Hydrologie und

Hydrologie und

Flussgebietsmanagement

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

Institut für Wasserwirtschaft, Hydrologie und konstruktiver Wasserbau

Gliederung der Vorlesung

z Statistische Grundlagen

z Extremwertstatistik

z Korrelation und Regression

z Zeitreihenanalyse und Anwendung

z Regionalisierung & räumliche Interpolation

z Bodenwasserhaushalt

z Grundwasserhaushalt

z N-A Modelle – Einheitsganglinie

z N-A Modelle – kombinierte Translations- und Speichermodelle

z Kontinuierliche N-A Modelle

z Retention und Flood Routing

z Hydrologische Vorhersagen

z Flussgebietsmodelle

z Stofftransport

z Sedimenttransport – Modellierung

Allgemeines

¾ Bisher

• Abflussberechnung aus dem Oberflächenabfluss (Teilabfluss)

• Momentaufnahme

z UH

z Hyreun

¾ Kontinuierliche Niederschlags-Abflussmodelle

• Simulation des gesamten Abflussspektrums (auch Niederwasser)

• Langzeitdarstellung

• Berücksichtigung der räumlichen Variabilität (zB. Höhenabhängigkeit)

Modelltypen

¾ Flächenverteilte, physikalisch basierte M.

(White-Box M.)

• Physikalische Prozesse mit entsprechenden Gleichungen

• Enormer Aufwand an Daten und Rechenzeit

• Oft: Simulation einzelner Elemente des Wasserkreislaufs

z Bodenwasserhaushaltsmodell

z Schneedeckenmodell

• Sonderstellung: SVAT

z Boden-Pflanzen-Atmosphären-Transfer-Modell

z Weg des Wassers durch den Boden

Zeitliche Diskretisierung

¾ Zeitfenster

• Ereignis bezogen

• kontinuierlich

¾ Rechenzeitschritte

• Stunden

• Tag

• Dekaden

• Monate

Kontinuierliche N-A Modelle

¾ Arbeiten über längere Zeiträume

¾ Können ganze Flussgebiete modellieren

¾ Können in beliebige räumliche Einheiten zerlegt werden

Räumliche Diskretisierung

¾ COSERO

• Flächenanteile mit ähnlicher hydrologischer Charaktersitik

• Berechnung für große Einzugsgebiete = Teileinzugsgebiete – Gliederung in

z Höhenzonen

z Versiegelte Flächen – Wasserflächen

z Bodentypen

z Unbefestigte Wege

¾ EGMO

• Ähnliche Unterteilungen wie COSERO, zusätzlich Hangflächen

Kontinuierliche Einzugsgebietsmodelle

¾ (1) Ereignis bezogen

z Man benötigt Startwerte

z Man ermittelt Verluste (Interzeption, Muldenverluste, Versickerung,…)

z Der Effektivniederschlag wird in den Abfluss transformiert

¾ (2) Kontinuierlich

z Der Wasserkreislauf wird modelliert

z Die Wasserbilanz bleibt erhalten

z Die wesentlichen Teilprozesse werden abgebildet

LISFLOOD

¾ Datenanforderung

z Zeitliche Diskretisierung

• Fixe Zeitschritte

Typisch: 2 bis 20 sec

• Adaptierte Zeitschritte

abhängig von Rastergröße

z Räumliche Diskretisierung

• Grundlage: DKM

• Unterteilung an

z Messpegeln

z Größeren Zubringern

• Zusätzlich

z Landbedeckung

z Bodenart / -textur Bodenmächtigkeit

LISFLOOD

¾ Grundlage des Niederschlag-Abfluss Modells LISFLOOD (Anwendung für ganz Europa)

• Prognose der Abflusswelle im Gerinne mittels 1D St.Venant- Gleichung

• Überflutung des Umlandes mittels 2D Manning-Gleichung

• Speicherzellenkonzept über Raster

• Digitales Geländemodell als Grundlage

¾ Methodik

• Räumliche Diskretisierung

z Bodenregion = Soilregion

z Bodenform = Soilscape

z Bodenkörper = Soilbody

Beschreibung des vorliegenden Bodens

• Ausgangsgestein

• Höhenlage

• Klima

Bodenbedeckung mit

funktionellen Zusammenhang

• Hangneigung / Hanglänge

• Höhe

Räumliche Diskretisierung

¾ Raster

z.B. LARSIM

¾ Mit Hilfe des DTM wird festgelegt, welche Rasterzelle wohin entwässert

Räumliche Diskretisierung

¾ Raster

z.B. LARSIM

¾ Hydrological Response Units (HRU)

oder Hydrotope wie in COSERO (IWHW)

