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SeminarOberflächenhydrologieLV-Nr.: 816.305

Modul Hydrologie und Wasserwirtschaftliche PlanungMag. KTWW (431) und Mag. WU (432)Gebundenes Wahlfach 2 SWS (3 ECTS)

Sommersemester 2008

1. Übungseinheit

Lehrveranstaltungsleiter:Hubert Holzmann

Email: hubert.holzmann@boku.ac.at

LehrzielZiel dieser Lehrveranstaltung ist die Vertiefung der Kenntnisse der Abflußhydrologie und deren Teilprozesse wie Gebietsniederschlags- und Effektivniederschlagsermittlung, Abflußbildung und Flood Routing. Zusätzlich wird die Anwendung eines Computer-Simulationsmodells anhand konkreter, hydrologischer Daten erlernt. Nach Absolvierung des Seminars sollen die Studenten befähigt sein, Abflußberechnungen mit NA-Modellen durchzuführen, die dafür notwendigen Daten festzulegen und Methoden der Modellkalibrierung und Validierung anzuwenden. Einen weiteren Schwerpunkt bildet die studentische Präsentation von Inhalten und Ergebnissen der Aufgabenstellung.

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LehrinhaltDer Inhalt der Lehrveranstaltung teilt sich in einen Theorieblock und einen (Modell)Anwendungsblock. Es werden den Studierenden Methoden unddie theoretischen Inhalte der Niederschlags-Abfluss-Modellierung nähergebracht. Diese beinhalten

- Gebiets- und Effektivniederschlagsermittlung (Ablussbeiwert),

- Niederschlags-Abfluss-Transformation (Einheitsganglinienverfahren, Zeitflächendiagramm bzw. Clark Verfaren) und

- Flood Routing Verfahren (Muskingum, Muskingum-Cunge).

Im praktischen Teil erfolgt die Anwendung eines Softwareprodukts unter Zugrundelegung realer hydrologischer Gebietskennwerte. Die Modellanwendung erfolgt unter dem Gesichtspunkt der Modellkalibrierung und Validierung anhand beobachteter Abflusszeitreihen.

Zeitplan(1) Montag, 21. 4. 2008 Vorbesprechung / Organisation, Modellkomponenten des Programms HEC-HMS, Gebietsniederschlagsermittlung, Effektivniederschlagsermittlung (2) Montag, 28. 4. 2008 Installation des Computerprogramms, Einheitsganglinienverfahren, Einführung in das Computerprogramm (3) Montag, 5. 5. 2008 - Studentenreferat. Clark-Verfahren, Wellenablauf und erweiterte Modellierung, Arbeiten mit dem Computermodell - Erweiterte Anwendungsbeispiele. Optional Di, 29.4. von 9:00h - 12:00h (Seminarraum IWHW) und Di., 6.5. von 9:00h - 12:00h (Seminarraum IHLW) (4) Montag, 19. 5. 2008 Studentenreferate, Kalibrierung und Modelloptimierung, (5) Montag, 26. 5. 2008 Studentenreferate, Präsentation und Diskussion der Simulationsergebnisse Montag 9. 6. 2008 (11.00) Schriftlicher Test

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Teilnehmer (Anmeldungen) SS 2006

Studenten/innen - ReferateNiederschlag / Hydrometrie:• (1) Messgeräte zur Erfassung meteorologischer und hydrologischer Größen• (2) Verfahren der Gebietsniederschlagsermittlung (Kriging, Inverse Distanz-Methode, u.a.)Effektivniederschlagsermittlung• (3) Das SCS-Verfahren zur EffektivniederschlagsermittlungN-A Modellierung• (4) Hydrologische Konzeptmodelle inkl. Schneeschmelzmodelle• (5) Das Clark-Verfahren (Niederschlags-Abfluss Modell)Wellenablaufmodell• (6) Puls Verfahren• (7) Hydraulische (hydrodynamische) AbflussmodellierungModelloptimierung• (8) Modellkalibrierung und Gütekriterien bei der AbflussoptimierungAndere Themen• z.B. (9) Experimentelle Einzugsgebiete• (10) Ableitbare Gebietsgrößen aus geomorphologischen Daten.• (11) Extreme Hochwasserereignisse und Auswirkungen• (12) Niederschlags-Abflußmodelle zur Hochwasservorhersage• (12) Eigene Vorschläge

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Studenten/innen – ReferateOrganisation

Dauer: ca. 10 MinutenPräsentation: Power PointHandouts: Schriftliche Unterlagen (2-5 Seiten) für jede

Gruppe und für LV-Leiter.Inkl. Quellen- und Referenzliste.

