Master Thesis
im Rahmen des
Universitätslehrganges „Geographical Information Science & Systems“
(UNIGIS MSc) am Zentrum für GeoInformatik (Z_GIS) der Paris Lodron-Universität Salzburg
zum Thema
„Kanalnetzüberrechnung mit Hilfe von GIS“
vorgelegt von
Bernhard Resch
UP10568, UNIGIS MSc Jahrgang 2012
Zur Erlangung des Grades
„Master of Science (Geographical Information Science & Systems) – MSc(GIS)”
Gutachter:
Ao. Univ. Prof. Dr. Josef Strobl
Neukirchen an der Vöckla, 21.06.2015
Erklärung
Erklärung
Ich versichere, diese Master Thesis ohne fremde Hilfe und ohne Verwendung anderer als der angeführten Quellen angefertigt zu haben, und dass die Arbeit in gleicher oder ähnlicher Form noch keiner anderen Prüfungsbehörde vorgelegen hat. Alle Ausführungen der Arbeit die wörtlich oder sinngemäß übernommen wurden sind entsprechend gekennzeichnet.
Neukirchen am 21.06.2015 Bernhard Resch
Kurzfassung
Kurzfassung
In den letzten Jahren wurde die Wichtigkeit der Kanalnetzberechnung immer deutlicher.
Die Versieglung von immer mehr Grünflächen führt zu einer erhöhten Wasserableitung in die Kanalisation, dies wiederum führt bei Starkregenereignissen zu einer Überlastung der Kanäle. Überflutungen sind die Folge. Kanalnetzberechnungen dienen zur Feststellung der Leistungsfähigkeit von bestehenden Kanälen sowie zur Dimensionierung von neuen Kanalsystemen.
In der Masterthesis wurde untersucht, ob und wie GIS in der hydrodynamischen Kanalnetzberechnung eingesetzt werden kann. Es sollten Parameter aufgezeigt werden, welche von GIS einfach und schnell von Zivilingenieure ermittelt werden können.
Die hydrodynamische Kanalnetzberechnungen erfolgten mit HydroCad, eine Berechnungssoftware, die in die Oberfläche des Barthauer Netzinformationssystems BASYS integriert ist. Für die Berechnung benötigt HydroCad zahlreiche Umweltparameter. Einige dieser Parameter, wie z.B. der Anteil der befestigten Flächen, die Hangneigung oder die Bodenart, können mit einem GIS sehr gut ermittelt werden.
Alle diese Parameter wurden den Einzugsflächen mittels Verschneidungen und Überlagerungen zugewiesen.
Die Ermittlung der befestigten Flächen erfolgte durch die Verwendung des NDVI. Für diesen wurden die Orthophotos in echt Farbe und als Infrarot Aufnahmen benötigt. Die Berechnung der Hangneigung erfolgte durch die Erstellung eines DGM, basierend auf einen ALS. Der Bodenaufbau wurde aus der digitalen Bodenkarte von Österreich übernommen. Anhand der ermittelten Werte konnten den Flächen die Oberflächentypen, welche in HydroCad vorab definiert wurden, zugewiesen werden.
Nachdem alle Werte in einer shp-Datei vorhanden waren, wurde eine csv-Datei erstellt.
Diese Datei wurde anschließend mittels ASCII-Import in die Kanaldatenbank importiert. Der Aufbau des ASCII-Imports ist in einer XML-Datei verspeichert, welche an die Anforderungen angepasst wurde.
Abstract
Abstract
In recent years, the importance of the sewer simulation has become increasingly clear.
The sealing of more and more green spaces leads to increased water discharge into drains, as a result of this heavy rainfall lead to an overloading of the channels. Floods are the result.
Sewer simulations are used to determine the efficiency of existing channels and dimensioning of new sewer systems. There was a research in the master thesis, whether and how GIS can be used in the calculation of sewer networks. Ways should be found where GIS can be used easily and quickly for civil-engineers. One condition was that there would be no new investing in any GIS software. As a reason of this, the analyzes were carried out using open source products. The sewer simulation were performed with HydroCAD, a calculation software, which is integrated into the surface of Barthauer network information system BASYS. HydroCAD requires numerous environmental parameters for the calculation. Some of these parameters can be determined very well by using a GIS-system. These are the percentage of paved areas, the slope and soil type.
All these parameters were assigned to the catchment areas through intersections and overlaps. The determination of the paved areas was carried out by the use of the NDVI.
The requirements were the orthophotos in genuine color and infrared-admittance shots.
The calculation of the slope was carried out by the generation of a DGM, based on an ALS. The floor structure was taken from the digital soil map of Austria. The surfaces could be assigned the surface-types based on the determined values, which were defined in advance by using HydroCAD. After all values were present in a shp file, a csv file was created. This file was imported into the channel database by using ASCII-import.
The structure of the ASCII import is saved as a XML file, which was adapted to the requirements.
Abbildungsverzeichnis
Abbildungsverzeichnis
Abbildung 1: Aufbau der Thesis ... 4
Abbildung 2: Ablaufprozess einer Kanalmodellierung aus (HOCHEDLINGER, et al., 2012) ... 6
Abbildung 3: Abtastender Laser im Flugzeug, aus (KRAUS, 2004) ... 12
Abbildung 4: First- und Last-Pulse Echo eines Laserstrahls (www.toposys.de, 2014) . 13 Abbildung 5: Radiale Versetzung durch Höhenunterschiede aus (ALBERTZ, 2009) .. 14
Abbildung 6: Karte von Oberösterreich Datenquelle: (DORIS, 2013) ... 18
Abbildung 7: Einzugsflächen von Schwanenstadt ... 19
Abbildung 8 Regendaten für Schwanenstadt (BMLFUW, 2015) ... 20
Abbildung 9 Empfohlene Überstauhäufigkeiten für den rechnerischen Nachweis bei Neuplanungen und Sanierungen (ÖNORM EN 752, 2008)... 20
Abbildung 10: HydroCad Einzugsflächenformular ... 22
Abbildung 11: Auswirkungen des Befestigungsgrades ... 24
Abbildung 12: Zusammenspiel von Boden und Gefälle ... 25
Abbildung 13: Landbedeckung eines LISA Testdatensatzes in Oberösterreich (GRILLMAYER, et al., 2010) ... 28
Abbildung 14: vom Orthophoto zum NDVI-Raster ... 29
Abbildung 15: links: digitalisierte befestigte Flächen für EZGB 102a; rechts: NDVI für EZGB102a ... 30
Abbildung 16: NDVI-Wert einer Ackerfläche... 30
Abbildung 17: links: Gelände Relief des Untersuchungsgebietes; rechts: DGM des Untersuchungsgebietes erstellt in SAGA ... 33
Abbildung 18: Ausschnitt aus der digitalen Bodenkarte des BFW im Untersuchungsgebiet, bei den weißen Flächen sind keine Bodentypen vorhanden ... 35
Abbildung 19: Einteilung der Oberflächentypen ... 36
Abbildung 20: Auszug aus der geänderten XML-Vorlage ... 39
Abbildung 21: Gegenüberstellung der in der Thesis ermittelten Parameter, und für die Berechnung verwendeten Parameter ... 41
Abbildung 22: Durchflussdiagramm für die Messung im Schacht VBNI010100 ... 42
Abbildung 23: Durchflussdiagramm für die Messung im Schacht VBOB010110 ... 42
Abbildung 24: Durchflussdiagramm für die Messung im Schacht VBOB010110 ... 43
Inhaltsverzeichnis
Inhalt
Erklärung ... II Kurzfassung ... III Abstract ... IV Abbildungsverzeichnis ... V
1.Einleitung ... 1
1.1 Motivation ... 1
1.2 Ziel der Thesis ... 1
1.3 Nicht behandelte Themen ... 2
1.4 Lösungsansatz ... 2
1.5 Werkzeuge... 2
1.6 Erwartete Ergebnisse ... 3
1.7 Zielgruppe ... 3
1.8 Aufbau der Thesis ... 4
2. Theoretische Grundlagen ... 5
2.1 Kanalnetzberechnung ... 5
2.1.1 Ablauf einer Kanalmodellierung ... 6
2.1.2 Bemessungsniederschläge ... 8
2.1.3 Einzugsgebiete ... 8
2.1.4 Oberflächenabflussmodellierung ... 9
2.1.5 Berechnungssoftware ... 10
2.1.5.1 BASYS - HydroCad ... 10
2.1.5.2 HYSTEM-EXTRAN ... 10
2.1.6 Hydrodynamische Kanalnetzberechnung mit der GVM ... 11
2.2 Geodaten ... 11
2.2.1 Bodenkarte ... 11
2.2.2 Fernerkundungsdaten ... 12
2.2.2.1 Laserscanmessungen ... 12
2.2.2.2 Satellitenbilder ... 13
2.2.2.3 Orthophotos ... 13