¾ GIS Verschneidung von Höhenzonen, Landnutzung, Bodentypen,…

COSERO

¾ Datenerfordernisse

¾ Landinformationen

¾ Meteorologische Daten (P,T)

¾ Hydrologische Daten Q

Zonenstruktur in einem Teilgebiet

Beschreibung einer Zone

Kombination von Zonen

Zonen:

hydrologische Einheiten (hydrological response units = HRUs)

Untereinzugsgebiet:

Setzt sich aus den Zonen zusammen

Einzugsgebiet:

Für jeden Auslass der Untereinzugsgebiete wird der Abfluss pro

Zeitschritt errechnet

Input Data

¾ Temperatur T und Niederschlag P sind mittels Interpolation fuer jede Zone berechnen

¾ Für N hat sich External Drift Kriging gut bewährt

¾ Für T ist Höhenabhängigkeit ausgeprägt

P=P(X,h,t) EDK (Trend und räumliche Korrelation) T=T(X,h,t) Höhenabhängige Interpolation

* 100 )

( k

h h

T

T_j = _m − _m − _j

Diskussion der Komponenten

¾ Interzeption

¾ Schneedecke

¾ Oberster Bodenhorizont

¾ Verdunstung

¾ Oberflächenabfluss

¾ Interflow

¾ Basisabfluss

¾ Gerinnerouting

Unterteilung: Regen und Schnee

T Temperatur P Niederschlag

Schneeanteil = Psnow =α*P Regenanteil = Prain= (1-α) * P

Prain Regenanteil des Niederschlags Psnow Schneeanteil des Niederschlags

SNOWTRT Grenztemperatur unterhalb welcher der Niederschlag nur noch in Form von Schnee fällt

RAINTRT Grenztemperatur oberhalb welcher der Niederschlag nur noch in Form von Regen fällt

SNOWTRT RAINTRT Schneeanteil

1

0

Lufttemp.

SNOWTRT RAINTRT

Schneeanteil

1

0

Lufttemp.

100 %

α

0 %

Unterteilung: Regen und Schnee

T Temperatur P Niederschlag

Schneeanteil = Psnow =α^*P Regenanteil = Prain= (1-α^{) * P}

Prain Regenanteil des Niederschlags Psnow Schneeanteil des Niederschlags

SNOWTRT Grenztemperatur unterhalb welcher der Niederschlag nur noch in Form von Schnee fällt

RAINTRT Grenztemperatur oberhalb welcher der Niederschlag nur noch in Form von Regen fällt

SNOWTRT RAINTRT Schneeanteil

1

0

Lufttemp.

SNOWTRT RAINTRT

Schneeanteil

1

0

Lufttemp.

100 %

α

0 %

Hohenpeissenberg

Interzeption

¾ Systemzustand durch gespeicherte Wassermenge gekennzeichnet

¾ Input: Niederschlag

¾ Ausgang: Verdunstung + Überlauf (Durchfall)

Interzeption

¾ Interzeptionsspeicher: Baum-Strauch- Krautschicht

Aufteilung des Neuschnees

¾ Schneefall wird innerhalb einer Zone log-NV verteilt, damit ist schrittweise Ausaperung möglich

Schneehöhe

Gemessene Neuschneehöhe

Schneeakkumulation

¾ Schneespeicher ist durch Schneehöhe und Schneewasserwert gekennzeichnet

¾ Für jeden Zeitschritt sind beide zu ermitteln

¾ Neuschneedichte wird auf Grund des

gemessenen verflüssigten Niederschlages und der gemessenen Neuschneehöhe ermittelt

Schneedecke

¾ Akkumulation und Ablation

SMTpot = RAINM + TEMPM RAINM = PNETRAIN *C0 *T TEMPM = CT(t) *( T-THTR)

T aktuelle Lufttemperatur

THTR Schwellenwert ab dem Schmelze auftritt

CT jahreszeitlich veränderlicher Schmelzfaktor [mm/°C/Zeitintervall]

CTRED Parameter zur Reduktion des Schmelzfaktors durch Neuschnee CTMAX maximaler Schmelzfaktor am 21. Juni

