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9. Seminar GIS & Internet vom 13. bis 15. September 2006 – UniBwMünchen Dr. techn. habil. Molnar
GIS-Anwendungen in der hydrologischen Modellierung von Hochwasserereignissen
9. Seminar GIS & Internet vom 13. bis 15. September 2006 – UniBwMünchen Dr. techn. habil. Molnar
Gliederung
• HORIX-Projekt• Modellsystem ASGi• Erforderliche Daten, Datenbedarf• Verwendete raumbezogene Daten, Input-Output• Werkzeuge zur Unterstützung des Modellsystems• Einbettung des hydrologischen Modellsystems in GIS• Darstellung der Ergebnisse der Modellierung mit dem
UMN-MapServer• Zusammenfassung, Ausblick
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Das HORIX-ProjektMeteorologie Hydrologie Hydraulik
Vorhersage- kette
Lokalmodell (DWD)
N-A-Modell Hydraulisches Modell
Analyse der
Unsicherheit
Gebietsspezifische Analyse hochwasserauslösender
Wetterlagen
• Sensitivitätsanalyse • Ausweisung hw-relevanter
Parameter, -bereiche
Stochastisch erweitertes N-A-Modell [ EXM, sxM, r(M,P) ] n
Unsicherheits- bestimmung
Monte Carlo Simulation zur Bestimmung der Gesamtunsicherheit
EXQ, sxQEXW, sxW
EXA, sxA
Operationelles System
Regelbasiertes Expertensystem Input: aktuelle und prognostizierte meteorologische Situation, Gebiets- und Abflusszustand
Output: Vorhersage von W und Q an ausgewählten Pegeln inkl. Unsicherheit, Überschwemmungskarten
EX . Erwartungswert P ... Niederschlag sx .. Standardabweichung Q ... Abfluss r ... Korrelation W ... Wasserstand M .. hochwasserrelevante Parameter des N-A-Modells A ... Überflutungsfläche n .. Anzahl der hochwasserrelevanten Parameter k ... Anzahl der Vorhersagezeitpunkte
k
• Sensitivitätsanalyse • Parametervariationen der
Sohlrauheit
EXP, sxP = f (Wetterlage, Vorhersage)
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Einzugsgebiete- für die Modellkette- für die Unsicherheitsanalyse- für das Expertensystem
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Ziele des Vorhabens
• Verbesserung des Hochwassermanagements in mesoskaligenEinzugsgebieten auf Basis der Hochwasserwirkungskette „Niederschlagsvorhersage – Niederschlag-Abfluss-Modell – hydraulisches Modell“
• Analyse der Modellunsicherheiten der Teilelemente der Wirkungskette
• Integration zu einer gesamten Vorhersageunsicherheit (frühzeitigere und zuverlässigere Warnungen)
• Einbeziehung der Unsicherheiten in den Prozess der Hochwasserwarnung und der Gefährdungsabschätzung mit Hilfe eines regelbasierten Expertensystems (operationeller Einsatz)
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Kurzdarstellung des Modelsystems ASGi
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Das ASGi Modellsystems (nach Schulla)
I n t e r p o la t i o n d e rm e t e o r o lo g i s c h e n
E i n g a n g s d a t e n
A b s c h a t t u n g s - u n dE x p o s i t io n s k o r r e k t u r f ü r
S t r a h lu n g u n d T e m p e r a t u r
p o t e n t i e l l e u n d r e a l eV e r d u n s t u n g
S c h n e e a k k u m u la t io nu n d - s c h m e l z e
I n f i l t r a t i o n /B i l d u n g v o nO b e r f l ä c h e n a b f l u s s
I n t e r z e p t i o n
A b f lu s s r o u t in g
B o d e n s p e i c h e r V e r s i c k e r u n g K a p i l l a r a u f s t i e g
i n a k t i v e Z o n e
g e s ä t t ig t e Z o n e
u n g e s ä t -t i g t eZ o n e
V e r s i c k e r u n g
z e l l w e i s e B e r e c h n u n g
E v a p o r a t io n v o n d e rS c h n e e o b e r f l ä c h e
E v a p o r a t io n a u s d e mI n t e r z e p t io n s s p e ic h e r
E v a p o t r a n s p ir a t i o na u s d e m B o d e n u n dv o n d e r V e g e t a t i o n
B i l d u n g v o nD i r e k t a b f l u s s
B i ld u n g v o nB a s i s a b f l u s s
G e s a m t a b f l u s sT r a n s l a t i o n s - R e te n t i o n s -V e r f a h r e n m i t k o n s t a n t e nP a r a m e te r n
S ä t t ig u n g s f lä c h e n a n s a t zn a c h B E V E N a n d K I R K B Y( 1 9 7 9 , T O P M O D E L )
I n f i l t r a t io n s m o d e l l n a c hG R E E N a n d A M P T ( 1 9 1 1 )m i t S ä t t ig u n g s z e i t n a c hP E S C H K E , 1 9 7 7 , 1 9 8 7
B l a t t f lä c h e n in d e x - a b h ä n g i -g e m a x i m a le S p e ic h e r -k a p a z i tä t , E n t l e e r u n g :p o t e n t i e l l e V e r d u n s tu n g
K o m b in a t i o n s v e r fa h r e nn a c h A N D E R S O N ( 1 9 7 3 )o d e r T - I n d e x V e r f a h r e n
P E N M A N - M O N T E I T H n a c hM O R E C S - S c h e m a( T H O M P S O N e t a l . , 1 9 8 1 )
h ö h e n a b h ä n g ig e R e g r e s -s i o n u n d / o d e r I n v e r s eD i s ta n c e W e i g h t i n g I n te r -p o la t i o n ( I D W ) ; T h i e s s e n
