Bachelorarbeit. Vergleich unterschiedlicher Ansätze zur Simulation der Abflussprozesse in HEC-HMS am Beispiel des Sachenbachgebiets

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1 Technische Universität München Ingenieurfakultät Bau Geo Umwelt Lehrstuhl für Hydrologie und Flussgebietsmanagement Univ. Prof. Dr.-Ing. Markus Disse Bachelorarbeit Vergleich unterschiedlicher Ansätze zur Simulation der Abflussprozesse in HEC-HMS am Beispiel des Sachenbachgebiets Name: Eva Tabea Winker Matrikelnummer: Studiengang: Umweltingenieurwesen (B.Sc) Betreuer: Dr.-Ing. Wolfgang Rieger Januar 2016

2 Kurzfassung In der vorliegenden Arbeit wird eine Niederschlags-Abfluss-Modellierung für das Sachenbachgebiet in den Voralpen südlich von München durchgeführt. Unter Verwendung der Software HEC-HMS werden verschiedene Ansätze zur Abflussmodellierung angewendet und verglichen. Die Aufbereitung der Daten erfolgt in HEC-GeoHMS, einem Erweiterungstool für ArcGIS zur Parametrisierung der benötigten Daten. Dort können die Teileinzugsgebiete bestimmt und wichtige Informationen, wie Geländesteigung, Landnutzung oder Bodenverteilung ermittelt werden. Die Daten werden anschließend ohne großen Aufwand nach HEC-HMS importiert. In HEC-HMS werden die Ansätze zur Abflussbildung, Abflusskonzentration und zum Abflussrouting berechnet. Die Parameter können entweder mit den Daten aus HEC-GeoHMS übermittelt oder direkt per Hand eingetragen werden. Zusätzlich wird ein meteorologisches Modell für das Junihochwasser 2013 erstellt. Dazu werden die Niederschlagsdaten und die Pegelmessdaten aus dem Sachenbachgebiet verwendet. Aufgrund einer kontinuierlichen Pegelmessung am Auslass des ermittelten Einzugsgebietes kann, neben der Modellierung der Ansätze, auch eine Bewertung und Kalibrierung erfolgen. Für die Abflussbildung lieferte das SCS-Verfahren, unter Berücksichtigung der besonderen Umstände des Hochwasserereignisses im Juni 2013, das geeignetste Ergebnis. Das Green & Ampt-Verfahren hat sich für das Sachenbachgebiet als ungeeignet erwiesen. Die Modellierung des Initial & Constant Loss Verfahren unterschätzte zwar weit den abflusswirksamen Niederschlag des Junihochwassers, dennoch kann nicht ausgeschlossen werden, dass sich dieses Verfahren nicht für andere Niederschlagsereignisse im Sachenbachgebiet eignet. Für die Abflusskonzentration konnte ohne Kalibrierung keine annehmbare Abflussganglinie erzeugt werden. Die Kalibrierung mit den Pegelmessdaten am Auslass des Einzugsgebietes liefert hingegen sehr gelungene Anpassungen mit den Verfahren zur Bestimmung der Einheitsganglinie nach SCS und nach Clark. Mit dem Ansatz der kinematischen Welle wurde keine geeignete Anpassung für das Sachenbachgebiet gefunden. Anschließend wird beim Abflussrouting der Einfluss des Gerinnes mitberücksichtigt. Aufgrund des hohen Gefälles und der kurzen Länge des Sachenbachs, ist er jedoch sehr gering. Für das Junihochwasser 2013 konnte mit den gewählten Ansätzen eine geeignete Modellkonfiguration für das Sachenbachgebiet gefunden werden.

3 Abstract The following work conducts a rainfall-runoff-model of the catchment area Sachenbach, located in the Prealps south of Munich. Using the software HEC-HMS, several approaches to flow modelling were applied and compared. The data of the Sachenbach catchment is processed with HEC-GeoHMS, which serves as an extension to ArcGIS in assisting with the parameter setting of the required data. The tool permits to define the sub-basins as well as to determine important information such as the slope of the terrain, land use or soil distribution. Subsequently, the data can easily be imported into HEC-HMS. The software HEC-HMS computes the different approaches to determine the runoff volume, the runoff concentration and the flood routing. The required parameter can either be transmitted to HEC-HEMs or they are entered manually. In addition, a meteorological model of the June 2013 flooding is created, while using precipitation and gauge data from the Sachenbach catchment. Apart from the modelling of the approaches, a calibration and interpretation of the rainfall-runoff-model can be achieved due to continuous measurements of the gauge at the catchment s outlet. The SCS method proved to compute the most adequate results in regard to the generation of the runoff volume, when considering the unusual circumstances of the flood event in June The Green & Ampt Loss Model, however, revealed itself to be unsuited for modelling the runoff volume of the Sachenbach catchment. Despite the fact that the Initital & Constant Loss Method undervalued the runoff volume, it is to be tested whether it might be suitable for different rainfall events in the Sachenbach catchment. An appropriate hydrograph of the runoff concentration could not be achieved without the use of calibration. Nevertheless, successful adjustments were reached by calibrating with the parameters of the Sachenbach outlet utilizing the Unit Hydrograph models according to the SCS method and Clark. After that the influence of the channel is taken into consideration in the process of flood routing. Due to the step slope and the length of the Sachenbach, the impact is very low. For the June 2013 flooding an appropriate model configuration was found with the chosen models for the Sachenbach catchment.