2.2.2.3 Auswerten der digitalen Luftaufnahmen ... 14
2.2.2.4 NDVI ... 15
2.2.3 Einsatzmöglichkeiten von OBIA ... 15
Inhaltsverzeichnis
2.2.3.1 LISA ... 16
2.2.3.2 Kanalanschlussgebühren ... 16
2.3 Technische Grundlagen ... 16
2.3.1 Open Source GIS... 16
2.3.2 XML ... 17
3. Grundlagen für die Analysen ... 18
3.1 Untersuchungsgebiet ... 18
3.2 Bemessungsniederschlag... 19
3.2 Erforderliche Daten in der Berechnungssoftware ... 21
3.2.1 Einzugsflächen ... 21
3.2.2 Oberflächentypen ... 22
3.3 Möglichkeiten für den Einsatz von GIS ... 23
3.4 Auswirkungen der gewählten Parameter ... 24
3.5 Datensichtung ... 25
3.5.1 Kanalnetz... 25
3.6.2 Einzugsflächen ... 25
3.6.3 Luftbilder... 25
3.6.4 Digitales Geländemodell ... 26
3.6.5 Bodenkarte ... 26
4. Ermittlung der Parameter ... 27
4.1 Berechnung des Befestigungsgrades ... 27
4.1.1Ermittlung des NDVI ... 28
4.1.2 Grenzwertbestimmung ... 29
4.1.3 Reklassifizierung ... 31
4.1.4 Befestigte Flächen den Einzugsflächen zuordnen... 31
4.2 Berechnung der Hangneigung ... 32
4.2.1 Erstellung eines DGM ... 32
4.2.2 Berechnung des Gefälles ... 33
4.3 Zuordnen des Bodenaufbaus ... 34
4.4 Automatische Zuweisung des Oberflächentyps ... 36
4.5 Automatischer Import der Parameter ... 37
4.5.1 Erstellen einer csv-Datei ... 37
4.5.2 Erweitern einer BASYS-Vorlage ... 38
5. Analyse der Ergebnisse ... 40
Inhaltsverzeichnis
5.1 Welche, für die hydrodynamische Kanalnetzberechnung erforderlichen
Parameter, können mit Hilfe von GIS-Analysen ermittelt werden? ... 43
5.2 Sind die möglichen Parameter für die hydrodynamische Kanalnetzberechnung von hoher Relevanz? ... 44
5.3 Liefert die Berechnung des Befestigungsgrades anhand des NDVI ausreichend genaue Ergebnisse für die Kanalnetzberechnung? ... 44
5.4 Wie funktioniert der Datentransfer zwischen GIS und Kanaldatenbank? ... 45
6. Zusammenfassung und Ausblick ... 46
6.1 Zusammenfassung ... 46
6.2 Ausblick ... 47
Literaturverzeichnis ... 48
Anhang ... 52
Erfahrungswerte für die Berechnung nach Horton ... 52
Regenmessdaten ... 53
Euler Modellregen Typ II für die gewählten Regenereignisse ... 58
Für die Kalibrierung verwendete Durchflussdaten ... 68
Übersichtslageplan ... 80
Einleitung
1.Einleitung
1.1 Motivation
Die Masterthesis entstand in enger Zusammenarbeit mit dem Zivilingenieurbüro DI Hitzfelder und DI Pillichshammer aus Vöcklabruck, welches den Auftrag für die hydrodynamische Kanalnetzberechnung von zwei Kanalabschnitten im Verbandsgebiet des Reinhaltungsverband (RHV) Schwanenstadt und Umgebung hatte.
Der RHV Schwanenstadt befindet sich im Bezirk Vöcklabruck, besteht aus 11 Mitgliedsgemeinden, und betreut ein Kanalnetz mit einer Gesamtlänge von ca. 90km.
Teile dieses Kanalnetzes sind bereits über 50 Jahre alt und weisen bereits Schäden auf.
Um diese Schäden zu erfassen und einen Überblick über den gesamten Zustand des Kanalnetzes zu bekommen, werden in Regelmäßigen Abständen TV-Untersuchungen durchgeführt. Die Ergebnisse der Untersuchungen dienen als Grundlage für ein Sanierungskonzept. Für einige Stränge sieht das Sanierungskonzept eine Sanierung durch Neubau vor. Damit nach der Sanierung, die Leistungsfähigkeit der Kanäle noch ausreichend ist, wird eine hydrodynamische Kanalnetzberechnung durchgeführt.
Die Kanalnetzberechnung erfolgt EDV gestützt und erfordert die Eingabe von sämtlichen Kanalstammdaten (Sohlhöhen, Haltungslängen usw.), und zahlreichen Umweltparametern für die angeschlossenen Einzugsgebiete.
1.2 Ziel der Thesis
In der Thesis soll festgestellt werden, welche für die hydrodynamische Kanalnetzberechnung notwendigen Parameter, mit Geoinformationssystemen (GIS), ermittelt werden können. Die Analysen sollen mittels aufbereiteten Fernerkundungsdaten durchgeführt werden.
Es soll dies mit einfach nachvollziehbaren Methoden geschehen, welche auch von nicht GIS-Experten jederzeit durchgeführt werden können.
Einleitung 1.3 Nicht behandelte Themen
Auf die technischen Details der Kanalnetzberechnung wird in der Thesis nicht genauer eingegangen. Ebenso wird die Erfassung der Fernerkundungsdaten nur kurz erläutert.
1.4 Lösungsansatz
Besonderes Augenmerk der Thesis liegt auf den Parametern der Einzugsflächen und deren Import in die Kanaldatenbank. Beides erfolgt sehr häufig noch manuell oder mit angekauften aufbereiteten Fernerkundungsdaten. Dies sollte zukünftig mit wenigen Mausklicks von jedem erledigt werden können.
Folgende Parameter können, auf Grund ihrer geografischen Eigenschaften, mit GIS- Analysen ermittelt werden:
Befestigungsgrad
Gefälle der Einzugsflächen
Bodenaufbau
Inspiriert durch eine Methode der Anstalt für Wasserversorgung, Abwasserreinigung und Gewässerschutz (eawag), in welcher der Befestigungsgrad der Einzugsflächen anfangs anhand des Farbtones der einzelnen Pixel von Orthophotos ermittelt wird (FANKHAUSER, 1999), soll in diesem Fall, eine Bestimmung des Befestigungsgrades nur durch den normalized vegetation index (NDVI) ermittelt werden.
Zur Berechnung des Oberflächenabflusses, sind unter anderem das Gefälle und der Bodenaufbau wichtige Parameter (ZILCH, et al., 2002). Diese werden aus einem Geländemodell, anhand eines Laserscanns bzw. aus der digitalen Bodenkarte abgeleitet.
Damit die Ergebnisse in die Kanaldatenbank übernommen werden können, wird ein ASCII-Import benötigt, welcher über eine XML-Vorlage definiert ist.
1.5 Werkzeuge
Da der Auftraggeber mit einer BASYS-Kanaldatenbank arbeitet, wird für die hydrodynamische Kanalnetzberechnung das Programm HydroCAD verwendet.
Einleitung
HydroCad ist ein in BASYS eingebettetes Berechnungsmodul und erspart dadurch die Verwendung eines externen Programmes.
Die Analysen der Geodaten sollte wenn möglich, mit Open Source Produkten erfolgen.
Zur Verwendung kommen QGIS, gvSIG mit der Erweiterung Sextante und SAGA.
Eine Beschreibung der Programme wird unter Punkt 2.1.4 angeführt.
1.6 Erwartete Ergebnisse
Folgende Fragen sollen durch die Thesis beantwortet werden:
Welche, für die hydrodynamische Kanalnetzberechnung erforderlichen, Parameter können mit Hilfe von GIS-Analysen ermittelt werden?
Sind die möglichen Parameter für die hydrodynamische Kanalnetzberechnung von hoher Relevanz?
Liefert die Berechnung des Befestigungsgrades anhand des NDVI ausreichend genaue Ergebnisse für die Kanalnetzberechnung?
Wie funktioniert der Datentransfer zwischen GIS und Kanaldatenbank?
1.7 Zielgruppe
Die Thesis richtet sich an alle Kanalnetzbetreiber in Österreich, sowie Ingenieurbüros, welche, mit einfachen Mitteln, GIS sinnvoll in der Kanalnetzberechnung einsetzen wollen.
Einleitung 1.8 Aufbau der Thesis
Abbildung 1: Aufbau der Thesis
1. • Allgemeine Einleitung 2.
• Theoretische Grundlagen
•Kanalnetzberechnung
•Geodaten und deren Aufbereitung
3.
• Notwendige Grundlagen für die Berechnung
•Beschreibung des Untersuchungsgebietes
•Beschreibung der erforderlichen Parameter
4. • Berechnung der Parameter 5.
• Analyse der Ergebnisse
•Kalibrierung
•Beantwortung der Fragen aus 1.6
6. • Zusammenfassung
Theoretische Grundlagen
2. Theoretische Grundlagen
2.1 Kanalnetzberechnung
Kanalnetzberechnungen dienen zur Feststellung der Leistungsfähigkeit von bestehenden Kanälen sowie zur Dimensionierung von neuen Kanalsystemen. Das ÖWAV Regelblatt 11 unterscheidet zwischen einfachen Modellen, wie dem Fließzeitverfahren, und komplexen Modellen wie dem hydrologischen oder hydrodynamischen Modell. Es sollten jedoch, einfache Modelle nur noch für die Neubemessung von kleinen Kanalnetzen verwendet werden. Hydrologische Modelle sollen zur Berechnung von Schmutzfrachtsimulationen, und hydrodynamische Modelle für den Nachweis größerer Kanalnetze verwendet werden (ATV-M 165, 1994).