Arbeiten für die ProjektmappeJede Gruppe hat eine Projektmappe mit folgenden Inhalten abzugeben:· Dokumentation der Studentenreferate (Handouts)· Liste der verwendeten Basisdaten (Abflüsse, Niederschläge)· Analyseergebnisse (Parametersets der Kalibrierung)· Endergebnis des Validierungsereignisses· HEC-Ergebnisfile (Ev. auch Graphikfile)

Analyse einzelner Ereignisse· Niederschlagseingabe· Verwendung der vorgegebenen Methoden · Anpassung der Berechnungsergebnisse an beobachtete Abflusswerte· Tabelle mit ereignisbezogenen Parametern (Kalibrierung)· Festlegung eines mittleren Parametersatzes· Validierung dieses Parametersatzes an einem (unabhängigen) Ereignis

(Validierung)

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GesamtbeurteilungDie Gesamtbeurteilung (Endnote) setzt sich aus folgenden Teilbeurteilungen

zusammen:

(a) Qualität der Projektmappe - (Gruppe)(b) Präsentation (Referat oder Ergebnispräsentation) – (individuell)(c) Schriftlicher Abschlußtest – (individuell)

Für eine positive Gesamtbeurteilung sind auch sämtliche o.g. Beiträge positiv zu absolvieren!

Oberflächenhydrologie•Hydrologie (gemäß ÖNORM B2400) ist die Wissenschaft vom Wasser, seinen Erscheinungsformen, seinen Eigenschaften und seinem Verhalten auf und unter der Erdoberfläche.•Die Ingenieurhydrologie als eine Subdisziplin der allgemeinen Hydrologie soll die Grundlagen für wasserwirtschaftliche und wasserbauliche Planungen schaffen, indem sie das mengenmäßige Auftreten des Wassers (z.B. aus Regen) sowie den zeitlichen Ablauf untersucht. Das Ergebnis hydrologischer Untersuchungen (z.B. Bemessungsabfluss) wird als Belastungsgröße für die Dimensionierung wasserbaulicher Anlagen, bei der Vorhersage von Hochwasserereignissen, oder allgemein bei der Bewirtschaftung von Wasserresourcen verwendet. • Die Oberflächenhydrologie ist der Zweig der Hydrologie, der die an der Erdoberfläche auftretenden hydrologischen Erscheinungen und Prozesse untersucht, wobei der Schwerpunkt auf dem oberirdischen Abfluß liegt.

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Anwendungen von Niederschlags-Abfluss Modellen

• Hochwasserschutz (z.B. Dimensionierung von Rückhaltebecken oder Schutzdämmen) • Eingangsgröße für hydrodynamische Berechnungen• Hochwasservorhersage• Regenwasserableitung aus Siedlungsgebieten • Regenwasserrückhaltung und -behandlung in der Stadtentwässerung • Wasserwirtschaft (Mengen- und Güteprobleme) • Abflussvorhersage (Wasserkraftanlagen ,Binnenschiffahrt )• Be- und Entwässerung im landwirtschaftlichen Wasserbau

Problemstellungen der N-A Modellierung

• Festlegung eines Bemessungsabflusses (z.B. HQ30, HQ100) beifehlenden, langen Beobachtungsreihen für Hochwasser-schutzmaßnahmen oder Rohrleitungsbemessungen.

• Festlegung des wahrscheinlich maximalsten Ereignisses (Probable maximum flood (PMF)).