4 Inhaltsverzeichnis Kurzfassung Abstract 1 Einführung Aufgabenstellung Vorgehensweise Niederschlag-Abfluss-Modellierung Modellkonzept N-A-Modellierung mit HEC-HMS Geodätische Informationssysteme zur Aufbereitung von Daten Teilmodelle und Ansätze Abflussbildung Abflusskonzentration Abflussrouting Einzugsgebiet und Datengrundlage Gebietscharakteristiken Messstationen Datenaufbereitung mit GIS Erfassung Einzugsgebiet Bodentyp und Landnutzung Modellparametrisierung Niederschlagsmodellierung Teilmodelle Parametrisierung Abflussbildung Abflusskonzentration Abflussrouting Vergleich der Ansätze Abflussbildung Vergleich der Ansätze Sensitivitätsanalysen und Kalibrierung Beste Methode Abflusskonzentration Gütekriterien... 34

5 5.2.2 Vergleich der Ansätze Sensitivitätsanalysen und Kalibrierung Beste Methode Abflussrouting Fazit 43 Abkürzungsverzeichnis i Abbildungsverzeichnis ii Tabellenverzeichnis iii Formelverzeichnis iv Literaturverzeichnis v A. Anhang: Kapitel 2 & 4 vii B. Anhang: Ergebnisse aus HEC-HMS xii Selbstständigkeitserklärung iii

6 1 Einführung 1 Einführung In vielen Einzugsgebieten liegen keine oder nicht ausreichende langzeitgemessenen Daten zur Ermittlung der Niederschlags-Abfluss-Beziehungen vor. Jedoch kann auch für solche Gebiete eine zuverlässige Hochwasserabschätzung notwendig sein. Gerade in alpinen Regionen sind Pegelmessungen aufgrund von Unzugänglichkeit oft nicht möglich. Daher ist eine Niederschlags-Abfluss-Modellierung notwendig, die unter Schätzung einzelner gebietsspezifischer Parameter genaue Vorhersagen liefert. Ziel der Niederschlags-Abfluss-Modellierung ist demnach die Transformation eines Gebietsniederschlags in einen Abfluss. Dabei wird der Einfluss des Einzugsgebiets berücksichtigt. Der Abflussprozess kann in drei wesentliche Vorgänge unterteilt werden: die Abflussbildung, die Abflusskonzentration und der Fließprozess im Gerinne (BAUMGARTNER et al. 1996). Es gibt eine Vielzahl verschiedener Ansätze um diese Vorgänge zu berechnen. Jedoch sind nicht alle Ansätze für jede Gegebenheit geeignet. Vorangegangene Modellierungen haben gezeigt, dass die verschiedenen Ansätze unterschiedliche Ergebnisse für das gleiche Einzugsgebiet liefern. Eine Software, in der viele verschiedene Ansätze zum Berechnen der Abflussprozesse implementiert sind, ist HEC-HMS. Sie ist frei verfügbar und findet deshalb große Verwendung. Eine solche Niederschlags-Abfluss-Modellierung wird in dieser Arbeit mit HEC-HMS für das Einzugsgebiet Sachenbach in den Voralpen südlich von München durchgeführt. Es ist sehr klein und hat aufgrund dieser geographischen Lage eine besondere Bedeutung für die Abflussbestimmung. Da es das Messgebiet des Lehrstuhls für Hydrologie und Flussgebietsmanagemanagement der TUM ist, stehen umfassende Daten zur Verfügung. Besonders wichtig für diese Bachelorarbeit ist, dass Pegelmessdaten am Auslass des Gebietes vorliegen. Dadurch können die Ergebnisse der Modellierung in HEC-HMS kalibriert und interpretiert werden. Durch eine umfassende Analyse der verschiedenen Ansätze können deren Vor- und Nachteile offengelegt werden. 1.1 Aufgabenstellung In der vorliegenden Arbeit werden verschiedene Methoden der Niederschlags-Abfluss- Modellierung (N-A-Modellierung) unter Verwendung der Software HEC-HMS untersucht und verglichen. HEC-HMS ist ein Programm zur Erstellung von N-A-Modellen entwickelt am Hydrologic Engineering Center (HEC) vom US Army Corps of Engineers (USACE). Mit der Software können Abflussprozesse berechnet werden, welche in die Prozesse der Abflussbildung, -konzentration und -routing aufgegliedert werden. Infolge der Verwendung der in HEC-HMS implementierten Teilmodelle für das Messgebiet Sachenbach, können diese miteinander verglichen und bezüglich ihrer Vor- und Nachteile bewertet werden. Des Weiteren wird ermittelt, welche Ansätze im Einzugsgebiet anwendbar sind und geeignete Ergebnisse liefern. 1

7 1.2 Vorgehensweise 1.2 Vorgehensweise Das Sachenbachgebiet ist ein gut beobachtetes Messgebiet, in dem umfangreiche Daten, wie Niederschlag- und Pegelmessungen, zur Kalibrierung und Validierung von N-A-Modellen vorliegen. Vor Verwendung der Daten in HEC-HMS findet eine Datenprüfung und Aufbereitung mit Hilfe von Geoinformationssystemen (GIS) unter Einsatz des Erweiterungstools HEC-GeoHMS (Geospatial Hydrologic Modeling Extention) statt. Das Ergebnis ist ein geeignetes Format, um die Modellierung in HEC-HMS zu vervollständigen. In HEC-HMS werden die verschiedenen Teilmodelle der Abflussbildung, Abflusskonzentration und dem Abflussrouting berechnet. Für die Abflussbildung wurde das SCS-Verfahren, das Initial & Constant Loss-Verfahren und das Green & Ampt-Verfahren verwendet. Die Abflusskonzentration wurde mittels der Transformationsmethode nach Clark, SCS und der kinematischen Welle durchgeführt. Das Abflussrouting wird mit der kinematischen Welle bestimmt. Die Ergebnisse aus den einzelnen Teilmodellen werden interpretiert und miteinander verglichen. In einer Sensitivitätsanalyse werden die einzelnen Parameter der verschiedenen Ansätze genauer untersucht. Infolgedessen kann mittels Kalibrierung ein gut angepasstes HEC-HMS-Modell erstellt werden. Begleitend zur Software gibt es mehrere Handbücher zu HEC-HMS und HEC-GeoHMS, die kostenlos auf heruntergeladen werden können. Für diese Arbeit wurden vorwiegend das User s Manual für HEC-geoHMS (HEC 2013) und das Technical Reference Handbook (HEC 2000) verwendet. Diese enthalten sowohl genaue Arbeitsanweisungen, als auch theoretische Erklärungen zu den verschiedenen Ansätzen. Anhand dieser Handbücher wurden chronologisch die Arbeitsschritte ausgeführt und dokumentiert. Falls keine anderen Verweise erfolgen, werden diese Handbücher im weiteren Verlauf der Arbeit als Quelle verwendet. Es wurde ausschließlich die englische Trennung von Zahlen verwendet, das bedeutet: Dezimalstellen werden mit einem Punkt abgetrennt. Der Grund dafür ist, dass die verwendeten Programme für die amerikanische Notation mit Punkt entwickelt wurden. 2