Die Vorteile der hydrodynamischen Kanalnetzberechnung umfassen die Berücksichtigung von Druckabfluss, Fließrichtungsumkehr, Verzweigungen, Sonderbauwerken, gesteuerte Elemente (Schieber, Pumpen), sowie des Speichervolumens von Kanalschächten und die Miteinbeziehung des Oberflächenabflusses. Die hydrodynamischen Berechnungsmodelle werden auf der Grundlage der Saint-Venant-Differentialgleichungen durchgeführt, welche das Ablaufverhalten von Abwasserwellen nummerisch lösen (ZILCH, et al., 2002). Eine Erläuterung zu den Gleichungen findet man in der ÖNORM EN 752 auf Seite 93 oder in der Fachliteratur wie z.B. bei Engel (2006) bzw. Hochedlinger et al (2012).
Aufgrund der immer häufiger auftretenden Starkregenereignissen ist das Thema hydrodynamische Kanalnetzberechnung auch immer öfter in der Fachliteratur zu finden.
Die Versieglung von immer mehr Grünflächen führt zu einer erhöhten Wasserableitung in die Kanalisation, dies wiederum führt bei Starkregenereignissen zu einer Überlastung der Kanäle. Überflutungen sind die Folge.
In Großstädten wird die hydrodynamische Kanalnetzberechnungen nicht mehr nur bei der Planung von Sanierungen und Neubau der Kanalisation eingesetzt, sondern sie ist auch ein wesentlicher Bestandteil von Risikoanalysen (GATKE, et al., 2015). Hierbei wird weniger auf Sanierungen bzw. Erneuerung der Kanalisation eingegangen, da diese enorme Kosten verursachen würden. Es wird hingegen versucht, Wege zu finden, wo und wie man das überlaufende Wasser an der Oberfläche retentieren bzw. ableiten kann
Theoretische Grundlagen
(STOCKMANN, et al., 2015). Für diese Ableitungen werden vermehrt Grünflächen benötigt, dies führt zu einer engen Zusammenarbeit zwischen Stadtplaner und Wasserwirtschaft.
Damit man den Oberflächenabfluss realitätsgetreu wiedergeben kann sind sehr genau Naturbestandsdaten, wie zB. Höhe der Bordsteinkante, erforderlich. Da diese Aufnahmen nur in den wenigsten Fällen für Städte in Oberösterreich vorhanden sind, wird auch diese Thematik in der Thesis nicht weiter behandelt.
2.1.1 Ablauf einer Kanalmodellierung
Bei der Kanalnetzberechnung gibt es eine gewisse Reihenfolge zu beachten.
HOCHEDLINGER et al (2012), unterteilen die Kanalmodellierung in folgende Teilbereiche:
Pre-Processing
Kalibration - Verifikation
Processing
Ingenieurmäßige Interpretation
Post-Processing
Abbildung 2: Ablaufprozess einer Kanalmodellierung aus (HOCHEDLINGER, et al., 2012)
Der erste Schritt einer Kanalnetzberechnung kann als Pre-Processing bezeichnet werden. In diesem Prozess werden alle wesentlichen Stammdaten der Kanäle (zB.
Dimension, Material, Länge, Gefälle usw.) in das Berechnungsprogramm eingegeben
Theoretische Grundlagen
bzw. importiert. Es wird auch überprüft, ob das Kanalmodell berechnet werden kann.
So ist es etwa möglich, dass komplexe Bauwerke nicht berechnet werden können. Hier muss man sich durch das Einfügen von fiktiven Anlageteilen ein sogenanntes Ersatzsystem erschaffen.
Damit man bei der Kanalnetzberechnung seriöse Ergebnisse erzielt, ist es unumgänglich eine Kalibrierung des Kanalnetzes vorzunehmen (HOCHEDLINGER, et al., 2012). Für die Kalibrierung des Kanalnetzes müssen Durchfluss- und Niederschlagsmessungen über den gleichen Zeitraum durchgeführt werden. Anhand des Niederschlages erfolgt eine Berechnung des Kanalnetzes. Im optimal Fall stimmen die berechneten Ergebnissen mit des Ergebnissen der Durchflussmessungen überein. Meistens muss das Kanalnetz noch adaptiert werden, wobei die Schieberöffnungszeiten oder der Befestigungsgrad solange geändert werden, bis das Ergebnis der Simulation mit der Durchflussmessung annähernd übereinstimmt.
Ebenfalls in den Bereich der Kalibrierung-Verifikation fällt die Parametervariation. Hier werden den Einzugsgebieten die entsprechenden Umweltparameter zugeordnet. Die Parametervariation ist auch jener Bereich, für den in der Thesis versucht wird, mögliche Verbesserungen mit Hilfe der Geoinformatik zu finden. Dieser Aspekt wird nachstehend näher erläutert.
Nachdem die Kalibrierung abgeschlossen ist, kann mit der eigentlichen hydrodynamischen Kanalnetzberechnung begonnen werden, dem Processing. In diesem Prozess wird eine Kanalnetzberechnung anhand von statistischen Starkregenereignissen durchgeführt. Die Wiederkehrzeit des gewählten Bemessungsregen ist von der Gebietsnutzung abhängig, und wird in der ÖNORM EN 752 (2008) geregelt. Die gelieferten Ergebnisse werden ingenieursmäßig auf Plausibilität geprüft. Dies bedeutet, dass die berechneten Ergebnisse mit den tatsächlichen Ereignissen (Überflutungen usw.) verglichen werden (HOCHEDLINGER, et al., 2012).
Am Ende der hydrodynamischen Berechnung steht das Post-Processing. Es geht nun darum, die Ergebnisse visuell darzustellen. Dies kann durch Überstaupläne oder Belastungslängenschnitte erfolgen. Daraus werden mögliche Schwachstellen im Kanalnetz ersichtlich.
Theoretische Grundlagen 2.1.2 Bemessungsniederschläge
Grundlage ein jeden Kanalnetzberechnung sind Niederschlagsdaten. Für Österreich können über ein WEB-GIS (BMLFUW, 2015) des Bundesministeriums für ein Lebenswertes Österreich (BMLFUW) folgende drei Niederschlagsdatensätze abgerufen werden:
o Maximierte Modellniederschläge (MaxModN),
o interpolierte ÖKOSTRA- Messstellenauswertungen (Österreichweit koordinierte Starkniederschlagsregionalisierung und – Auswertung) und
o die Bemessungsniederschläge als Kombination dieser beiden Auswertungen Die MaxModN-Werte sind Werte aus Niederschlagsmodellrechnungen und wahrscheinlich eher zu hoch angesetzt. Die ÖKOSTRA-Werte sind eine Auswertung von hochaufgelösten Niederschlagsdaten aus 141 Messstellen kombiniert mit Ombrometerdaten aus 853 weiteren Messstellen (BMLFUW, 2013). Die Kombination dieser beiden Werte, sind die Bemessungsniederschläge, welche in einem Raster von 6x6km für ganz Österreich zur Verfügung stehen.
Für eine hydrodynamische Kanalnetzberechnung werden langzeit Niederschlagsserien, welche über 20 Jahre hinaus reichen, benötigt. Da diese nur von den wenigsten Gebieten in Österreich vorhanden sind, wird in der ÖNORM EN 752 die Verwendung von Modelregen (Euler Modelregen II) empfohlen. Grundlage für einen Euler Modelregen II sind die oben erwähnten Bemessungsniederschläge.
2.1.3 Einzugsgebiete
Ein Einzugsgebiet ist das Gebiet, welches einen Abfluss zu einer Abwasserhaltung, einem Abwasserkanal, oder einem Gewässer hat (ÖNORM EN 752, 2008). Für die genauere Darstellung der Realität unterteilt man ein Einzugsgebiet in mehrere kleine Einzugsflächen, welche bei der Kanalnetzberechnung den Haltungen zugewiesen werden, in die sie entwässern.
Lt. ÖWAV Regelblatt 11 muss für jeden neubemessenen Kanal ein Einzugsgebietsplan erstellt werden. Dies führt dazu, dass für die meisten Kanäle bereits Einzugsgebiete definiert wurden, und für spätere Kanalnetzberechnungen verwendet werden können.
Theoretische Grundlagen
Sind keine Einzugsgebiete vordefiniert, können diese Anhand der angeschlossenen Grundstücke mit Hilfe von GIS-Analysen ermittelt werden. Dies erfolgt Anhand Verschneidungen zwischen den Grundstückskataster und den Anschlussleitungen aus der Kanaldatenbank.
Die in der Thesis vorkommenden Einzugsflächen werden im Kapitel 3 beschrieben, und sind im Übersichtslageplan im Anhang ersichtlich.
2.1.4 Oberflächenabflussmodellierung
Die auf den Boden auftretende Niederschlagsmenge teilt sich in Verdunstung, Versickerung und den Oberflächenabfluss auf. Der Oberflächenabfluss ist ein wesentlicher Bestandteil der hydrodynamischen Kanalnetzberechnung. Unter Oberflächenabfluss versteht man den Teil des Niederschlages, der an der Oberfläche des Bodens abgeleitet wird. Er setzt dann ein, wenn die Niederschlagsmenge die Versickerungsrate des Bodens übersteigt. Die Höhe des Oberflächenabflusses hängt, neben der Niederschlagsmenge, noch von der Lage (Hangneigung, Hangform) und dem Aufbau des Bodens ab (Humusgehalt des Oberbodens, Porenverhältnisse usw.) (WOHLRAB, 1992). Ein weiterer Parameter für die Berechnung des Oberflächenabflusses ist der Befestigungsgrad (PRAXL, 2010). Er kann basierend auf Luftbildaufnahmen, Naturbestandsaufnahmen oder ähnlichen genauen Grundlagen bestimmt werden (ÖWAV Regelblatt 11, 2009). Als befestigte Flächen gelten, undurchlässige (Asphaltflächen, Ziegel-, Metall-, Glasdächer) oder unterschiedlich durchlässige Oberflächen (Schotter) (ÖWAV Regelblatt 11, 2009) . Weitere benötigte Parameter sind die Hangneigung, der Muldenverlust, die Dachneigungen, der Benetzungsverlust und der Bodenaufbau. Alle erforderlichen Parameter, für die Berechnung des Oberflächenabflussmodells, können bei jedem Einzugsgebiet unterschiedlich sein, und müssen daher einzeln zugeordnet werden.
