20
Hydrologie und Flussgebietsmanagement o.Univ.Prof. DI Dr. H.P. Nachtnebel Institut für Wasserwirtschaft, Hydrologie und konstruktiver Wasserbau

Hydrologie und Flussgebietsmanagement¤sentationen/VO101... · Retention und Flood Routing Seite 3 Begriffe ¾Retention • Dämpfung und • zeitliche Verschiebung einer Abflusswelle

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: Hydrologie und Flussgebietsmanagement¤sentationen/VO101... · Retention und Flood Routing Seite 3 Begriffe ¾Retention • Dämpfung und • zeitliche Verschiebung einer Abflusswelle

Hydrologie und Flussgebietsmanagement

o.Univ.Prof. DI Dr. H.P. Nachtnebel

Institut für Wasserwirtschaft, Hydrologie und konstruktiver Wasserbau

Page 2: Hydrologie und Flussgebietsmanagement¤sentationen/VO101... · Retention und Flood Routing Seite 3 Begriffe ¾Retention • Dämpfung und • zeitliche Verschiebung einer Abflusswelle

Retention und Flood Routing Seite 2

Gliederung der VorlesungStatistische GrundlagenExtremwertstatistikKorrelation und RegressionZeitreihenanalyse und AnwendungRegionalisierung & räumliche InterpolationBodenwasserhaushaltGrundwasserhaushaltN-A Modelle – EinheitsganglinieN-A Modelle – kombinierte Translations- und SpeichermodelleKontinuierliche N-A ModelleRetention und Flood RoutingHydrologische VorhersagenFlussgebietsmodelleStofftransportSedimenttransport – ModellierungFlussgebietsmodelle

Page 3: Hydrologie und Flussgebietsmanagement¤sentationen/VO101... · Retention und Flood Routing Seite 3 Begriffe ¾Retention • Dämpfung und • zeitliche Verschiebung einer Abflusswelle

Retention und Flood Routing Seite 3

Begriffe

Retention• Dämpfung und• zeitliche Verschiebung einer Abflusswelle

Stehende Retentionin natürlichen Seen oder Speichern

Mittels stehender Retention - Bemessung von• Hochwasserrückhaltebecken

Fließende Retentionin Fließgewässern

Mittels fließender Retention – Berechnung von• Wellenverformung inkl. Überflutung für Fließgewässer• Hochwasserprognosen

Eindeutige Beziehung zwischen Speicherinhalt und Abfluss

Speicherinhalt vom Zu-und Abfluss abhängig

Page 4: Hydrologie und Flussgebietsmanagement¤sentationen/VO101... · Retention und Flood Routing Seite 3 Begriffe ¾Retention • Dämpfung und • zeitliche Verschiebung einer Abflusswelle

Retention und Flood Routing Seite 4

Beispiel Seeretention: Salzkammergut 1

Größtes Seengebiet Österreichs: 124 km²Gesamtvolumen: 8,74 Mrd. m³Wasseranstieg Vergleich HQ1 zu HQ100: das bis zu 4facheAbsolute Werte: abhängig vom betroffenen See bis zu 3,4 m (Traunsee, 1897) Wasserstands-unterschied: Ausgangs-wasserspiegel unmittelbar vor Hauptwelle zu Hochwasserspitze

Page 5: Hydrologie und Flussgebietsmanagement¤sentationen/VO101... · Retention und Flood Routing Seite 3 Begriffe ¾Retention • Dämpfung und • zeitliche Verschiebung einer Abflusswelle

Retention und Flood Routing Seite 5

Beispiel Seeretention: Salzkammergut 2

Darstellung der Abflussganglinien des Hochwassers 1920

Dämpfung und Zeitliche Verschiebung

Page 6: Hydrologie und Flussgebietsmanagement¤sentationen/VO101... · Retention und Flood Routing Seite 3 Begriffe ¾Retention • Dämpfung und • zeitliche Verschiebung einer Abflusswelle

Retention und Flood Routing Seite 6

Berechnung: Stehende Retention 1

Anwendung• Bemessung von Hochwasserrückhaltebecken

Bilanzgleichung

Differenzengleichung

• Eingangsdaten ErgebnisZuflussganglinie Abfluss am Ende des ZeitintervallsSpeicherinhaltslinieAbflusskurveStartwert für den Abfluss

tttStSttQtQttQtQ AAZZ

ΔΔ+−

=Δ++

−Δ++ )()(

2)()(

2)()(

dttStQtQ AZ)()()( =−

Page 7: Hydrologie und Flussgebietsmanagement¤sentationen/VO101... · Retention und Flood Routing Seite 3 Begriffe ¾Retention • Dämpfung und • zeitliche Verschiebung einer Abflusswelle