8 1 Einführung 1.3 Niederschlag-Abfluss-Modellierung BAUMGARTNER et al. (1996) erklären die N-A-Prozesse in dem Lehrbuch der Hydrologie folgendermaßen: Jeder Teil des Abflusses hat seinen Ursprung im Niederschlag. Es kann infolge von Interzeption, Infiltration, in stehenden Gewässern oder in Form von Schnee und Eis einen längeren Zeiträumen gespeichert werden. Der Abflussvorgang lässt sich zur Vereinfachung in drei wesentliche Prozesse einteilen: Bei der Abflussbildung wird der Anteil des Niederschlags, der tatsächlich als Abfluss vorliegt abgeschätzt. Unter der Abflusskonzentration versteht man den flächenmäßig verteilten abflusswirksamen Niederschlag, welcher über Landoberfläche, als Zwischenabfluss oder als Grundwasserabfluss in den Vorfluter gelangt. Das Abflussrouting beschreibt den Fließprozess im offenen Gerinne. Jeder dieser Teilprozesse kann in viele weitere Untergliederungen aufgeteilt werden. In der Abbildung 1-1 wird die Komplexität der hydrologischen Prozesse in einem Einzugsgebiet deutlich. Abbildung 1-1: Übersicht N-A-Prozesse. Leicht veränderte Abbildung von BRONSTERT (1994: S. 9) Da die drei Prozesse als inhaltliche Grundlage dieser Arbeit sehr wichtig sind, werden sie im Folgenden noch einmal näher erläutert. 3

9 1.3 Niederschlag-Abfluss-Modellierung Abflussbildung Nicht der gesamte Niederschlag wird in Abfluss umgewandelt. Bei der Abflussbildung können verschiedene Verluste entstehen. Dazu gehören Prozesse der Schneeschmelze, der Interzeption, der Verdunstung, der Infiltration, sowie die Oberflächen-, Boden- und Grundwasserspeicherung. Bei der Entstehung von Hochwasserabflüssen haben Infiltration und die Speicherkapazität einen großen Einfluss. Diese hängen vorwiegend von den physikalischen Bodeneigenschaften, der Landnutzung, dem Anfangswassergehalt und von anthropogenen Einflüssen ab. Der abflusswirksame Niederschlag wird auch effektiver Niederschlag genannt. (BAUMGARTNER et al. 1996) Das Verhältnis zwischen dem direkten Abfluss und dem gesamtem Niederschlag wird durch den Abflussbeiwert ausgedrückt. Dieser kann als grober Richtwert dienen, wenn auch darauf geachtet werden sollte, dass es kein konstanter Gebietswert sein kann. Der Abflussbeiwert ist von den, oben genannten Einflüssen abhängig. Beispielsweise ist der Abflussbeiwert bei Waldgebieten deutlich geringer, wie jener von Weiden. Selbst bei Weiden können aufgrund unterschiedlicher Verdichtungsgrade stark verschiedene Verlustwerte, und damit variierende Abflussbeiwerte, auftreten. (DYCK et al. 1995: S. 365ff). ψ = N eff N ges (Formel 1-1) mit ψ = Abflussbeiwert N ges = gesamter Niederschlag im betrachteten Zeitraum in mm N eff = effektiver Niederschlag / direkter Abfluss im betrachteten Zeitraum in mm Abflusskonzentration In diesem Abschnitt wird der Prozess der Transformation des abflusswirksamen Niederschlags zum Abfluss, nach BAUMGARTNER et al. (1996) beschrieben. Der flächenmäßig verteilte effektive Niederschlag wird durch, auf der Landoberfläche oder im Boden stattfindenden horizontalen Fließvorgängen gesammelt und zum Vorfluter geleitet. Der Abfluss kann über drei verschiedene Wege zum Vorfluter gelangen: als Landoberflächenabfluss, als Zwischenabfluss oder als Grundwasserabfluss. Der Landoberflächenabfluss kann durch einen Infiltrationsüberschuss, einen Sättigungsüberschuss oder durch Wasser, das aus dem Hang austritt, dem sogenannten Return Flow, entstehen. Der Zwischenabfluss wird als laterale Bewegung von Wasser in der ungesättigten Bodenzone verstanden. Die Bodenschichten ändern sich gerade bei steilen Hängen schneller, so dass das eindringende Wasser auf eine undurchlässige Schicht treffen kann und sich dadurch parallel zu dieser Bodenschicht weiterbewegt. Ebenso führt die abnehmende Leitfähigkeit der unteren Bodenschicht zu einem Zwischenabfluss. Bei einer Hochwasserwelle entsteht ein erhöhter Grundwasserabfluss. Der Grundwasserabfluss setzt jedoch mit einer deutlichen Verzögerung gegenüber dem Zwischenabfluss ein. Die Zunahme des Abflusses kann über eine Abflussganglinie beschrieben werden. Charakteristisch ist eine plötzlich stark ansteigende Ganglinie, die nach dem Scheitelpunkt allmählich 4