Für die Berechnung des Oberflächenabflusses gibt es zwei häufig verwendete Methoden. Dies sind das hydrologische und das hydrodynamische Berechnungsmodell.
Das hydrodynamischen Modell ist eine implizite Berechnung, welche eine längere Berechnungszeit mit sich trägt. Die Berechnungsergebnisse sind dafür realitätsgetreuer.
Bei dem hydrologischen Modell handelt es sich um eine explizites Berechnungsmodell, mit dem Vorteil von kürzeren Rechenzeiten (HOCHEDLINGER, et al., 2012). Ein weiterer wesentlicher Unterschied zwischen den Modellen ist, dass bei einem
Theoretische Grundlagen
hydrodynamischen Modell ein Rückstau (das Wasser kann nicht ungehindert von oben nach unten abfließen) berücksichtigt werden kann (VEIT, 2009),
In der verwendeten Software wird das hydrodynamische Modell verwendet, wobei der Abfluss nach den Gleichungen von Horton berechnet wird. Diese Gleichung gibt den Abfluss bei einem Starkregenereignis an. Die maximale Wasserkapazität der Bodensäule wird dabei noch nicht erreicht. Die, auf Grund des intensiven Regens, vorhandenen Wassermengen können aber trotzdem nicht mehr in den Boden infiltrieren.
Eine Erläuterung dieser Formeln ist in ILLGEN(2009) nachzulesen.
2.1.5 Berechnungssoftware 2.1.5.1 BASYS - HydroCad
BASYS ist ein serverbasiertes Netzinformationssystem der Firma Barthauer. Kern des Programmes ist eine Datenbank, die entweder auf Oracle oder Microsoft SQL Server bereitgestellt wird. In dieser Datenbank sind alle Angaben zu den Objekten des Netzes gespeichert. BASYS verfügt über zahlreich Schnittstellen (ISYBAU, ASCII usw.), welche alle über XML-Schemas definiert sind, und beliebig bearbeitet und erweitert werden können.
In BASYS integriert ist das HydroCAD-Modul der Firma Dorsch Consult. Mit HydroCAD wird die hydrodynamische Kanalnetzberechnung durchgeführt. Dies geschieht auf Basis der impliziten Ganglinien-Volumen-Methode (GVM) (BARTHAUER, 2013). Der Oberflächenabfluss wird hier ebenfalls hydrodynamisch gerechnet.
2.1.5.2 HYSTEM-EXTRAN
Als eine alternative zu HydroCad sei hier HYSTEM-EXTRAN erwähnt. Dies ist ein, in der Praxis oft verwendetes Programm zur hydrodynamischen Kanalnetzberechnung.
HYSTEM-EXTRAN wurde vom Institut für technisch-wissenschaftliche Hydrologie (itwh) in Deutschland entwickelt. Es setzt sich zusammen aus dem Programmteilen HYSTEM, zur hydrologischen Oberflächenabflussberechnung, und EXTRAN zur hydrodynamischen Kanalnetzberechnung (Abwasser, 2014).
Theoretische Grundlagen
2.1.6 Hydrodynamische Kanalnetzberechnung mit der GVM
Die GVM ist ein Niederschlag-Abfluss-Modell zur Berechnung des Abflusses in ein offenes oder geschlossenes Gerinne mit einem impliziten Differenzenschema. Bei dieser Methode wird der Weg des Niederschlages vom Auftreffen am Boden bis zur Ableitung durch die Kanalisation wirklichkeitsgetreu wiedergegeben. Bei der GVM erfolgt eine vollständige implizite Lösung der Saint-Venant-Gleichungen. Vorteile des impliziten Verfahren sind unter anderem, dass das Volumen der Kanalschächte in die Berechnungen mit einfließt, dass die Drucklinien über die Geländeoberkante ansteigen können, und dass das übergelaufene Wasser wieder in das Kanalnetz zurückfließen kann. Ein bereits erwähnter Nachteil sind die längeren Rechenzeiten.
2.2 Geodaten 2.2.1 Bodenkarte
In Österreich wurde im Auftrag des Bundesministerium für Land. und Forstwirtschaft eine digitale Bodenkarte erstellt. Diese Bodenkarte ist im Wesentlichen eine Übernahme von grafischen und textlichen Informationen der seit 1958 durchgeführten Bodenkartierung (Lebensminsiterium, 2013). Die Karte, im Maßstab 1:25.000, ist unterteilt in 219 Kartierungsbereiche, und enthält 10500 Bodenformen. Der große Maßstab bildet eine gute Übersicht über die Bodenformen, ist aber für Details nur bedingt geeignet (MURER, 2009). Die Kartierung erfolgt anhand von Begehungen vor Ort, Bohrproben und Schürfungen bis zu einer Tiefe von 1,5m.
Die detaillierte Beschreibung über den Aufbau der einzelnen Bodenformen findet man auf der Homepage des Bundes (Bundesforschungs- und Ausbildungszentrum für Wald, 2014). Die Bodenkarte kann zu einem Fixpreis pro km² erworben, oder über die kostenlose Web-GIS Applikation eBOD genutzt werden.
Die Bodenkarte enthält alle, für die Berechnung des Oberflächenabflusses, notwendigen Informationen über die Bodenbeschaffenheit.
Theoretische Grundlagen 2.2.2 Fernerkundungsdaten
2.2.2.1 Laserscanmessungen
Laserscanning ist ein aktives Messverfahren, bei dem die Entfernung zwischen Laser und Objekt gemessen wird. Airborne Laserscaning (ALS) ist ein flugzeuggestütztes Messverfahren und erlaubt eine präzise Aufnahme des Geländes. Bei dieser Methode ist ein Scanner am Flugzeug oder Helikopter montiert, und sendet in regelmäßigen Abständen Laserstrahlen zur Erdoberfläche. Aus der Zeit die vergeht vom Absenden des Signals, bis zum wieder eintreffen am Scanner wird die Entfernung berechnet (KRAUS, 2004).
Abbildung 3: Abtastender Laser im Flugzeug, aus (KRAUS, 2004)
Zur genauen Positionierung des Scanners, und somit auch zur koordinativen Bestimmung der gemessenen Punkte, wird ein Satellitenpositionierungssystem (GPS) und eine inertiale Messeinrichtung (IMU) benötigt. Beide sind ständig mit dem Bordcomputer des Flugzeuges verbunden (KRAUS, 2004). Laut WEVER (1999) hat der gesendete Laserimpuls an der Oberfläche einen Durchmesser von etwa 25cm, das führt dazu, dass der Impuls öfter reflektiert wird. Der als erstes reflektierte Punkt, First- Pulse, (zB.: Baumkronen oder Hausdächer) wird für das digitale Oberflächenmodell (DOM) verwendet. Der Impuls, der als letzter (Last-Pulse) aufgezeichnet wird, spiegelt den Boden wieder und wird für das digitale Geländemodell (DGM) verwendet. Diese
Theoretische Grundlagen
Modelle können z.B. für die Ermittlung von Dachneigungen oder Baumhöhen verwendet werden.
Abbildung 4: First- und Last-Pulse Echo eines Laserstrahls (www.toposys.de, 2014)
2.2.2.2 Satellitenbilder
Rund um die Erde kreisen zahlreiche Satelliten, mit der Aufgabe die Erdoberfläche zu beobachten. Damit alle Punkte auf der Erde aufgenommen werden können, wurde für die Satelliten eine polnahe kreisförmige Umlaufbahn gewählt (ALBERTZ, 2009).
Vorreiter bei der Luftbildaufnahme durch Satelliten war das Landsat-Programm.
Aktuell steht mit der Pléiades Satellitengeneration eine hoch automatisierte Möglichkeit zur Landbeobachtung zur Verfügung. Diese Satelliten liefern ein täglich aktuelles Bild eines Punktes auf der Erdoberfläche, mit einer Auflösung von bis zu 50cm im panchromatischen Kanal (STEINOCHER, et al., 2014). Für die technische Ausrüstung der Satelliten wird auf die Fachliteratur verwiesen.
2.2.2.3 Orthophotos
Ein anderes Verfahren der Landbeobachtung sind digitale Laufaufnahmen anhand von Befliegungen. Hier nimmt eine, an einem Flugzeug befestigte, Kamera die Oberfläche auf. Durch die Zentralprojektion, die unterschiedlichen Entfernungen der Objekte zur Kamera, und den Schieflagen des Flugzeuges entstehen Verzerrungen des Luftbildes.