• Hochwasservorhersage in Verbindung mit Katastrophenplänen(Schutzmassnahmen, Information, Vorwarnstufen)

• Abschätzung von Überflutungsflächen (Gefahrenzonenplanung)• Abschätzung von Klimaänderungsszenarien• Abflussprognose für Energieerzeugung oder Schifffahrt

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Hydrologic Cycle

Elemente des Wasserkreislaufs

• Niederschlag • Versickerung • Grundwasserneubildung • Verdunstung • Oberflächenabflussbildung • Abflüsse aus den natürlichen Wasserspeichern (Boden, Grundwasser)

Für die Untergrund-Komponente der Hydrologie ergeben sich weitere Verbindungen mit der Bodenkunde und der Hydrogeologie, die auch die Wechselwirkungen des Wassers mit Boden- und Gesteinsmaterial beinhalten.

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Niederschlags-Abfluss Transformation

Niederschlag 1 mm Fläche 1 km2 1 mm = 1 L/m2 = 106 L/ km2 = 1.000 m3/ km2

Hydrologisches Konzept von HEC-HMS

Teilprozesse der NA-Modellierung:(Gebiets)-Niederschlag

Gebietsrückhalt (Verlust)

Abflussbildung (Gebiets Routing)

Wellenablauf (Gerinne Routing)

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Niederschlag

Aus historischen Niederschlagsbeobachtungen

Ombrometer (aufzeichnende Geräte)

Totalisatoren (nichtaufzeichnende Geräte)

Aus Bemessungsniederschlägen

z.B. statistische Auswertungen (z.B. Schimpf)

PMP (Maximal mögliche Niederschlag)

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Niederschlagsverteilung

Flächenhafte VerteilungStationsgewichte (z.B Thiessen)Inverse Distanz

Zeitliche VerteilungNiederschlagsganglinie (Ombrometer)Niederschlagshöhe (Summenwerte)Niederschlagsakkumulation (Incremental)Verteilung und Summe

Coupling Spatial and Temporal Data

1 hour Nexrad Rainfallon the Guadalupe Basin

October 13, 2001

Source: Arc Hydro: GIS for Water Resources (modified)David R. MaidmentUniversity of Texas at Austin

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Station Radar

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Station Radar

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Station Radar

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Station Radar

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ders

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m]

17,5 – 22,5 mm

12,5 – 17,5 mm

7,5 – 12,5 mm

2,5 – 7,5 mm

0 mm

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Gebietsrückhalt (Verlustrate)

Arten des Gebietsrückhaltes:- Interzeptionsspeicher

- Muldenspeicher

- Oberflächenspeicher

- Evaporation

- Infiltration

- Zwischenabfluss

- Basisabfluss

Verlustrate (Loss, Abstraction)

Verfahren im HEC-HMS Modell:- Anfangsverlust (Initial Loss)

- Anfangsverlust + Konstante Verlustrate

- SCS-CN Verfahren (Soil Conservation Service)

- Green and Ampt Infiltration

- Deficit Constant

- Versiegelungsflächen

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Abflussbildung (Gebiets Routing)

Einheitsganglinienverfahren (Unit Hydrograph UH)- Benutzerdefinierter UH- Clark UH- Snyder UH- SCS UH

Flächenverteilte Verfahren- Kinematische Welle- ModClark (Grid-basiert)

Wellenablauf (Gerinne Routing)

Semi-hydraulische Verfahren- Kinematische Welle- Muskingum-Cunge Verfahren

Hydrologische Verfahren- Muskingum Verfahren- Speicherverfahren (Modifizierte Puls Verfahren)- Verzögerung (Lag)

Verzweigung und Zuflüsse

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Modellkalibrierung (Parameteroptimierung)

Optimierungsparameter- Verlustratenparameter- UH-Parameter- Routingparameter

Optimierung setzt Beobachtungswerte (Abflusswerte) voraus!

Zielfunktion (Objective Function)- Summe der Abweichungsquadrate- Summe des Absolutfehlers- Scheitelfehler (in %)

Flächenaggregierte Modellierung (Lumped Model)

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Flächenuntergliederung (Teilgebiets- / Flussgebietsmodell)

Home Page des US Army Corps of Engineers :

http://www.hec.usace.army.mil/Von hier kann die HEC-HMS Software sowie das Benutzerhandbuch heruntergeladen werden.