10 1 Einführung abflacht. Bei vielen Verfahren zur Beschreibung der Abflusskonzentration wird eine Einheitsganglinie (EGL) bestimmt. Sie beschreibt, wie ein effektiver Niederschlag von 1 mm / Zeiteinheit zum Abfluss wird. Die EGL dient als Übertragungsfunktion, die sowohl eine Linearität zwischen Niederschlag und Abfluss, als auch eine zeitliche Invarianz aufweist. Sie kann deshalb durch Faltung für jeglichen Niederschlag angepasst werden. Die EGL ist nur für das bestimmte Einzugsgebiet (EZG) gültig. Der wesentliche Parameter, der die Form der EGL beeinflusst, ist der gebietsspezifische Speicherrückhalt. Auch durch verschiedene Zeitspannen lässt sich die Abflusskonzentration ermitteln. Besonders bedeutend für die Modellierung ist die Konzentrationszeit t c, welche die zeitliche Differenz zwischen dem Ende des Effektivniederschlags und dem Ende des Direktabflusses wiedergibt. Sie gibt die Zeit an, die ein Teilchen benötigt, um einen bestimmten Weg im EZG zurückzulegen. Es gibt verschiedene Methoden diese Zeitspanne zu berechnen. Die Verzögerungszeit t l (Lag-time) beschreibt den zeitlichen Abstand zwischen den Schwerpunkten des Effektivniederschlags und des Direktabfluss. Mit Hilfe der Verzögerungszeit kann die Abflusskonzentration in einem Gebiet geschätzt werden. Abflussrouting Bei dem Abflussrouting werden die Fließvorgänge im offenen Gerinne beschrieben. Die Methoden verwenden die Grundsätze der Hydromechanik. Das Ziel des Abflussrouting (Flood- Routing) ist die Beschreibung einer Hochwasserganglinie, welche sich stromabwärts durch eine Verformung verändert. Die Verformung entsteht einerseits durch eine Translation, einer Verschiebung auf der Zeitachse, und anderseits durch die Retention, dem Speichereffekt im EZG. Die Grundlage der Methoden des Abflussrouting bieten die St. Venant-Gleichungen, welche aus der Kontinuitätsgleichung und der Energiegleichung hergeleitet werden. Die Lösung dieser Gleichungen ist in fast allen Fällen numerisch, da analytische Methoden kaum möglich sind. (Nützmann et al. 2016: S.29ff). Abbildung 1-2: Laufzeit einer Hochwasserwelle gemessen als Zeit zwischen den Scheitelpunkten des Input QI(t) und Output Q0(t) Hydrographen aus NÜTZMANN et al. (2016: S. 32) 5

11 2.1 N-A-Modellierung mit HEC-HMS 2 Modellkonzept 2.1 N-A-Modellierung mit HEC-HMS Die Simulierung von Niederschlags-Abfluss-Prozessen wird in HEC-HMS in vier Bereiche aufgegliedert: Abflussbildung, Abflusskonzentration, Basisabfluss und Abflussrouting. Wobei der Basisabfluss in dieser Arbeit vernachlässigt wird. Die anderen drei Prozesse wurden in Kapitel 1.3 bereits näher erläutert. Zusätzlich können meteorologische Prozesse modelliert werden. In Abbildung 2-1 ist ein Überblick über die verschiedenen Prozesseschritte in HEC-HMS. Als Input dienen aufbereitete Daten aus HEC-GeoHMS. Das Basin Model File enthält die wichtigsten charakteristischen Eigenschaften der Teileinzugsgebiete. Die Background Files dienen lediglich der besseren Darstellung des Gebietes. Die Basic Schematic speichert Quellen, Abzweigungen, Zusammenflüsse und Mündungen des Fließgewässernetzes. In Kapitel 3.2 werden die Arbeitsschritte zur Erstellung dieser Daten näher erläutert. Ein meteorologisches Modell mit Informationen über ein Niederschlagsereignis mit dazugehörigen Pegelmessdaten kann direkt in HEC-HMS erstellt werden. Gebietsspezifische Parameter können in HEC-GeoHMS berechnet oder direkt per Hand in HEC-HMS eingeben werden. Abbildung 2-1: Übersicht der verwendeten Programme (erstellt in PowerPoint) 6