Insbesondere durch die Zentralprojektion kommt es, bei Objekten die über den Boden ragen, zum Beispiel Bäume und Häuser, zu starken Verszerrungen. Diese Verzerrungen werden in der Fachliteratur als radiale Versetzungen bezeichnet, und nehmen am Rand der Bilder stark zu (ALBERTZ, 2009).
Theoretische Grundlagen
Abbildung 5: Radiale Versetzung durch Höhenunterschiede aus (ALBERTZ, 2009)
Ein Orthophoto ist ein entzerrtes Luftbild. Die Verzerrungen werden durch den Vorgang der Differentialentzerrung und der Grundlage eines DGM rechnerisch korrigiert.
2.2.2.3 Auswerten der digitalen Luftaufnahmen
Eine Möglichkeit digitale Bilder auszuwerten, ist das Verfahren der multispektralen Klassifizierung (auch pixelbasierte Klassifizierung). Die multispektrale Klassifizierung basiert auf den spektralen Reflektionswerten der Objekte, die in verschiedenen Spektralkanälen unterschiedlicher spektraler Empfindlichkeit aufgezeichnet werden (ULRICH, 2011). Man unterscheidet zwischen der überwachten und der unüberwachten Klassifizierung. Eine unüberwachten Klassifizierung ist die Cluster-Analyse. Bei dieser Methode werden keine Testgebiete benötigt, daher sind die Ergebnisse meist unzufriedenstellend (ALBERTZ, 2009) und können daher nur für grobe Analysen verwendet werden. Als überwachte Klassifizierungen gelten das Minimum-Distance- Verfahren, das Parallelepiped-Verfahren das Maximum-Likelihood-Verfahren und die hierarchische Klassifikation. Ein Nachteil der pixelbasierten Verfahren ist, dass es bei hoher Auflösung der Luftbilder zu dem sogenannten "salt & pepper" Effekt kommt (BLASCHKE, 2000).
Dem gegenüber steht das Verfahren der objektbasierten Klassifizierung (OBIA).
Hierbei werden nicht die einzelnen Pixel analysiert, sondern ein Regionen mit ähnlichen Pixel. Bevor mit der Klassifizierung begonnen werden kann, muss ein Segmentierungsschritt vorgeschaltet werden. Dabei werden die Pixel aufgrund bestimmter Eigenschaften zu Segmenten mit ähnlichen Pixeln zusammengefasst (ALBERTZ, 2009). Diese Eigenschaften können Form, Farbe, Höhe, Nachbarschaftseigenschaften, oder auch der "noramlized difference vegetation index"
Theoretische Grundlagen
(NDVI) sein. Einen sehr guten Überblick über Projekte wo OBIA erfolgreich eingesetzt wird bietet BLASCHKE (2010).
2.2.2.4 NDVI
Der NDVI ist ein häufig verwendeter Vegetationsindex. Er beruht darauf, dass jedes Objekt auf der Erdoberfläche Lichtstrahlen unterschiedlich reflektiert bzw. absorbiert.
Dies ist abhängig von der Zusammensetzung des Objektes, sowie von der Wellenlänge der betroffenen Strahlung. Für die Vegetation bedeutet dies zum Beispiel, dass bei photosynthetisch aktiver Vegetation eine starke Absorption im sichtbaren rotem Bereich, und eine hohe Reflexion im nahen Infrarot vorhanden ist. Bei Böden hingegen gibt es diesen Unterschied zwischen den einzelnen Kanälen nicht. Man kann daher den NDVI zur Bestimmung für die Vitalität der Vegetation heranziehen, und somit Klassifizierungen von unterschiedlichen Vegetationstypen, oder zur Unterscheidung von Vegetation / keine Vegetation heranziehen. Des Weiteren kann der NDVI zur Beurteilung des Wassergehaltes von Pflanzen verwendet werden. Der NDVI basiert auf einer Ratio-Berechnung, bei der die Spektralwerte des nahen Infrarot (NIR), welche die Vitalität der Vegetation besonders widerspiegeln, mit den Werten des roten Spektralbereichs (RED), auf die sich der Zustand der Vegetation nicht auswirkt, in Beziehung setzt (ALBERTZ, 2009):
NDVI = (NIR – RED) / (NIR + RED)
Das Ergebnis führt zu Werten, die ausschließlich zwischen –1 und +1 liegen, wobei Werte die nahe bei +1 liegen, charakteristisch für gesunde, photosynthetisch aktive Vegetation sind. Werte die nahe bei -1 liegen, kennzeichnend für Wasser sind (ULRICH, 2011). Abgestorbene Vegetation sowie vegetationslose Bereiche weisen niedrige Werte im Bereich von Null auf. Ein Vorteil des NDVI ist, dass Unterschiede in den Beleuchtungsverhältnissen, wie z.B. durch Schlagschatten, und Einflüsse der Geländeneigung durch die dargestellte Ratiobildung weitgehend kompensiert werden können (ALBERTZ, 2009).
2.2.3 Einsatzmöglichkeiten von OBIA
Die Einsatzmöglichkeiten von OBIA im Bezug auf Landnutzung ist sehr vielfältig. In den folgenden Kapiteln wird betrachtet, wo OBIA in Österreich bzw. im Zusammenhang mit Kanal eingesetzt wird.
Theoretische Grundlagen 2.2.3.1 LISA
Das Österreichische Landinformationssystem (LISA) ist ein Projekt, in dem die oben erwähnten Analysemethoden erfolgreich kombiniert und angewendet werden.
LISA wurde 2009 gestartet und ist ein, mit öffentlichen Mitteln finanziertes, Projekt zur Darstellung der Landnutzung und Landbedeckung in Österreich. In der ersten Phase des Projektes wurde die Landbedeckung mit einer objektbasierten Klassifizierung durchgeführt. Durch die Hinzunahme von LIDAR-Daten konnte in einer zweiten Phase auch die Landbedeckung ermittelt werden (GRILLMAYER, et al., 2010). Eine genau technische Beschreibung des Projektes ist nachzulesen in BANKO, et al. (2010).
Derzeit sind die Daten für 16 Testgebiete vorhanden und können auf www.landinformationssystem.at heruntergeladen werden. Wann es für Österreich einen flächendeckenden Datensatz geben wird, ist aus finanziellen Gründen noch unklar (STEMBERGER, 2013).
2.2.3.2 Kanalanschlussgebühren
In Deutschland gibt es seit 2010 gesplittete Anschlussgebühren. Hierbei müssen versiegelte und nicht versiegelte Flächen extra angeführt werden. Auch hierzu eignet sich eine OBIA. Die hier ermittelten Daten können in weiterer Folge eine Grundlage für die hydrodynamische Kanalnetzberechnung darstellen (HEUSCH, 2013).
In Österreich wird die Höhe der Anschlussgebühren von den einzelnen Kommunen festgelegt, dies erfolgt zumeist anhand der bebauten Fläche welche anhand von Plänen ermittelt wird. Die Verrechnung erfolgt in der Regel nur über den Wasserverbrauch (Land-OÖ, 2015). Es gibt zwar Anregungen zu einer gesplitteten Anschlussgebühr wie in Deutschland, jedoch gibt es hierfür noch keine entsprechende Gesetzgebung.
2.3 Technische Grundlagen 2.3.1 Open Source GIS
Eine Rahmenbedingung in der Thesis ist, die anfallenden Analysen mit Open Source GIS Programmen zu lösen. Open Source Produkte sind Programme, die kostenlos zur Verfügung gestellt, und nur durch Sponsoren finanziert werden.
Theoretische Grundlagen
Es werden im Wesentlichen drei Programme zur Anwendung kommen: Quantum GIS (QGIS), SAGA und gvSIG. Alle drei Programme sind unter der GNU General Public License (GPL) verfügbar und sind Projekte der Open Source Geospatil Foundation (OSGeo) (MITCHELL & CHRISTL, 2008). Die Softwareprodukte sind von ihren Raster- und Vektorfunktionalitäten nahezu ident, unterscheiden sich aber von der Benutzeroberfläche doch einigermaßen. Die SEXTANTE Erweiterung erlaubt es, dass Befehle oberflächenunabhängig verwendet werden können. Das bedeutet, dass z.B.
SAGA Befehle in QGIS funktionieren.
2.3.2 XML
Die Extensible Markup Language (XML) ist eine Auszeichnungssprache. Sie wurde ursprünglich erfunden um Daten zu speichern, und nicht um Daten anzuzeigen.
Mittlerweile ist XML aber überall zu finden und dient als meist genütztes Tool zur Übertragung von Daten zwischen diversen Anwendungen (W3, 2013). XML ist eine Metasprache, mit der konkrete Sprachen definiert werden können. Damit sind alle XML-Sprachen aus den gleichen Konstrukt aufgebaut. Ein Programm, das die XML- Regeln kennt, kann jede XML-Sprache lesen und in ihre Bestandteile zerlegen (Parser).
Eine wesentliche Eigenschaft von XML-Sprachen ist, dass sie selbst beschreibend sind (FISCHER & HUBER, 2013).
Ein XML-Dokument ist hierarchisch aufgebaut. Elemente können geschachtelt sein, womit die hierarchische Abhängigkeit zwischen Elementen dargestellt wird. Wichtig ist, das Anfangs- und End-Tag richtig verschachtelt sind, wobei das End-Tag des ersten Elementes immer am Schluss kommt (FISCHER & HUBER, 2013). Die Tags werden in spitzen Klammern geschrieben.
In der Thesis wird XML unter anderem als Schnittstelle zwischen den einzelnen Software Produkten verwendet.