Retention und Flood Routing Seite 7

tttStSttQtQttQtQ AAZZ

ΔΔ+−

=Δ++

−Δ++ )()(

2)()(

2)()(

Berechnung: Stehende Retention 2

Methode nach PULS

S [m³]

h [m]

Q [m³/s]Querprofil

Wasserstands-Inhaltsbeziehung

Wasserstands-Abflussbeziehung = Schlüsselkurve

tttStSttQtQttQtQ AAZZ

ΔΔ+−

=Δ++

−Δ++ )()(

2)()(

2)()(

=−Δ

+Δ++

2)()(

2)()( tQ

ttSttQtQ AZZ

Bekanntes Unbekanntes

h(t+∆t)

h [m]

QA [m³/s]

h(t)

2)()( ttQ

tttS A Δ++

ΔΔ+

Page 8: Hydrologie und Flussgebietsmanagement¤sentationen/VO101... · Retention und Flood Routing Seite 3 Begriffe ¾Retention • Dämpfung und • zeitliche Verschiebung einer Abflusswelle

Lösungsverfahren

Unabhängig vom Zeitpunkt kann ein QA und das zugehörige S aus voriger Grafik entnommen werdenDamit kann S/Δt +QA/2 und S/Δt -QA/2 berechnet werden

Retention und Flood Routing Seite 8

h

SQA

QA

S/Δt +QA/2 S/Δt -QA/2

Page 9: Hydrologie und Flussgebietsmanagement¤sentationen/VO101... · Retention und Flood Routing Seite 3 Begriffe ¾Retention • Dämpfung und • zeitliche Verschiebung einer Abflusswelle

Retention und Flood Routing Seite 9

Berechnung: Stehende Retention 3

)(2

)()(, tQttQtQmZ

ZZ =Δ++

2)()(

2)()(

2)()( ttQ

tttStQ

ttSttQtQ AAZZ Δ+

+ΔΔ+

=−Δ

+Δ++

Page 10: Hydrologie und Flussgebietsmanagement¤sentationen/VO101... · Retention und Flood Routing Seite 3 Begriffe ¾Retention • Dämpfung und • zeitliche Verschiebung einer Abflusswelle

Retention und Flood Routing Seite 10

Muskingum Verfahren

VerfahrenMuskingum Verfahren verwendet Bilanz und

)(*)( tQktS G= Annahme eines linearen Speichers

[ ])(*)1()(** tQxtQxk AZ −+=Gewichtetes Mittel aus QZund QA x = Gewicht

( ) ( ))()()()()()( 21 tQttQCtQtQCtQttQ ZZAZAA −Δ++−+=Δ+

2)1(

1 txk

tCΔ+−

Δ=

2)1(

*2

2 txk

xkt

+−

−Δ

=Allgemein für fließende Retention

x ~ 0,2 / 0,3

2

1 tk

tCΔ

+

Δ=

22

2 12

Ctk

tC =

Δ+

Δ

= für stehende Retention

x = 0

Page 11: Hydrologie und Flussgebietsmanagement¤sentationen/VO101... · Retention und Flood Routing Seite 3 Begriffe ¾Retention • Dämpfung und • zeitliche Verschiebung einer Abflusswelle

Retention und Flood Routing Seite 11

Muskingum Verfahren

Die Parameter k und x werden für einen Gewässerabschnitt aus beobachteten Zu- und Abflussganglinien ermitteltD.d. bei Änderung der Gewässergeometrie it neuerliche Kalibrierung nötig.

Page 12: Hydrologie und Flussgebietsmanagement¤sentationen/VO101... · Retention und Flood Routing Seite 3 Begriffe ¾Retention • Dämpfung und • zeitliche Verschiebung einer Abflusswelle

Retention und Flood Routing Seite 12

Muskingum Verfahren

Die Parameter k und x werden für einen Gewässerabschnitt aus beobachteten Zu- und Abflussganglinien ermitteltD.d. bei Änderung der Gewässergeometrie it neuerliche Kalibrierung nötig. Schätzung der Parameter durch Optimierung:

Wähle k und x so, dass die berechnete Abflussganglinie (bei gegebener Zuflussganglinie) möglichst gut mit der beobachteten übereinstimmt

Page 13: Hydrologie und Flussgebietsmanagement¤sentationen/VO101... · Retention und Flood Routing Seite 3 Begriffe ¾Retention • Dämpfung und • zeitliche Verschiebung einer Abflusswelle

Retention und Flood Routing Seite 13

Muskingum Verfahren

t

Qbeobachtet

Qberechnet= F(k,x)

ti

εi

Min Z=Σεi2

Q

Page 14: Hydrologie und Flussgebietsmanagement¤sentationen/VO101... · Retention und Flood Routing Seite 3 Begriffe ¾Retention • Dämpfung und • zeitliche Verschiebung einer Abflusswelle