12 2 Modellkonzept 2.2 Geodätische Informationssysteme zur Aufbereitung von Daten Geoinformationssysteme, wie ArcGIS vom Environmental System Research Institute (ESRI), eignen sich hervorragend zur Bearbeitung von geodätischen Informationen, die zur Modellierung von Abflussprozessen detailliert benötigt werden. In der ArcToolbox sind etliche verschiedene Werkzeuge zur Bearbeitung von geodätischen Informationen und Metadaten implementiert. Die Geospatial Hydrologic Modeling Extention, HEC-GeoHMS, ist eine vom USACE entwickelte Erweiterung für ArcGIS. Sie erweitert den in ArcGIS beinhaltenden Spatial Analyst um weitere Werkzeuge und eine benutzerfreundliche Oberfläche zur Bearbeitung der Charakteristika des Einzugsgebietes. HEC-GeoHMS dient vorwiegend als Schnittstelle zwischen GIS und HEC-HMS. Unter anderem werden in HEC-GeoHMS die Teileinzugsgebietsgrenzen und das Fließgewässernetz bestimmt. Darüber hinaus können dem Modell meteorologische Daten und Eigenschaften, wie beispielsweise Landnutzung, hinzugefügt werden. Die verschiedenen Arbeitsabschnitte, überwiegend das Terrain Preprocessing, werden in Kapitel 3.2 erläutert. In der vorliegenden Arbeit wurde ArcMap Version 10.2 und die entsprechende Version HEC- GeoHMS 10.2 verwendet. 2.3 Teilmodelle und Ansätze In diesem Kapitel werden die verwendeten Ansätze zur Modellierung von Abflussbildung, Abflusskonzentration und Abflussrouting beschrieben. HEC-HMS bietet für jeden dieser Ansätze eine Anzahl diverser Methoden, die verwendet werden können. Nicht alle Methoden sind für diese Aufgabenstellung geeignet. So unterscheiden sie sich beispielsweise darin, welche Datengrundlage verwendet wurde oder für welche Gebietsgröße die Ansätze entwickelt wurden. In Tabelle 2-1 sind für das Sachenbachgebiet passende Methoden aufgelistet, welche im Folgenden erläutert und in Kapitel 4 parametrisiert werden. Tabelle 2-1: Übersicht der verwendeten Ansätze Abflussbildung Abflusskonzentration Abflussrouting SCS Curve Number Green & Ampt Verfahren Initial & Constant Loss Clark UH Transform SCS UH Kinematische Welle Kinematische Welle 7

13 2.3 Teilmodelle und Ansätze Abflussbildung SCS Curve Number Verfahren Das SCS-Verfahren wird anhand der Vorgehensweise nach MANIAK (2005: S. 291ff) beschrieben. Der US Soil Conservation Service (SCS) hat ein Verfahren zum Abschätzen des abflusswirksamen Anteils des Niederschlags entwickelt. Es ist weit verbreitet und speziell für kleine Einzugsgebiete geeignet. Der effektive Niederschlag wird als Funktion des kumulativen Niederschlags, der Bodenbedeckung, der Landnutzung und des Bodenfeuchtegehalts bestimmt. Bei diesem Verfahren wird eine Curve Number (CN) ermittelt. Die Bestimmung des Bodenfeuchtegehalts berücksichtigt den Vorregen und die Jahreszeit. Es wird die Niederschlagssumme in Millimeter von fünf vorangegangenen Tagen beachtet. Nachfolgende Tabelle 2-2 zeigt die Einteilung der drei Bodenfeuchteklassen: Tabelle 2-2: Bodenfeuchteklasse Einteilung nach MANIAK (2005: S. 293) Bodenfeuchteklasse Vegetationsperiode außerhalb der Vegetationsperiode I < 30 < 15 II III > 50 >30 Weitere Tabellen liegen für die Bodenfeuchteklasse II vor, welche mit speziellen Umrechnungsformeln für die Bodenfeuchteklassen I & III verändert werden können. CN III CN II CN II (Formel 2-1) Des Weiteren werden die CN- Werte für vier verschiedene Bodengruppen eingeteilt: Gruppe A: Böden mit großem Versickerungsvermögen, z.b. tiefgründige Sand- oder Kiesböden Gruppe B: Böden mit mittlerem Versickerungsvermögen, z.b. Sandböden oder Löß Gruppe C: Böden mit geringem Versickerungsvermögen, z.b. flachgründige Sandböden oder sandiger Lehm Gruppe D: Böden mit sehr geringem Versickerungsvermögen, z.b. Tonböden Die CN-Werte werden in Abhängigkeit mehrerer Landnutzungsarten, wie beispielsweise Ödland, Wald, Weide oder Getreideanbau, ermittelt. Für die Alpen liegen speziell ermittelte Tabellen vor (Siehe Kapitel 4.2.1). 8

14 2 Modellkonzept Mit HEC-GeoHMS kann für jedes Teileinzugsgebiet ein gemittelter CN-Wert bestimmt werden. Für die weitere Modellierung ist das CN-Verfahren sehr geeignet, da der Abflussbeiwert ψ 0 nur noch von dem CN-Wert und dem Niederschlag abhängt. Die Herleitung der Formel ist bei MANIAK (2005: S. 292f) ausführlich beschrieben. Die Formel für den Abflussbeiwert lautet: ψ 0 = [N ( 200 CN 2) 25.4] 2 /N [N + 4 ( 200 CN 2) 25.4] (Formel 2-2) mit ψ 0 = Abflussbeiwert N = Niederschlag in mm CN = ermittelter CN-Wert je Teileinzugsgebiet Green & Ampt - Verfahren Im Gegensatz zum SCS-Verfahren wird bei dem Green & Ampt - Verfahren die Veränderung der Infiltration in Abhängigkeit der Bodenfeuchte berücksichtigt. Die Infiltrationsrate wird durch das Porenvolumen, das wirksame Porenvolumen, der Saugspannung an der Feuchtefront und der gesättigten Leitfähigkeit bestimmt. Die Werte sind für verschiedene Böden tabelliert. Durch die Strömungsgesetzte nach Darcy kann die Richard-Gleichung hergeleitet werden. Sie beschreibt die Sickerströmung in einem porösen Medium. Die Verluste werden mit einem Zeitintervall, wie folgt berechnet: f t = K [ 1 + (φ θ i)s f F t ] (Formel 2-3) mit f t = Verlust während der Periode t F t = kumulativer Verlust zum Zeitpunkt t K = hydraulische Durchlässigkeit bei Sättigung φ-θ i = Differenz zwischen Sättigungsfeuchte und Anfangsfeuchte S f = Saugspannung an der Feuchtefront Die Green & Ampt - Gleichung ist jedoch nur für einen einheitlichen Feuchtegehalt im Boden, bzw., im Falle von Infiltration, für aufgestaute Oberflächen gültig. (übersetzt nach EM : S.6-6) Die Einheiten für diese Formel (2-3) sind in HEC (2000) nicht angegeben. Bei Abfrage der benötigten Parameter in HEC-HMS werden diese jedoch aufgeführt (siehe Kapitel 4.2.1). So kann ausgeschlossen werden, dass ein Fehler bei der Modellierung aufgrund der fehlenden Einheiten entsteht. 9