S t r a h l u n g s k o r r e k t u ra b h ä n g ig v o n S o n n e n s ta n du n d H a n g g e o m e t r i e
N i e d e r s c h l a g s k o r r e k t u rw in d a b h ä n g i g e K o r r e k t u rf ü r S c h n e e u n d R e g e ng e t r e n n t ; l i n e a r
B i l d u n g v o nZ w i s c h e n a b f lu s s
E i n le s e n d e r D a t e n s ä t z e
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Eigenschaften von ASGi
• physikalisch basiertes flächendetailliertes Modell
• besteht aus Modulen zur Erfassung von Komponenten des Wasserhaushaltes (laterale u. vertikale Wasserflüsse):
• Niederschlag • Schnee• Interzeption• Evapotranspiration• Bodenwasserhaushalt• Routing
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Leistungsspektrum von ASGi
räumlich und zeitlich hoch aufgelöste Berechnungen der Wasser- und Stoffströme (frei wählbare Maschenweite und Zeitschrittweite)beliebige Szenarienrechnungen zu veränderten Randbedingungen (Landnutzung, Flächenbewirtschaftung, Klima)an die jeweilige Datenlage angepasste Berechnungsalgorithmenmenü- und dialogorientierte Benutzerführung durch alle Programmteile sowie weitgehend automatisierte Abarbeitungkomplexe Modellierungsarbeiten in einem einzigen, modularen ProgrammsystemAnfangsbedingungen als räumlich verteilte Daten können eingelesen werdenflexible Auswahl von Ausgabeoptionenoptionale Gütekriterienumfangreiche Online-Hilfenmit GIS-gestützten Ressourcen ausgestattet, die keine GIS-Kenntnisse vom Nutzer erfordernmodular aufgebaut
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Konfigurierung des Modells
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Konfigurierung des Modells
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Interne Buchführung
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GIS – zu ASGi
menü- und dialoggestützte Datenkonvertierung und -Überprüfung bei Zeitdaten
komfortable interaktive Datenmanipulation im Sinne von Szenario-Analysenweitgehend automatisierte Generierung der modellseitig benötigten Raumdaten unter GIS-Nutzung sowiebreiter Einsatz von GIS-Visualisierungstechnikenzahlreiche Auswahl zwischen verschiedenen Aggregierungsmethoden
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Datenbedarf (nach ASGi Dokumentation)
WASSERFLUSS STOFFTRANSPORT
Gemeinden
Temperatur
Abfluß (Kontrolle)
Niederschlag
Düngungsmaßzahlen undFruchtfolge-Informationen
auf GemeindeebeneSediment- oder Phosphor-
frachten (Kontrolle)
StrahlungSonnenscheindauer
LuftfeuchteWindgeschwindigkeit
Düngungsmaßzahlen undFruchtfolge-Informationen
auf Gemarkungsebene
Digitales Höhenmodell
Landnutzung
Bodenart
Gerinne- und Pegelnetz(Kontrolle)
FLÄCHENDATEN
ZEITREIHENDATEN
Q
t
T
t
P
t
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ASGI / LINUX
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ASGI / LINUX mit GRASS
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DHM mit Dreieck - Elementen für das 2D-Modell
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Modellgebiet: Oberer Main
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Darstellung des Modellgebietes mit dem MapServer
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Modellierte Flussstrecke (2D-Modell)
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Überschwemmungsgebiet mit Luftbild
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Ausschnitt aus dem Überschwemmungsgebiet
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Zusammenfassung
• Bei der hydrologischen / hydraulischen Modellierungen nehmen raumbezogene Daten eine wesentliche Rolle ein
• Diese Daten bilden die Grundlagen für flächendetaillierte, räumlich hoch aufgelöste Modelle
• Die raumbezogenen Daten sind nicht nur als zusätzliche Informations-quellen zu betrachten sondern sie bilden einen wichtigen Teil des Modell-Inputs (DHM, digitales Bodenmodell, digitales Landnutzungsmodell)
• Auf Basis der raumbezogenen Inputdaten werden weitere raumbezogene Daten generiert/abgeleitet (Gewässernetz, Einzugsgebiete der Pegel, Niederschlagsfeld, usw)
• Zur Handhabung der raumbezogenen Geodaten ist der aktive, aus dem hydrologischen Modell gesteuerte Einsatz eines GIS erforderlich
• Darüber hinaus ist das GIS-System innerhalb des hydrologischen / hydraulischen Modells ein wichtiges Werkzeug zur Analyse und Visualisierung der Sachverhalte (Überschwemmungsflächen, Wohnsiedlungen, usw.)
• ein wichtiges Merkmal im HORIX-Projekt ist die Anwendung von OpenSource-Software (GRASS, LINUX, UMN-MapServer, usw.)