Datenserver zur Lehrveranstaltung:

http://www.boku.ac.at/iwhw/hydsem1/Hier sind die Informationen zur Lehrveranstaltung (Zeitreihendaten von Niederschlags- und Abflussereignissen, die Handout-Folien und Studentenreferate) zu finden.

Anfragen an den Lehrveranstaltungsleiter:hubert.holzmann@boku.ac.atSprechstunden: DI u. DO 10:00 – 12:00h

Organisatorisches

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DRAFT TIMETABLE 2008 OF WORKSHOP ON DISASTER PREVENTION AND REDUCTION WITH EMPHASIS ON FLOODS AND DROUGHTS

8-8,45 9-9,45 10-10,45 11-11,45 12-12,45 12,45-14,00 14-14,45 15-15,45 16-16,45

Wednesday 18/6/2008

Registration of participants 10,00 to 17,00 Dept.of Water Resources Lunch

Opening Session and Informal Dinner 17,00 to 19,00 at CULS’s

Mensa

Thursday 19/6/2008

Forestry Faculty Lect.roo

m LII.

DP in local, regional and international framework

(Nemec,CHMI,CEUDIP)

Drought forecasts

(Van Lanen)

Drought forecasts

(Van Lanen)

Drought Forecasts

(Van Lanen) Lunch

Forecasting for small basins -

Impact of Land Use

(Kovar)

Climate Change

Scenarios (Kos)

Friday 20/6/2008

Forestry Faculty Sitting room

Forecasting systems and

their case use (Zezulak,Krejci

,Danhelka

Forecasting systems and

their case use(Zezulak,Krejci

,Danhelka)

Forecasting systems and

their case use(Zezulak,Krejci,

Danhelka)

Forecasting systems and

their case use(Zezulak,Krejci,

Danhelka)

Lunch Forecasting systems and

their case use(Salek)

Forecasting systems and

their case use (Zezulak,Krejci,

Danhelka)

Saturday 21/6/2008 Sightseeing tour to University Forestry Enterprise at Kostelec n. C. l. and Kutna Hora

Sunday 22/6/2008 Free day (Sightseeing tour to Prague on request)

Monday 23/6/2008 Forestry

Faculty Lect.roo

m LII.

Soil Physics and

Floods/ Droughts (Matula)

Basics of Hazard,

Vulnerability and Risk

Assessment (Jeggle,ISDR)

Basics of Hazard,

Vulnerability and Risk

Assessment (Jeggle)

Basics of Hazard,

Vulnerability and Risk

Assessment (Jeggle)

Lunch

Introduction to Early Warning

(Bonn Platform,

Dannenmann)

Introduction to Early Warning

(Bonn Platform, Dannenmann)

Use of GIS (Dostal,Halounova) 16-17,45

Tuesday 24/6/2008

Forestry Faculty Lect.roo

m LII.

Nation Wide Flood

Forecasting System, Ex.

Nation Wide Flood

Forecasting System, Ex.

Forecasting for

small basins (Holzmann)

Forecasting for

small basins (Holzmann)

Lunch

Public Dimensions of

Hydrology and Disaster

Public Dimensions of Hydrology and

Disaster

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Tuesday 24/6/2008

Forestry Faculty Lect.roo

m LII.

Nation Wide Flood

Forecasting System, Ex.

Austria (Nachtnebel)

Nation Wide Flood

Forecasting System, Ex.

Austria (Nachtnebel)

Forecasting for

small basins (Holzmann)

Forecasting for

small basins (Holzmann)

Lunch

Public Dimensions of

Hydrology and Disaster

Reduction (Jeggle)

Public Dimensions of Hydrology and

Disaster Reduction

(Jeggle)

Wednesday 25/6/2008 FIELD TRIP TO JIZERSKE HORY

(Examples of historical and recent disasters)

Thursday 26/6/2008

VLTAVA RIVER BOARD- FLOOD PROTECTION SYSTEM

(Practical visit)

Lunch

Individual preparation for student

presentations (Role of Civil Society in Disaster and Risk

Management) Friday 27/6/2008 Forestry

Faculty Lect.roo

m LII.

Role of Civil Society in Disaster and Risk

Management (presented by participants)

Evaluation of Workshop

Closing Ceremony and lunch

Individual consultations

Saturday 28/6/2008 Departure of participants