15 2.3 Teilmodelle und Ansätze Initial & Constant Loss Dieses Verfahren ist sehr einfach aufgebaut. Es unterliegt der Annahme, dass die maximale potentielle Niederschlagsverlustrate, f c in mm/h, über ein gesamtes Regenevent konstant ist. Die Verlustrate wird als Infiltrationskapazität interpretiert. Hinzu wird ein Anfangsverlust, I a in mm, definiert. Der gesamte Niederschlag, der bis zum Erreichen der Anfangsverlustmenge auf das Gebiet regnet, geht verloren. Ist das Niederschlagsereignis größer als der Anfangsverlust, wird der effektive Niederschlag über die Differenz zwischen Niederschlagsmenge und Niederschlagsverlustrate berechnet. (EM : S.6-20) In Abbildung 2-2 ist der Gebietsniederschlag dargestellt. Der Anteil, der als Verlust vom gesamten Niederschlag abgezogen wird, ist Rot. In Blau ist das Volumen, das als effektiver Niederschlag in das Gebiet eingeht. Aufgrund der konstanten Verlustrate entsteht eine klare Kante zwischen dem Roten und dem Blauen Anteil. Die konstante Verlustrate ist in diesem Beispiel 0.2 mm/h. Abbildung 2-2: Initial & Constant Loss - Ermittlung des effektiven Niederschlags in HEC-HMS 10

16 2 Modellkonzept Abflusskonzentration Bei der Bestimmung der Abflusskonzentration kommen sowohl empirische, als auch konzeptionelle Modelle zur Verwendung. Die benötigten Parameter bei Clark und dem SCS-Verfahren haben keine signifikante physikalische Bedeutung, sondern werden so ausgewählt, dass sie bestmöglich passen (goodness-of-fit Kriterium). Diese Parameter können am besten empirisch gewählt werden, wobei in manchen Fällen eine quasi-physikalische Bedeutung zugewiesen wird um diese zu schätzen. Das konzeptionelle Modell der Transformation der Kinematischen Welle verwendet hingegen physikalische Beziehungen zur Abschätzung der Abflusskonzentration. Clark Unit Hydrograph Transform Die Einheitsganglinie nach Clark ist eine synthetische EGL, d.h. sie wird aus Gebietsparametern abgleitet. Die EGL basiert auf zwei wesentlichen Prozessen: - Translation: Verzögerung durch die Bewegung des Abflusses vom Ursprung bis zum EZG-Auslass - Attenuation (Abschwächung): Reduzierung der Magnitude der Abflussganglinie durch den Rückhalt im EZG Die EGL der Translation wird mit Hilfe eines Zeit-Flächen-Histogramms gebildet. Die daraus resultierende Einheitsganglinie wird durch einen linearen Speicher angepasst. Der lineare Speicher berücksichtigt alle Einflüsse des EZG, wie beispielsweise die Gebietsgröße oder den Rückhalt im Gebiet. Besonders die kurzzeitige Speicherung von Wasser im EZG in Böden, auf der Oberfläche, und im Kanal spielt eine wichtige Rolle bei der Transformation des effektiven Niederschlages in Abfluss. (übersetzt nach HEC 2000: S. 61) In HEC-HMS ist folgende Formel für die Zeit-Flächen-Beziehung implementiert: A t ( t 1.5 ) t c A = (1 t ) { t c 1.5 für t t c 2 für t t c 2 } (Formel 2-4) mit A t = kumulative Fläche des EZGs zum Zeitpunkt t A = gesamte Fläche des EZGs t c = Konzentrationszeit 11

17 2.3 Teilmodelle und Ansätze SCS Unit Hydrograph Diesem Modell liegt eine dimensionslose EGL zu Grunde. Sie ist in Abbildung 2-3 dargestellt. Die Ordinate ist der Abfluss U t, geteilt durch den Peak U p der EGL. Während die Abzisse der Zeitschritt t geteilt durch die Zeit bis zum Peak T p ist. Um den Graphen für ein Einzugsgebiet anzupassen, müssen T p und U p bestimmt werden. Abbildung 2-3: SCS Einheitsganglinie aus HEC (2000: S. 59) Dazu wird folgende Beziehung vom SCS vorgeschlagen: U p = C A T p (Formel 2-5) Dabei ist die Konstante C = 2.08 in HEC-HMS implementiert. A ist die Gebietsgröße. Die Zeit bis zum Peak T p setzt sich aus der Verzögerungszeit t lag und einen halben Zeitlänge des effektiven Niederschlags folgendermaßen zusammen: T p = t 2 + t lag (Formel 2-6) Durch Multiplikation kann in HEC-HMS die EGL mit der dimensionslosen Ganglinie und den Parametern U p und T p bestimmt werden. 12