Grundlagen für die Analysen
3. Grundlagen für die Analysen
3.1 UntersuchungsgebietWie bei Punkt 1.1 bereits erwähnt, handelt es sich bei der Kanalnetzüberrechnung um Kanalstränge des RHV Schwanenstadt. Die Stadt Schwanenstadt befindet sich im Nord- Osten des Bezirkes Vöcklabruck. Sie liegt auf einer Seehöhe von ca. 390 müA und hat eine Fläche von 2.6 km². Von der Einwohnerdichte mit 1588.8 EW/km² lässt sich für Schwanenstadt ein eher urbanes Siedlungsgebiet ableiten.
Abbildung 6: Karte von Oberösterreich Datenquelle: (DORIS, 2013)
Die zu berechnenden Kanalstränge (VBOB01 und VBNT01) befinden sich im Norden und im Süden des Stadtgebietes. In das Kanalnetz der zwei Stränge münden insgesamt 72 Einzugsflächen mit einer Gesamtfläche von 0,43km² (siehe Übersichtslageplan im Anhang).
Bezirk Vöcklabruck
Schwanenstadt
Grundlagen für die Analysen
Abbildung 7: Einzugsflächen von Schwanenstadt
3.2 Bemessungsniederschlag
Für die Berechnungen wird ein Euler Modellregen Typ II anhand der eHYD Daten des Gitterpunktes 3054 erstellt.
Grundlagen für die Analysen
Abbildung 8 Regendaten für Schwanenstadt (BMLFUW, 2015)
Welche Wiederkehrzeiten verwendet werden müssen, wird in der ÖNORM EN 752 vorgegeben, und ist abhängig von den jeweiligen Gebietsnutzungen.
Ort Wiederkehrzeit
(1mal in "n" Jahren)
Wahrscheinlichkeit für eine Überschreitung in 1 Jahr
ländliche Gebiete 1 in 2 50%
Wohngebiete 1 in 3 33%
Stadtzentren, Industrie-
und Gewerbebetriebe 1 in 5 20%
Unterirdische Verkehrsanlagen, Unterführungen
1 in 10 10%
Überstauhäufigkeiten
bei Neuplanungen bzw. nach Sanierungen
1) Bei Unterführungen ist zu beachten, dass bei Überstau über Gelände i.d.R. unmittelbar eine Übeflutung einhergeht, sofern nicht besonders örtliche Sicherungsmaßnahmen bestehen. Hier entsprechen sich Überstau- und Überflutungshäufigkeit mit dem Wert "1 in 50"!
Abbildung 9 Empfohlene Überstauhäufigkeiten für den rechnerischen Nachweis bei Neuplanungen und Sanierungen (ÖNORM EN 752, 2008)
Grundlagen für die Analysen
Für den Überstaunachweis der Kanalstränge ist für das in der Thesis beschriebene Projekt die Kategorie Wohngebiete mit einer Wiederkehrzeit von 1 in 3 (n=0,33) heranzuziehen.
3.2 Erforderliche Daten in der Berechnungssoftware 3.2.1 Einzugsflächen
Damit eine hydrodynamische Kanalnetzberechnung durchgeführt werden kann, müssen in der verwendeten Software (HydroCad) den Einzugsflächen folgende Parameter zwingend zugewiesen werden:
Bezeichnung
Oberflächentyp
Befestigungsgrad
Gesamtfläche
Haltung
Die Bezeichnung und die räumliche Ausdehnung der Einzugsflächen ist aus einer älteren Überrechnung vorgegeben und wird in weiterer Folge als Verknüpfungsfeld für den ASCII-Import verwendet. Der Oberflächentyp wird in einem eigenen Eingabeformular definiert. Die Zuweisung zu den jeweiligen Einzugsflächen erfolgt im GIS-Programm und wird mittels ASCII-Import importiert. Der Befestigungsgrad wird ebenfalls im GIS ermittelt und importiert. Der Oberflächentyp und der Befestigungsgrad sind essentielle Bestandteile der Oberflächenabflussberechnung. Die Gesamtfläche kann entweder manuell eingegeben, oder rechnerisch aus einem digitalen Umriss ermittelt werden.
Da für die GIS Analysen ein Polygon der Einzugsflächen vorhanden sein muss, benötigt man eine "shp" bzw. eine "dxf" Datei. Diese Datei wird aus der Kanaldatenbank mit Hilfe des Barthauer Moduls BASYS-Plan A erzeugt. Die Zuweisung der Haltung zur Einzugsfläche erfolgt manuell in einem speziellen Einzugsflächenformular.
Grundlagen für die Analysen
Abbildung 10: HydroCad Einzugsflächenformular
3.2.2 Oberflächentypen
Alle für den Oberflächenabfluss relevanten Parameter werden in dem Formular
"Oberflächentyp" eingegeben. Bevor mit den Analysen in einer GIS Anwendung begonnen wird, müssen hier die Oberflächentypen definiert werden. Für das Untersuchungsgebiet wurden 18 verschiedene Oberflächentypen definiert:
STR NG I, NG II, NG III, NG IV
STZ LS NG I/II, NG III/IV
STZ L NG I/II, NG III/IV
STZ KS NG I/II, NG III/IV
WGB L NG I/II, NG III/IV
WGB LS NG I/II, NG I/II Acker, NG III/IV
WGB SK NG I/II, NG III/IV
Die Bezeichnung der Oberflächentypen ergibt sich aus den einzugebenden Parametern.
Dies sind die Lage, die Bodenverhältnissen und die Hangneigung der Einzugsflächen.
STR steht für Straße, STZ für Stadtzentrum und WGB für Wohngebiet. An zweiter Stelle stehen die Bodenverhältnisse, hier bedeutet LS Lehmiger Sand, L steht für Lehm und SK für Sandiger Kies. Die Unterteilung nach den Bodenverhältnisse könnte noch mehrere Untergruppen aufweisen, in Schwanenstadt sind jedoch, lt. digitaler Bodenkarte, nicht mehr unterschiedliche Bodenverhältnisse vorhanden. An der dritten Stelle der Bezeichnung befindet sich die Neigungsklasse. Um eine Vielzahl an verschiedenen Oberflächentypen zu vermeiden, wurden immer zwei Neigungsgruppen
Grundlagen für die Analysen
zusammengefasst. Die Gruppen NG I/II beinhalten Neigungen kleiner 4% Gefälle, und die NG III/IV die Flächen mit steileren Gelände.
Bei jedem Oberflächentyp müssen für die befestigen Flächen (Verkehrsflächen und Dachflächen) und den nicht befestigten Flächen noch folgende Parameter eingegeben werden:
Rezession K, Start- und Endwert nach Horton sowie die Rauigkeit werden aus einer Tabelle mit Erfahrungsberichten (siehe Anhang ) übernommen (BARTHAUER, 2013).
Diese 4 Parameter stehen im engen Zusammenhang mit dem Bodenaufbau, und können daher mit Hilfe der digitalen Bodenkarte ermittelt werden.
Im Feld Neigung wird der Mittelwert der betreffenden Neigungsgruppe eingegeben.
Die Streifenbreite ist ein HydroCad spezifischer Wert und dient zur Berechnung des Fließweges der flächenmäßigen Anteile von Dachflächen und Verkehrsflächen (BARTHAUER, 2013).
Der Muldenverlust gibt den Verlust des Niederschlages an, welcher in Mulden bzw.
Geländeunebenheiten zu Stande kommt. Unter Benetzungsverlust versteht man wiederum einen Verlust des Niederschlages, welcher entsteht, bis eine Fläche vollkommen benässt ist. Für die genau Berechnung von Muldenverlust und Benetzungsverlust wird auf die Fachliteratur verwiesen (zB. (KREITER, 2004)).
3.3 Möglichkeiten für den Einsatz von GIS
Anhand der von HydroCad geforderten Parameter für die hydrodynamische Kanalnetzberechnung, lässt sich erkennen, wo Geoinformationssysteme unterstützend eingesetzt werden können. Dies sind auf Grund ihrer geometrischen Eigenschaften
der Befestigungsgrad
die Zuweisung des Oberflächentyps anhand o der Bodenverhältnisse und
o der Hangneigung
Grundlagen für die Analysen
Ein weiterer Ansatz wäre, das Abflussverhalten der Einzugsflächen mittels GIS Analysen (Flow accumulation) zu bestimmen, und dadurch den Einmündungspunkt der Oberflächenwässer in die Kanalisation zu definieren. Diese Möglichkeit könnte aber auch zu Problemen führen, da Kanäle auch gegen die Hangneigung fließen können.
Eine andere Möglichkeit wäre, wie bereits erwähnt, die ermittelten Hausanschlüsse mit den Grundstücken aus der digitalen Katastralmappe zu verschneiden.
3.4 Auswirkungen der gewählten Parameter
Wie in den folgenden Diagrammen Dargestellt, wirken sich die oben genannten Parameter stark auf den Oberflächenabfluss aus, und können daher das Ergebnis der hydrodynamischen Kanalnetzberechnung stark beeinflussen.
Für die Diagramme wurde ein 10 jährliches Regenereignis gewählt (siehe Abbildung 8).
Die Berechnung wurde, wie im ÖWAV Regelblatt 11 vorgesehen, mit einem Euler Modellregen II durchgeführt. Für eine einheitliche Darstellung der Ergebnisse, wurde eine fiktive Einzugsfläche von ca. 2ha angenommen.