Retention und Flood Routing Seite 14

Muskingum Verfahren

Die Parameter k und x werden für einen Gewässerabschnitt aus beobachteten Zu- und Abflussganglinien ermitteltD.d. bei Änderung der Gewässergeometrie it neuerliche Kalibrierung nötig. Schätzung der Parameter durch Optimierung:

Wähle k und x so, dass die berechnete Abflussganglinie (bei gegebener Zuflussganglinie) möglichst gut mit der beobachteten übereinstimmtDurch graphische Anpassung

Page 15: Hydrologie und Flussgebietsmanagement¤sentationen/VO101... · Retention und Flood Routing Seite 3 Begriffe ¾Retention • Dämpfung und • zeitliche Verschiebung einer Abflusswelle

Retention und Flood Routing Seite 15

Kalinin-Miljukov Verfahren 1

Verwendet Längenschnitt und QuerprofileDer Gewässerabschnitt ist in „homogene“ Abschnitte zu zerlegenBerücksichtigung der AbflusshystereseBerücksichtigung der Bilanzgleichung und eines linearen Speichers

Page 16: Hydrologie und Flussgebietsmanagement¤sentationen/VO101... · Retention und Flood Routing Seite 3 Begriffe ¾Retention • Dämpfung und • zeitliche Verschiebung einer Abflusswelle

Retention und Flood Routing Seite 16

Kalinin-Miljukov: Abflusshysteresis 2

Abflusshysteresis

1

2 I = stationär: Sohlgefälle=WasserspiegelgefälleII = instationär HW-Welle

I

IIh [m]

Q [m³/s]

I

IIh

Page 17: Hydrologie und Flussgebietsmanagement¤sentationen/VO101... · Retention und Flood Routing Seite 3 Begriffe ¾Retention • Dämpfung und • zeitliche Verschiebung einer Abflusswelle

Retention und Flood Routing Seite 17

Kalinin-Miljukov Verfahren 3

Kalinin-Miljukov Verfahren• Modellvorstellung: Eindeutige Volumen-Abfluss-Beziehung• Lineare Speichergleichung AQkS *=

1

2• Abflusshysteresis umgehen

mittels Unterteilung in quasistationäre Abschnitte eindeutige Wasserstands-Abfluss-Beziehung

• Ausfluss aus oberliegendem Teilabschnitt ist Zufluss im nachfolgenden

• Gewässerstrecke L = charakteristische Länge

stationär

instationär

l

lL = 2*l

Page 18: Hydrologie und Flussgebietsmanagement¤sentationen/VO101... · Retention und Flood Routing Seite 3 Begriffe ¾Retention • Dämpfung und • zeitliche Verschiebung einer Abflusswelle

Retention und Flood Routing Seite 18

Kalinin-Miljukov Verfahren 4

Berechnungen• Charakteristische Länge L

• Anzahl der charakteristischen Abschnitte

• Berechnung des Abflusses aus einem charakteristischen Gewässerabschnitt

( )StSt

St

dQdh

IQQL ⎟⎟

⎞⎜⎜⎝

⎛= *

Index St: Stationäre BedingungenQ … Abfluss im charakteristischen AbschnittI … Sohlgefälle im charakteristischen Abschnittdh … Wasserspiegeldifferenz zwischen Q + (Q+dQ)

LschnittGewässerabLängen =

( ) ( ) 21211112 ** kQQkQQQQ ZZAZAA −+−+=

Page 19: Hydrologie und Flussgebietsmanagement¤sentationen/VO101... · Retention und Flood Routing Seite 3 Begriffe ¾Retention • Dämpfung und • zeitliche Verschiebung einer Abflusswelle

Retention und Flood Routing Seite 19

Kalinin Miljikov Verfahren 5

Schätzung der Parameter

Vorteil: Die Parameter hängen von der Geometrie des Gewässers ab und können daher auch bauliche Veränderungen berücksichtigen

12

1

1

1

Kt

K

eKt

⋅Δ

−=

−=Δ

τ

τ

Page 20: Hydrologie und Flussgebietsmanagement¤sentationen/VO101... · Retention und Flood Routing Seite 3 Begriffe ¾Retention • Dämpfung und • zeitliche Verschiebung einer Abflusswelle

Retention und Flood Routing Seite 20

Rückblick Retention und Flood Routing

Begriffe: Retention„Arten“ der Retention

Stehende Retention• Beispiel• Berechnungsmethoden

IterationsverfahrenMethode nach PULS

Fließende Retention• Berechnungsmethoden

Muskingum VerfahrenKalinin-Miljukov Verfahren

Stationär – Instationär: Abflusshysteresis