18 2 Modellkonzept Transformationsmethode der kinematischen Welle Im Gegensatz zu den Transformationsverfahren nach Clark und SCS ist die kinematische Welle ein konzeptionelles Model. Es beachtet alle physikalischen Parameter, welche einen Einfluss auf die Transformation des effektiven Niederschlags in Abfluss haben. Die Methode der kinematischen Welle wird vor allem bei der Berechnung des Abflussrouting verwendet. Man kann jedoch auch eine Abflussganglinie mittels dieses Modells bestimmen. Es ist eine empfehlenswerte Methode, falls keine Möglichkeit zur Kalibrierung besteht. Bei diesem Ansatz wird das Einzugsgebiet als ein großes offenes Gerinne vereinfacht. Das Gerinne besteht aus zwei Ebenen, durch die das Wasser zum Kanal in der Mitte fließt (siehe Abbildung 2-4). Die Berechnung der Abflusskonzentration wird in das Overland-Flow Model und das Channel-Flow Model aufgeteilt. Abbildung 2-4: Vereinfachung des EZGs bei der Methode der kinematischen Welle aus HEC (2000: S. 65) Das Fließverhalten auf den zwei Oberflächen wird im Overland-Flow Model beschrieben. Die zwei Oberflächen werden als offener Kanal betrachtet und mit üblichen Formeln der Hydromechanik berechnet. Im Technical Handbook (HEC 2000) wird die Herleitung der grundlegenden Gleichung näher erläutert. Folgende (Formel 2-7 ist in HEC-HMS implementiert: A A + αma(m 1) t x = q (Formel 2-7) Der Parameter A beschreibt den Querschnitt des Gebiets und x ist die Distanz des Fließweges. α und m beziehen sich auf die Geometrie und die Oberflächenrauheit. In HEC-HMS ist m= 5/3 und α=1.486*s 1/2 /N. Mit Energiegefälle S und N als Index der Rauigkeit, jedoch nicht zu verwechseln mit der Rauigkeit n nach Manning (Tabelle A-9 zur Bestimmung von N im Anhang). Das Channel-Flow Model beschreibt den Fließvorgang im Kanal, in dem sich das Wasser aus den zwei Ebenen sammelt. Es liegt die gleiche Formel 2-7, wie beim Overland-Flow zugrunde. Jedoch werden die Parameter α und m anders gewählt. Dem Benutzer stehen fünf verschiedene Querschnitte zur Auswahl: Kreis, Dreieck, Quadrat, Rechteck und Trapez. Die empfohlenen Werte sind im Technical Handbook zu finden. Nur die Parameter α und m sind in der Formel 2-7 konstant. Darum werden Randbedingungen bzw. Anfangsbedingungen zugeordnet und die Lösung mit der Finite Differenzen - Methode 13

19 2.3 Teilmodelle und Ansätze angenähert. Dabei wird iterativ in Richtung der Distanz x und der Zeit t differenziert. Die Gleichung wird für Overland-Flow und Channel-Flow auf die gleiche Art und Weise gelöst. Die Methode garantiert sowohl ein genaues, als auch ein stabiles Ergebnis. Bei der Ermittlung der Länge x wird ein Algorithmus verwendet, um eine optimale Lösung zu finden. Zur Abschätzung wird ein x gefunden. Wird x zu groß gewählt, verliert es an Genauigkeit. Ist x hingegen zu klein können numerische Fehler, durch Verlust der Stabilität der Gleichung, entstehen. Folgende Formel 2-8 wird zur Berechnung von x verwendet. x = c t m (Formel 2-8) Dabei ist c die geschätzte Wellengeschwindigkeit. Der zweite Parameter t m ist der Zeitschritt, dessen minimale Größe, durch verschiedene Abwägungen in HEC-HMS, ermittelt wird Abflussrouting Für das Abflussrouting werden bei den meisten Methoden mehrere Pegelmessdaten zur Kalibrierung benötigt. Da nur Pegelwerte am Auslass des Sachenbachgebiets vorhanden sind, kann nur ein konzeptionelles Modell verwendet werden. Der einzige Ansatz, der deshalb verwendet wird ist die Kinematische Welle. Kinematische Welle Das Abflussrouting der kinematischen Welle basiert auf der oben erläuterten Gleichung (Formel 2-7). Im Gegensatz zur Transformationsmethode, wird nur das Fließverhalten im Gerinne (Main Channel) berücksichtigt. Die benötigten Parameter sind demnach genaue Informationen über das Gerinne. Dazu gehören: die Rauigkeit nach Manning, der Querschnitt und die Länge mit mittlerer Steigung jedes Fließsegmentes. 14

20 3 Einzugsgebiet und Datengrundlage 3 Einzugsgebiet und Datengrundlage 3.1 Gebietscharakteristiken Das Einzugsgebiet Sachenbach liegt südlich von München in den Bayrischen Alpen. Begrenzt wird es vom Jochberg (1565 mnn) und dem Fischberg (1169 mnn). Die sich daraus ergebenden steilen Hänge haben einen besonderen Effekt auf die Charakteristik des Einzugsgebiets. Die mittlere Hangneigung beträgt 3.8 %. Mit einer Größe von 2.19 km² handelt es sich um ein sehr kleines Einzugsgebiet. Der Sachenbach entspringt in diesem Gebiet und mündet in den Walchensee. Für detaillierte Beschreibungen des Sachenbachgebietes, verweise ich hier auf abgeschlossene studentische Arbeiten des Lehrstuhls für Hydrologie und Flussgebietsmanagement. Es liegen zum Beispiel Arbeiten zur Bodendatenbestimmung (SPRINGER 2014) oder N-A-Modellierung mit dem Wasserhaushaltsmodell WaSiM (MAGDALI 2014) vor. Abbildung 3-1: Sachenbachgebiet mit Messstationen und Fließgewässer aus GIS Messstationen Das Klima und Abflussverhalten sind stark durch die alpine Lage geprägt. Es befinden sich mehrere meteorologische Stationen an verschiedenen Standpunkten im Einzugsgebiet. Für diese Arbeit wurden die Niederschlagswerte des Juni Hochwassers 2013 verwendet. Der interpolierte Gebietsniederschlag, der mittels des prozessbasierten hydrologischen Modells WaSiM entwickelt wurde (TESCHEMACHER 2014), bietet die meteorologische Datengrundlage für HEC-HMS. Zusätzlich können die Ergebnisse mit Hilfe der Pegelmessstation am Auslass des Sachenbachgebietes kalibriert werden. In Abbildung 3-1 sind die Standpunkte des Messstationen verdeutlicht. 15

