, Vorhersage)


Einzugsgebiete- für die Modellkette- für die Unsicherheitsanalyse- für das Expertensystem

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Ziele des Vorhabens

• Verbesserung des Hochwassermanagements in mesoskaligenEinzugsgebieten auf Basis der Hochwasserwirkungskette „Niederschlagsvorhersage – Niederschlag-Abfluss-Modell – hydraulisches Modell“

• Analyse der Modellunsicherheiten der Teilelemente der Wirkungskette

• Integration zu einer gesamten Vorhersageunsicherheit (frühzeitigere und zuverlässigere Warnungen)

• Einbeziehung der Unsicherheiten in den Prozess der Hochwasserwarnung und der Gefährdungsabschätzung mit Hilfe eines regelbasierten Expertensystems (operationeller Einsatz)


Kurzdarstellung des Modelsystems ASGi

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Das ASGi Modellsystems (nach Schulla)

I n t e r p o la t i o n d e rm e t e o r o lo g i s c h e n

E i n g a n g s d a t e n

A b s c h a t t u n g s - u n dE x p o s i t io n s k o r r e k t u r f ü r

S t r a h lu n g u n d T e m p e r a t u r

p o t e n t i e l l e u n d r e a l eV e r d u n s t u n g

S c h n e e a k k u m u la t io nu n d - s c h m e l z e

I n f i l t r a t i o n /B i l d u n g v o nO b e r f l ä c h e n a b f l u s s

I n t e r z e p t i o n

A b f lu s s r o u t in g

B o d e n s p e i c h e r V e r s i c k e r u n g K a p i l l a r a u f s t i e g

i n a k t i v e Z o n e

g e s ä t t ig t e Z o n e

u n g e s ä t -t i g t eZ o n e

V e r s i c k e r u n g

z e l l w e i s e B e r e c h n u n g

E v a p o r a t io n v o n d e rS c h n e e o b e r f l ä c h e

E v a p o r a t io n a u s d e mI n t e r z e p t io n s s p e ic h e r

E v a p o t r a n s p ir a t i o na u s d e m B o d e n u n dv o n d e r V e g e t a t i o n

B i l d u n g v o nD i r e k t a b f l u s s

B i ld u n g v o nB a s i s a b f l u s s

G e s a m t a b f l u s sT r a n s l a t i o n s - R e te n t i o n s -V e r f a h r e n m i t k o n s t a n t e nP a r a m e te r n

S ä t t ig u n g s f lä c h e n a n s a t zn a c h B E V E N a n d K I R K B Y( 1 9 7 9 , T O P M O D E L )

I n f i l t r a t io n s m o d e l l n a c hG R E E N a n d A M P T ( 1 9 1 1 )m i t S ä t t ig u n g s z e i t n a c hP E S C H K E , 1 9 7 7 , 1 9 8 7

B l a t t f lä c h e n in d e x - a b h ä n g i -g e m a x i m a le S p e ic h e r -k a p a z i tä t , E n t l e e r u n g :p o t e n t i e l l e V e r d u n s tu n g

K o m b in a t i o n s v e r fa h r e nn a c h A N D E R S O N ( 1 9 7 3 )o d e r T - I n d e x V e r f a h r e n

P E N M A N - M O N T E I T H n a c hM O R E C S - S c h e m a( T H O M P S O N e t a l . , 1 9 8 1 )

h ö h e n a b h ä n g ig e R e g r e s -s i o n u n d / o d e r I n v e r s eD i s ta n c e W e i g h t i n g I n te r -p o la t i o n ( I D W ) ; T h i e s s e n

S t r a h l u n g s k o r r e k t u ra b h ä n g ig v o n S o n n e n s ta n du n d H a n g g e o m e t r i e

N i e d e r s c h l a g s k o r r e k t u rw in d a b h ä n g i g e K o r r e k t u rf ü r S c h n e e u n d R e g e ng e t r e n n t ; l i n e a r

B i l d u n g v o nZ w i s c h e n a b f lu s s

E i n le s e n d e r D a t e n s ä t z e


Eigenschaften von ASGi

• physikalisch basiertes flächendetailliertes Modell

• besteht aus Modulen zur Erfassung von Komponenten des Wasserhaushaltes (laterale u. vertikale Wasserflüsse):