CTMIN minimaler Schmelzfaktor am 21. Dezember SMTpot potentielle Schmelzrate des Schnees

RAINM durch Regen verursachter Schmelzanteil TEMPM durch Temperatur verursachter Schmelzanteil

Schneeschmelze

Der Schnee kann eine bestimmte flüssige Wassermenge speichern (Porenstruktur) Schneeschmelze wird nach Grad-Tag- Methode für jede Klasse berechnet

SNOWMELT = CT*TMPos + Sublimation CT Grad-Tag Faktor

TMPos Mittel der positiven Temperaturen

Die Bilanzgleichung des Schneespeichers (Schneewasserwert):

KSW(t+Δt) = KSW(t) +f(PNETrain) + f(Psnow) – SNOWMELT –SUBLIMATION

f(PNETrain) Anteil des Regens der auf den schneebedeckten Teil des Bodens

f(Psnow) Schneefall wird mit einer log-normal Verteilung über die Schneeklassen aufgeteilt

Schneeschmelze

SNOWMELT = f(SMT, KSW, KSROH, KETAS)

MELT Schmelzanteil der jeweiligen Schneeklasse

SMT aktuelle Schmelzrate = Min(SMTpot, vorhandenem Schnee) KSW Schneewasserwert der jeweiligen Schneeklasse

KSROH Schneedichte

KETAS Sublimation (aktuelle Evapotranspiration vom Schnee)

Schmelzabfluss MELT

MELT= Max(0, Min(SNOWMELT-MELTROUT))

Die Bilanzgleichung des Schneespeichers :

KSW(t+Dt) = KSW(t) +f(PNETrain) + f(Psnow) – MELT – KETAS

f(PNETrain) Anteil des Regens der auf den schneebedeckten Teil des Bodens

Bodenspeicher

¾ Systemzustand ist durch Wasserspeicherung im Boden gekennzeichnet

¾ Input: Zuflüsse aus Schnee + Regen

¾ Ausgänge: Evapotranspiration + Versickerung

¾ Parametrisierung: Sättigung, Feldkapazität, Welkepunkt, max. Infiltrationsrate

Bodenspeicher

TSOIL(t+Δt) = TSOIL (t) * 1/(1+W) + TZON *W/(1+W)

Zeitintervalls RDT [h] berechnet.

W = RDT/24 * 0.5

Q1 = PNETRAIN + MELT

BW0(t+Δt) = BW0(t) + Q1 – ETA – VS1 – VS2 VS1= Q1* (BW0(t) / FK)^β

VS2 = BW0(t) * (1-e-(ΔT/KBF)) QVS0 = VS1+ VS2

BW0(t)[-] aktuelle Bodenfeuchte FK [-] Feldkapazität

BETA Anpassungsparameter

Schnelle Versickerung

Verdunstung

¾ Ermittlung der potentiellen Verdunstung

geo

a f

I t t T

ETP 10* ( )) *

(

* 0 . 16 )

0( =

ETP₀ potentielle Evapotranspiration für eine horizontale Fläche für ein Monat T aktuelle Temperatur [°C]

I Wärmeindex für 12 Monate

a Kennwert in Abhängigkeit des Wärmeindex

f_geo Korrekturfaktor für die Sonnenscheindauer in Abhängigkeit von der geographischen Breite Die verwendeten Faktoren sind in Bretschneider et al. (1982) tabelliert.

¾ Berechnung der aktuellen Verdunstung

ETAT(t) = ETAI(t) + ETAS(t) + ETAG(t)

Aktuelle Verdunstung

ALPHA

WP FK S Bodenfeuchte

ETA= ALPHA(BF)* ETP

1. Speicher: Oberflächenabfluss

QAB1 = BW1(t)*(1- e-Δt/TAB1) QVS1 = BW1(t) * (1-e-Δt/TVS1)

BW1(t + Δt) =BW1(t) + QVS0 – QAB1 –QVS1

2. Speicher: Interflow

¾ QAB2 = BW2(t) * (1 – e –Δt/TAB2)

¾ QVS2 = BW2(t) * (1 – e –Δt/TVS2)

¾ BW2(t + Δt) = BW2(t) +QVS1 –QAB2 – QVS2

3. Speicher: Grundwasserabfluss

¾ QAB3 = BW3(t) * (1 - e –Δt/TAB3)

¾ BW3(t + Δt) = BW3(t) +QVS2 –QAB3

Routing

¾ QAB4 = BW4(t) * (1 – e –ΔT/TAB4)