Abbildung 11 soll verdeutlichen, wie sehr sich der Befestigungsgrad auf den Oberflächenabfluss auswirkt.
Abbildung 11: Auswirkungen des Befestigungsgrades
Werden bei 10% Befestigungsgrad nur ca. 40l/s weitergeleitet, so sind es bei 50%
bereits das Dreifache und bei 90% das Sechsfache des Anfangswertes.
Bei Abbildung 12 wird ersichtlich, wie sich Bodenart und Gefälle bei gleichem Befestigungsgrad (10%) auf den Oberflächenabfluss auswirken.
Grundlagen für die Analysen
Abbildung 12: Zusammenspiel von Boden und Gefälle
Es wird ersichtlich, dass Kiesböden um ca. 1/5 weniger Wasser in die Kanalisation weiterleiten als Lehmböden. Einen deutlichen Unterschied des Oberflächenabflusses erkennt man auch bei der Neigung der Flächen. So geben, etwa steile Hänge um ca.80%
mehr Wasser ins Kanalnetz ab als ebene Flächen.
3.5 Datensichtung 3.5.1 Kanalnetz
Das Kanalnetz der zu berechnenden Kanalabschnitte ist in einer BASYS-Datenbank vorhanden. Alle erforderlichen Stammdaten, wie Dimension, Sohlhöhen, Längen usw.
sind darin eingegeben. Das Kanalnetz kann als shp-Datei oder im AutoCad dwg-Format ausgegeben werden.
3.6.2 Einzugsflächen
Die Einzugsflächen sind aus einer älteren Überrechnung übernommen worden, und sind nur geringfügig verändert bzw. ergänzt worden. Sie wurden mittels BASYS-Plan A Modul in die Datenbank eingearbeitet und können ebenfalls als dwg oder shp exportiert werden.
3.6.3 Luftbilder
Da vom Auftraggeber Orthophotos aus dem Jahr 2013 für dieses Projekt zur Verfügung gestellt wurden, wurde auf Analysen an Hand von Sattelitenbilder verzichtet.
In Österreich werden seit 1998 Orthophotos erstellt. Seit 2010 werden diese in einem regelmäßigen Abstand von drei Jahren, von der gesamten Landesfläche erzeugt. Durch
Grundlagen für die Analysen
die Einführung von Bildmessflügen wurde 2005 eine Verbesserung der geometrischen Bodenauflösung erreicht. Die Auflösung der Orthophotos beträgt nun 20cm. Seit 2009 werden die Orthophotos als Echtfarbbilder (RGB) und Farbinfrarotbilder (CIR) geliefert (DORIS, 2013), und können daher auch für die Berechnung des NDVI verwendet werden. Die Orthophotos von Oberösterreich können über das Online Portal des BEV (www.bev.gv.at), oder über die Abteilung für Geoinformation der oberösterreichischen Landesregierung bezogen werden. Die Infrarotbilder, welche für die Berechnung des NDVI notwendig sind, können nicht über das Online Portal bestellt werden, sondern müssen schriftlich bestellt werden.
Die für das Untersuchungsgebiet notwendigen Orthophotos sind: 4933-5002, -5003, -5200 und -5201. Die Orthophotos wurden vom Auftraggeber zur Verfügung gestellt, die Falschfarbbilder wurden vom Büro Hitzfelder & Pillichshammer erworben.
3.6.4 Digitales Geländemodell
In Oberösterreich ist für die Erstellung von Höhenmodellen das Landesverwaltung zuständig. Seit 2011 gibt es von ganz Oberösterreich Laserscandaten, welche eine Punktdichte von ca. 16Pkt./m² und eine Höhengenauigkeit von 5-10cm aufweisen. Auf Grund eines Kooperationsvertrages zwischen den Gemeinden und der OÖ- Landesregierung werden den Kommunen 1m Höhenschichtlinien bzw. 10m Raster Punkte kostenlos zur Verfügung gestellt. Ein 1m Punktraster kann gebührenpflichtig bei der Abteilung für Geoinformation des Landes Oberösterreich angefordert werden (GREIFENEDER, 2013).
3.6.5 Bodenkarte
Die digitale Bodenkarte im Untersuchungsgebiet wurde vom Auftraggeber erworben, und steht als shp-Datei zur Verfügung. Die Bodenkarte enthält im Stadtzentrum keine Angaben über den Bodenaufbau. Die notwendigen Angaben müssen daher von Erfahrungen aus Tiefbauprojekten abgeleitet werden.
Ermittlung der Parameter
4. Ermittlung der Parameter
4.1 Berechnung des Befestigungsgrades
Wie bereits in den vorherigen Kapiteln öfters erwähnt, ist der Befestigungsgrad eine der wichtigsten Voreinstellungen für die hydrodynamische Kanalnetzberechnung. Für die Bestimmung dieses Parameters stehen daher auch einige Möglichkeiten und Methoden zur Verfügung.
Zu Zeiten in denen Orthophotos und Satellitenbilder noch nicht allgegenwärtig waren, wurde der Befestigungsgrad durch Vor-Ort-Begehung und Vermessungen ermittelt.
Diese Methode ist wahrscheinlich die genaueste Methode, wird heute aber aus Zeit- und Kostengründen jedoch nur noch in seltenen Fällen verwendet. Mittlerweile stehen, von fast jedem Punkt der Erdoberfläche, Luftbilder zur Verfügung. Diese stellen eine Ideale Grundlage für die Bestimmung des Befestigungsgrades dar. Eine sehr einfache Methode dafür ist die manuelle Digitalisierung. Hierbei werden die befestigten Flächen manuell mittels CAD oder GIS Programm über die Luftbilder gezeichnet werden. Diese Methode ist für ein kleines Einzugsgebiet mit nur wenigen kleinen Einzugsflächen durchaus empfehlenswert. Für größere Einzugsgebiete ist diese Vorgehensweise jedoch eine sehr zeitaufwändige, und dadurch auch kostenintensive Lösung.
Eine automatische Ermittlung der befestigten Flächen bieten Analysen mittels OBIA.
Wie bereits in Kapitel 2.2.2.3 erwähnt, werden hier anhand mehrerer gleichen Eigenschaften Objekte gebildet. Mit dieser Methode wurden in zahlreichen Projekten schon sehr genaue Aussagen über die Landnutzung getätigt (BLASCHKE, 2010). Für dieses Verfahren sind jedoch sehr gute GIS-Kenntnisse und Erfahrungen in der Fernerkundung erforderlich. Da diese Kenntnisse nur in den wenigsten Zivilingenieurbüros anzutreffen sind, wird diese Methode nicht in der Thesis angewandt.
LISA-Daten können als Ergebnis einer OBIA bezeichnet werden. Diese Daten werden zukünftig eine wesentliche Rolle in der Bestimmung des Befestigungsgrades spielen.
Da aber noch nicht genau gesagt werden kann, ab wann eine flächendeckende Datenbestand vorhanden sein wird, und wie hoch die Kosten für die Anschaffung sind, werden keine Analysen mit diesen Daten in der Thesis durchgeführt.
Ermittlung der Parameter
Abbildung 13: Landbedeckung eines LISA Testdatensatzes in Oberösterreich (GRILLMAYER, et al., 2010)
In einem Projekt der eawag von 1999 wurde versucht, den Befestigungsgrad der Einzugsflächen mittels Farbton der einzelnen Pixel zu ermitteln. Um die Ergebnisse zu verbessern, wurde zu den Farbtönen noch der NDVI hinzugefügt. Das Ergebnis brachte eine Differenz zwischen den von Hand digitalisierten Flächen und den automatisierten Flächen von kleiner 10% (FANKHAUSER, 1999). Aufgrund des hohen Aufwandes für die Klassifizierung durch die Farbtöne, wird in der Thesis versucht, den Befestigungsgrad nur anhand des NDVI zu bestimmen. Den Grundgedanken hierzu bildet die Annahme, dass Oberflächen mit Vegetation sickerfähig sind, und Oberflächen ohne Vegetation versiegelt sind.
4.1.1Ermittlung des NDVI
Wie bereits erläutert, wird in der Thesis versucht die durchzuführenden Analysen mittels Open Source Software zu bewältigen. Aus diesem Grund werden die einzelnen Funktionen in den Applikationen etwas genauer beschrieben. Für die Ermittlung des NDVI wird die Erweiterung Sextante von der gvSig Oberfläche aus ausgeführt.
Da die Orthophotos eine sehr hohe Auflösung aufweisen (0,2x0,2m), würde ein Zusammenfügen der Bilder zu einem Objekt, die Rechenzeit und die Leistungsfähigkeit der Software und der herkömmlichen Hardware überfordern. Aus diesem Grund, wird der NDVI für jedes Falschfarbbild einzeln berechnet.
Ermittlung der Parameter
Der benötigte "Red Layer" ist in den herkömmlichen Orthophotos enthalten. Für den
"near infrared Layer" wird das dazugehörige Falschfarbfoto ausgewählt. Bei beiden Bildern ist der "Red Band" das Band 1.
Um die Rechenzeit der weiteren Arbeitsschritte zu verkürzen, wurde bei den Voreinstellungen des NDVI-Befehles eine Rastergröße von 1x1 ausgewählt. Diese Rastergröße erspart bei der Ermittlung der Flächen einen Arbeitsschritt, da die Pixelgröße einen m² entspricht.