• Niederschlag • Schnee• Interzeption• Evapotranspiration• Bodenwasserhaushalt• Routing

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Leistungsspektrum von ASGi

räumlich und zeitlich hoch aufgelöste Berechnungen der Wasser- und Stoffströme (frei wählbare Maschenweite und Zeitschrittweite)beliebige Szenarienrechnungen zu veränderten Randbedingungen (Landnutzung, Flächenbewirtschaftung, Klima)an die jeweilige Datenlage angepasste Berechnungsalgorithmenmenü- und dialogorientierte Benutzerführung durch alle Programmteile sowie weitgehend automatisierte Abarbeitungkomplexe Modellierungsarbeiten in einem einzigen, modularen ProgrammsystemAnfangsbedingungen als räumlich verteilte Daten können eingelesen werdenflexible Auswahl von Ausgabeoptionenoptionale Gütekriterienumfangreiche Online-Hilfenmit GIS-gestützten Ressourcen ausgestattet, die keine GIS-Kenntnisse vom Nutzer erfordernmodular aufgebaut


Konfigurierung des Modells

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Konfigurierung des Modells


Interne Buchführung

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GIS – zu ASGi

menü- und dialoggestützte Datenkonvertierung und -Überprüfung bei Zeitdaten

komfortable interaktive Datenmanipulation im Sinne von Szenario-Analysenweitgehend automatisierte Generierung der modellseitig benötigten Raumdaten unter GIS-Nutzung sowiebreiter Einsatz von GIS-Visualisierungstechnikenzahlreiche Auswahl zwischen verschiedenen Aggregierungsmethoden


Datenbedarf (nach ASGi Dokumentation)

WASSERFLUSS STOFFTRANSPORT

Gemeinden

Temperatur

Abfluß (Kontrolle)

Niederschlag

Düngungsmaßzahlen undFruchtfolge-Informationen

auf GemeindeebeneSediment- oder Phosphor-

frachten (Kontrolle)

StrahlungSonnenscheindauer

LuftfeuchteWindgeschwindigkeit

Düngungsmaßzahlen undFruchtfolge-Informationen

auf Gemarkungsebene

Digitales Höhenmodell

Landnutzung

Bodenart

Gerinne- und Pegelnetz(Kontrolle)

FLÄCHENDATEN

ZEITREIHENDATEN

Q

t

T

t

P

t

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ASGI / LINUX


ASGI / LINUX mit GRASS

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DHM mit Dreieck - Elementen für das 2D-Modell


Modellgebiet: Oberer Main

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Darstellung des Modellgebietes mit dem MapServer


Modellierte Flussstrecke (2D-Modell)

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Überschwemmungsgebiet mit Luftbild


Ausschnitt aus dem Überschwemmungsgebiet

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Zusammenfassung

• Bei der hydrologischen / hydraulischen Modellierungen nehmen raumbezogene Daten eine wesentliche Rolle ein

• Diese Daten bilden die Grundlagen für flächendetaillierte, räumlich hoch aufgelöste Modelle

• Die raumbezogenen Daten sind nicht nur als zusätzliche Informations-quellen zu betrachten sondern sie bilden einen wichtigen Teil des Modell-Inputs (DHM, digitales Bodenmodell, digitales Landnutzungsmodell)

• Auf Basis der raumbezogenen Inputdaten werden weitere raumbezogene Daten generiert/abgeleitet (Gewässernetz, Einzugsgebiete der Pegel, Niederschlagsfeld, usw)

• Zur Handhabung der raumbezogenen Geodaten ist der aktive, aus dem hydrologischen Modell gesteuerte Einsatz eines GIS erforderlich

• Darüber hinaus ist das GIS-System innerhalb des hydrologischen / hydraulischen Modells ein wichtiges Werkzeug zur Analyse und Visualisierung der Sachverhalte (Überschwemmungsflächen, Wohnsiedlungen, usw.)

• ein wichtiges Merkmal im HORIX-Projekt ist die Anwendung von OpenSource-Software (GRASS, LINUX, UMN-MapServer, usw.)

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