¾ BW4(t + Δt) = BW4(t) + QAB1 + QAB2 –QAB4

Anwendung:

¾ Generelle Beurteilung der Modellgüte

¾ Formale Beurteilung der Modellgüte

¾ Prüfung der Wasserbilanz

¾ Ereignis bezogene Modellierung

¾ Anthropogene Veränderungen

z Landnutzung

z Flussbau

z Versiegelung

z Klima

Anwendung:

¾ Generelle Beurteilung der Modellgüte

Anwendung:

¾ Generelle Beurteilung der Moellgüte

Autokorrelation

Nash Sutcliffe

Quadratsumme

Formale Beurteilung der Modellgüte

∑

= (Qm_t Qo_t)² SAA

) )

( ( var )

) ( ( var

) )

( )(

) ( cov(

2 / 1 2

/ 1

m m

o o

m m

o o

Q t

Q Q

t Q

Q t

Q Q

t r Q

−

⋅

−

−

= −

∑

∑

−

−

−

=

t

o o

t

m o

Q t

Q

t Q t Q

E ₂

2

) )

( (

)) ( )

( ( 1

Vorgangsweise

¾ Datenprüfung (oft viele Fehler und fehlende Werte)

??

Einzelereignis Sommersummen

Vorgangsweise

¾ Datenprüfung (oft viele Fehler und fehlende Werte)

¾ Schätzung von Initialparametern aus GIS- Informationen

¾ Auswahl eines Zeitabschnittes T1 für Kalibrierung

¾ Auswahl eines Zeitabschnittes T2 für Validierung

¾ Modelldiagnose

Vorgangsweise bei Kalibrierung

¾ Startparameter

¾ Erfüllung der Wasserbilanz (Jahr, Saisonal)

¾ (eventuell P(x,t) ändern)

¾ Anpassung der Niederwasserphasen (Grundwasserspeicher)

¾ Anpassung der Schmelzphasen (Schneemodul)

¾ Anpassung der Hochwässer (Oberflächenspeicher, Boden)

Gliederung des Einzugsgebietes

Oberndorf Salzburg Lammer

Obere Saalach Mittersill

Relative mittlere Bilanz der hydrologischen Jahre 03/04, 04/05, 05/06, 06/07 zu weinig simuliert

zu viel simuliert

+

‐ Vergleich Wasserbilanz

Langfristiges Verhalten

Datenlücken

Langfristiges Verhalten

Langfristiges Verhalten

Sommer08 November08 Mittersill unterschätzt überschätzt

Wald OK OK

Analysen Nov2008 Analysen Sommer 2008 beobachtet

Einzelereignisse: HW 23.August 2005

Einzelereignisse: HW 23.August 2005

Analysen Nov2008 Analysen Sommer 2008 beobachtet

Anthropogene Einflüsse: Wasserkraft

Anthropogene Effekte

¾ Traisental

¾ Daten über ca 150 Jahre

¾ Vergleich unterschiedlicher Landnutzungen etc.

Modelldiagnose: Schneebedeckung

Umrisse MODIS‐

Schneeedeckung

27.April 2008 16.Juli 2008

Umrisse MODIS‐Schneebedeckung

16.Juli 200816.Juli 2008

Oberpinzgau bis  Mittersill

Lammer

Schneebedeckung Frühjahr 2008  Vergleich Modell ‐ MODIS

Oberes Gasteinertal

obere Saalach Schneebedeckung Frühjahr 2008 

Vergleich Modell ‐ MODIS

Diskussion und Zusammenfassung

¾ Überblick über zeitlich kontinuierliche und räumlich verteilte Modelle

COSERO (A) PREVAH (CH) HBV (S)

¾ Darstellung des Modellaufbau in Form von HRUs

¾ Darstellung der Prozesse

¾ Kalibrierung und Validierung

¾ Anwendungsbeispiel Salzach

¾ Datenprüfung !!!

¾ Auswirkung direkter anthropogener Eingriffe im Oberen Traisental:

• Flussbau: Vergrößerung von HW-Scheitelwerten um ~ 10%

• Versiegelung: Vergrößerung von HW-Scheitelwerten um ~ 0.5%

• Landnutzung: Verringerung von HW-Scheitelwerten und –Fracht um ~ 20%

• Gebietserschließung: Vergrößerung von HW-Scheitelwerten um

~ 1%

Zusammenfassung