Abbildung 14: vom Orthophoto zum NDVI-Raster
4.1.2 Grenzwertbestimmung
Da von der Überlegung ausgegangen wird, dass Flächen mit einer gesunden Vegetation versickerungsfähig sind (NDVI nahe 1), und Flächen mit keiner Vegetation befestigt sind (NDVI nahe 0), muss nun ein Wert gefunden werden, der die Grenze am Besten wiederspiegelt. Hierfür wird die Testeinzugsfläche 102a ausgewählt. Wie im Übersichtslageplan im Anhang ersichtlich, befindet sich die Einzugsfläche im Stadtzentrum, beinhaltet aber auch kleiner Grünflächen.
Bei dieser Einzugsfläche werden nun die befestigten und nicht befestigten Flächen per Hand eingezeichnet. Für diese Fläche wird auch eine, wie in Punkt 4.1.3 beschriebene, Reklassifizierung des NDVI Rasters solange durchgeführt, bis die digitalisierten und berechneten Flächen annähernd übereinstimmen.
Ermittlung der Parameter
Abbildung 15: links: digitalisierte befestigte Flächen für EZGB 102a; rechts: NDVI für EZGB102a
Die Einzugsfläche hat eine Gesamtfläche von 8049m². Die digitalisierten befestigten Flächen (gelb markiert) ergeben eine Fläche von 5300m², was einen Befestigungsgrad von 68,33% bedeutet. Reklassifiziert man den NDVI Raster mit dem Wert von 0.06, so erhält man eine befestigte Fläche von 65%. Die geringe Abweichung von 3% ist tolerierbar. Der Wert 0.06 wird für alle Einzugsflächen zur weiteren Berechnung verwendet.
Probleme zeichnen sich bei Ackerflächen und Straßen ab. Ackerflächen haben keine Vegetation, und daher einen niedrigen NDVI-Wert, sind aber sickerfähig (Abbildung 10). Da Ackerflächen jedoch keinen Kanalanschluss aufweisen, werden sie auch in der Berechnung nicht berücksichtigt. Straßen sind versiegelte Flächen, weisen aber teilweise einen Wert von über 0,1 auf. Es wird daher, bei reinen Straßeneinzugsflächen vorab ein Befestigungsgrad vergeben.
Abbildung 16: NDVI-Wert einer Ackerfläche
Ermittlung der Parameter 4.1.3 Reklassifizierung
Damit man einen Datensatz mit noch zwei Werten, befestigt und nicht befestigt, muss eine Reklassifizierung durchgeführt werden.
Durch die Berechnung im Testgebiet hat sich ein Grenzwert, zwischen befestigten und nicht befestigten Flächen, von 0.06 ergeben. Mit einem "reclassify" Tool wird der NDVI-Raster neu eingeteilt. Um die Rechenzeit zu verringern, wird jedes NDVI-Bild extra klassifiziert. Bei der Reklassifizierung werden die Parameter so eingegeben, dass alle Werte die größer als 0.06 sind (versickerungsfähig), zu "no Data" werden, und alle Werte kleiner 0.06 (keine Versickerung) erhalten den Wert "1".
Bei der Reklassifizierung kann auch die Auflösung des Rasters verändert werden. Da die neu erstellten Raster zu einem gesamten Raster zusammengefügt werden, wird zur Verringerung der Rechenzeit, eine geringe Auflösung (1x1) verwendet. Nach dem alle NDVI-Rasterbilder reklassifiziert wurden, werden sie mittels "merge" Befehl zu einem Raster für das Einzugsgebiet zusammengefügt. Aufgrund der gewählten Pixelgröße entspricht eine Zelle einem Quadratmeter.
4.1.4 Befestigte Flächen den Einzugsflächen zuordnen
Um herauszufinden wie groß die befestigte Fläche einer Einzugsfläche ist, müssen der Raster und die Einzugsflächen übereinander gelegt werden. In ArcGIS funktioniert dies relativ einfach mit dem "Zonal Statistics as Table" Befehl des "Spatial Analyst" Moduls.
Das Ergebnis des Befehles ist eine Tabelle, mit den Eigenschaften des Rasters bezogen auf die einzelnen Polygone.
Damit man mit einem Open Source Produkt das gleich Ergebnis bekommt, muss man etwas in diversen Foren stöbern, um eine Lösung zu finden. Ein zufriedenstellendes Ergebnis liefert das experimentelle Plugin "ZonalStat" für QGIS. ZonalStat benötigt die Phyton-Erweiterung "scipy" welche im Internet (Scipy-developers, 2013) heruntergeladen werden kann. Das Ergebnis der ZonalStat-Funktion ist eine csv-Datei, in welcher die Anzahl der Zellen mit dem Wert "1" pro Einzugsfläche in der Spalte
"area" eingetragen wird.
Die Zuweisung der befestigten Flächen der jeweiligen Einzugsflächen in das Einzugsflächenshape erfolgt durch einen "join"-Befehl. Ein Join Befehl verbindet zwei
Ermittlung der Parameter
verschiedene Datensätze miteinander. Voraussetzung dafür ist, dass Beide ein Tabelle besitzen, in der eine gleiche Bezeichnung oder Id eingetragen ist.
Das Zusammenführen der csv Tabelle und des Shapes erfolgt ebenfalls in QGIS. Damit der join-Befehl ausgeführt werden kann, müssen beide Dateien in die Software geladen werden. Als Join-Field dient die Spalte "Bezeichnung". Das Shape enthält jetzt die Summe der befestigen Flächen pro Einzugsfläche, jedoch noch nicht die gesamte Größe der einzelnen Einzugsflächen. Die Ermittlung der Fläche, sowie die anschließende Berechnung des Anteils der befestigten Flächen erfolgt über den QGIS Feldrechner.
Das Feld für die Gesamtfläche erhält den Namen "gesamtFl". Den nötigen Befehl zur Berechnung findet man in der Funktionsliste unter Geometrie. Für die Berechnung des Anteils der befestigten Flächen wird das vorhandene Feld "Abflussbei" erneuert. Der Ausdruck für die Berechnung des Feldes lautet: "area" / "gesamtFl". Die Feldnamen können ebenfalls über die Funktionsliste, unter "Felder und Werte" ausgewählt werden.
4.2 Berechnung der Hangneigung
Die Berechnung der Hangneigung erfolgt auf der Grundlage einer Airborne Laserscanning Aufnahme. Dieser wurde bei der OÖ-Landesregierung erworben, und steht als xyz-Punktdatei zur Verfügung.
Eine Alternative zu dem hier beschriebenen Weg wäre eine Ermittlung mittels 1 Meter Höhenschichtlinien, welche den Kommunen von der OÖ-Landesregierung zur Verfügung gestellt werden. Hierbei kann die Hangneigung manuell oder automatisch ermittelt werden. Bei der manuellen Methode wird anhand des Höhenunterschiedes zwischen der höchsten und der die niedrigsten Höhenlinie, und der Länge der Einzugsfläche die Neigung berechnet. Um diesen Ablauf zu automatisieren, sind die selben Schritte notwendig wie ab Punkt 4.2.1 beschrieben.
4.2.1 Erstellung eines DGM
Bevor mit der Ermittlung der Hangneigung begonnen werden kann, muss zuerst ein DGM aus den Punktraster erstellt werden. Wie bereits erwähnt, hat der Laserscann eine Punktdichte von ca. 16Pkt./m², was zu einer sehr hohen Datengröße führt, und die Open Source Produkte an die Leistungsgrenze bringt. Um eine schnellere Berechnung zu ermöglichen, stünde auch eine Punktwolke mit einer geringeren Punktdichte zur
Ermittlung der Parameter
Verfügung. Dieser könnte jedoch zu Verlusten in der Genauigkeit führen, und daher in diesem Fall nicht angewandt wird.
Für das Arbeiten mit einer hohen Datenmenge hat sich SAGA als leistungsstärkstes Programm behauptet.
Vorweg müssen in SAGA die ALS-Punkte geladen werden. Dies erfolgt über den Befehl "Import Point Cloud from Text File". Aus diesen Punkten wird nun das DGM Raster erstellt. Da keine Bruchkanten vom Untersuchungsgebiet vorliegen, und auch nicht unbedingt benötigt werden, wird direkt eine Interpolation mit der "Inverse Distance Weighting" (IDW) Methode durchgeführt. Für nähere Informationen zum Thema Interpolationsverfahren wird auf die Fachliteratur der Geostatistik verwiesen.
Das Ergebniss der Analyse ist ein Raster mit einer Auflösung von 1m. Für Geländeanalysen und Interpretationen stehen in SAGA, unter "Terrain Analyses", sehr viele Anwendungen zur Verfügung. Zur besseren Veranschaulichung des Untersuchungsgebietes wurde mit dem Tool "Analytical Hillshading" ein Geländerelief erzeugt. Anhand der Abbildungen 13 und 14 ist sehr gut zuerkennen, dass es sich um ein sehr ebenes Gelände handelt.
Abbildung 17: links: Gelände Relief des Untersuchungsgebietes; rechts: DGM des Untersuchungsgebietes erstellt in SAGA
4.2.2 Berechnung des Gefälles
Mit dem Erstellten DGM kann nun das Gefälle der Einzugsflächen ermittelt werden.
Die Berechnung des Gefälles der Einzelnen Rasterzellen, erfolgt mit dem Befehl
"Slope, Aspect, Curvature".
