GIS-Anwendungen in der hydrologischen Modellierung von Hochwasserereignissen

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1 GIS-Anwendungen in der hydrologischen Modellierung von Hochwasserereignissen 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 1

2 Das HORIX-Projekt Meteorologie Hydrologie Hydraulik Vorhersagekette Lokalmodell (DWD) N-A-Modell Hydraulisches Modell Gebietsspezifische Analyse hochwasserauslösender Wetterlagen Sensitivitätsanalyse Ausweisung hw-relevanter Parameter, -bereiche Sensitivitätsanalyse Parametervariationen der Sohlrauheit Analyse der Unsicherheit Unsicherheitsbestimmung Stochastisch erweitertes N-A-Modell [ EXM, sxm, r(m,p) ] n Monte Carlo Simulation zur Bestimmung der Gesamtunsicherheit Operationelles System EXP, sxp = f (Wetterlage, Vorhersage) EXQ, sxq EXW, sxw EXA, sxa Regelbasiertes Expertensystem Input: aktuelle und prognostizierte meteorologische Situation, Gebiets- und Abflusszustand Output: Vorhersage von W und Q an ausgewählten Pegeln inkl. Unsicherheit, Überschwemmungskarten k EX. Erwartungswert sx.. Standardabweichung r... Korrelation M.. hochwasserrelevante Parameter des N-A-Modells n.. Anzahl der hochwasserrelevanten Parameter P... Niederschlag Q... Abfluss W... Wasserstand A... Überflutungsfläche k... Anzahl der Vorhersagezeitpunkte Einzugsgebiete - für die Modellkette - für die Unsicherheitsanalyse - für das Expertensystem 2

3 Ziele des Vorhabens Verbesserung des Hochwassermanagements in mesoskaligen Einzugsgebieten 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) Kurzdarstellung des Modelsystems ASGi 3

4 Das ASGi Modellsystems (nach Schulla) Einlesen der Datensätze zellweise Berechnung N iederschlagskorrektur Interpolation der m eteorologischen Eingangsdaten Abschattungs- und Expositionskorrektur für Strahlung und Tem peratur windabhängige Korrektur f ür Schnee und Regen g etrennt; linear höhenabhängige Regression und/oder Inverse D istance W eighting Interp olation (IDW ); Thiessen Strahlungskorrektur abhängig von Sonnenstand und Hanggeometrie Evaporation von der Schneeoberfläche Evaporation aus dem Interzeptionsspeicher Evapotranspiration aus dem Boden und von der Veg etation Sättigungsflächenansatz nach BEVEN and K IR K B Y (1979, TOPMODEL) P ENMAN - M ONTEITH nach M O RECS-Schem a ( T HOMPSON et al., 1981) K ombinationsverfahren nach ANDERSON (1973) oder T-Index Verf ahren B lattflächenindex-abhängig e maximale Speicherkapazität, Entleerung: p otentielle Verdunstung I nfiltrationsmodell nach G REEN and A MPT (1911) mit Sättigungszeit nach P ESCHKE, 1977, 1987 Bildung von Direktabfluss Bildung von Zwischenabfluss Bildung von B asisabfluss potentielle und reale Verdunstung Schneeakkumulation und -schm elze Interzeption Infiltration/B ildung von Oberflächenabfluss ungesättigte Bodenspeicher Versickerung Zone Kapillaraufstieg Versickerung inaktive Z one gesättigte Zone Translations-Retentions- Verfahren mit konstanten P arametern A bflussrouting Gesamtabfluss 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 4

5 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 Berechnungsalgorithmen menü- und dialogorientierte Benutzerführung durch alle Programmteile sowie weitgehend automatisierte Abarbeitung komplexe Modellierungsarbeiten in einem einzigen, modularen Programmsystem Anfangsbedingungen als räumlich verteilte Daten können eingelesen werden flexible Auswahl von Ausgabeoptionen optionale Gütekriterien umfangreiche Online-Hilfen mit GIS-gestützten Ressourcen ausgestattet, die keine GIS-Kenntnisse vom Nutzer erfordern modular aufgebaut Konfigurierung des Modells 5

6 Konfigurierung des Modells Interne Buchführung 6

7 GIS zu ASGi menü- und dialoggestützte Datenkonvertierung und -Überprüfung bei Zeitdaten komfortable interaktive Datenmanipulation im Sinne von Szenario- Analysen weitgehend automatisierte Generierung der modellseitig benötigten Raumdaten unter GIS-Nutzung sowie breiter Einsatz von GIS-Visualisierungstechniken zahlreiche Auswahl zwischen verschiedenen Aggregierungsmethoden Datenbedarf (nach ASGi Dokumentation) WASSERFLUSS STOFFTRANSPORT FLÄCHENDATEN Digitales Höhenmodell Landnutzung Bodenart Gerinne- und Pegelnetz (Kontrolle) Gemeinden ZEITREIHENDATEN Niederschlag Q T P t t t Temperatur Abfluß (Kontrolle) Düngungsmaßzahlen und Fruchtfolge-Informationen auf Gemeindeebene Sediment- oder Phosphorfrachten (Kontrolle) Strahlung Sonnenscheindauer Luftfeuchte Windgeschwindigkeit Düngungsmaßzahlen und Fruchtfolge-Informationen auf Gemarkungsebene 7

8 ASGI / LINUX ASGI / LINUX mit GRASS 8

9 DHM mit Dreieck - Elementen für das 2D-Modell Modellgebiet: Oberer Main 9

10 Darstellung des Modellgebietes mit dem MapServer Modellierte Flussstrecke (2D-Modell) 10

11 Überschwemmungsgebiet mit Luftbild Ausschnitt aus dem Überschwemmungsgebiet 11

12 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 Informationsquellen 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.) 12

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