21 3.2 Datenaufbereitung mit GIS 3.2 Datenaufbereitung mit GIS Die wichtigste Information zur Bearbeitung des Geländes in GIS ist ein Digitales Geländemodell (DGM). Dieses liegt mit einem Raster von 25 m x 25 m als Textfile vor, welches in eine Rasterdatei mit Hilfe des Conservation Tools umgewandelt werden muss. Zusätzlich wurde ein Layer mit Verlauf der Fließgewässer verwendet. Das ist sinnvoll, aber nicht zwingend notwendig. Des Weiteren benötigt man Informationen zur Landnutzung, Geologie und zu den Bodentypen Erfassung Einzugsgebiet Um das Einzugsgebiet auf die Verwendung von HEC-HMS vorzubereiten, wird das Digitale Geländemodell im Terrain Preprocessing bearbeitet. Je nach Datengrundlage erfolgt zuvor eine Veränderung des DGM (Terrain Reconditioning). Danach wird nach einem festen Schema, das aus acht Teilschritten besteht, das DGM bearbeitet. Im Folgenden werden die Werkzeuge erläutert und ausgewählte Werte beschrieben. DEM Reconditioning: Es ist zu vermeiden, dass Wasser aus dem Fluss wieder in das Gebiet gelangen kann. Deshalb wird das Gewässernetz mit diesem Werkzeug in das DGM eingebrannt, das bedeutet dass die Flüsse künstlich tiefer gelegt werden. Falls dieses Werkzeug nicht verwendet wird, kann ein stärker verästeltes Flussnetzwerk entstehen. Bei den vorliegenden Daten wären ungünstige Parallelströme entstanden, die nicht den realen Bedingungen entsprechen. Zusätzlich ergab sich ohne dieses Werkzeug ein Nebenstrom, der an einer zweiten Stelle das EZG verlassen hat. Das bedeutet, dass eine Kalibrierung des Systems mit den Pegelmessdaten nicht möglich wäre. Fill Sinks: Mulden oder kleine Gruben können als Fehler der Interpolation des DGM hervorgehen. Daher muss als erster Schritt ein DGM ohne Absenkungen (Depressionless DEM) hergestellt werden. Dies geschieht durch Befüllen der Mulden. Flow Direction: Jeder Zelle wird eine Neigungsrichtung zugewiesen. Es werden 8 Richtungen definiert. Flow Accumulation: Für jede Zelle des Gebietes werden die stromaufwärtsliegenden Zellen, welche sich in diese entleeren, berechnet. Stream Definition: In diesem Schritt wird bestimmt, welche Zellen zum Flussnetzwerk gehören. Dafür wird ein Grenzwert bestimmt, welcher definiert, wie viele stromaufwärtsliegende Zellen eine Zelle benötigt, um zum Flussnetzwerk zu gehören. Es gilt die Regel: Je höher die Grenze, desto weniger Teileinzugsgebiete. Eine weitere Faustregel besagt, dass der Wert 1% des größten Einzugsgebiets (geschätzt: 48 Zellen) des gesamten DGMs sein soll. Aus dieser Faustregel hätten sich am Ende des Terrain Preprocessing ein stark verästeltes Flussnetzwerk und dadurch 21 sehr kleine Teileinzugsgebiete gebildet. Deshalb wurde der Grenzwert so gewählt, dass das Flussnetzwerk dem der Topografischen Karte entspricht. Der gewählte Wert der Grenze entspricht 145 Zellen und liegt damit weit über den Empfohlenen 1%. Da es sich um ein sehr viel kleineres EZG handelt, als übliche Gebiete aus denen die 1%-Faustregel entwickelt wurde, kann man davon ausgehen, dass durch die gewählte höhere Grenze ein realistischeres Ergebnis hervorgeht. 16

22 3 Einzugsgebiet und Datengrundlage Stream Segmentation: Unterteilung des Flussnetzwerks in verschiedene Teilsegmente, welche durch einen Einlass bzw. eine Quelle und einen Auslass definiert sind. Catchment Grind Delineation: Für jedes Flusssegment entsteht ein Teileinzugsgebiet. Catchment Polygon Processing: Die entstandenen Teileinzugsgebiete im grid-format werden als Vektordatei abgespeichert. Drainage Line Processing: Auch das Flussnetzwerk wird als Vektordatei gespeichert. Watershed Aggregation: Verknüpfung der stromaufwärtsliegenden Teileinzugsgebiete um spätere Arbeitsschritte mit HEC-GeoHMS zu erleichtern. Hier ist das Terrain Preprocessing abgeschlossen. Im weiteren Schritt wird ein Auslass gewählt und das zugehörige Einzugsgebiet bestimmt. Der Auslass entspricht der Pegelmessstation, um im weiteren Verlauf die Ergebnisse der Modellierung mit den langzeitgemessenen Daten kalibrieren zu können. Abbildung 3-2: Teileinzugsgebiete als Ergebnis des Terrain Preprocessing Es wurden keine weiteren Veränderungen durch Zusammenfügen oder Separieren der Teileinzugsgebiete durchgeführt, da wie bereits erläutert, die Grenze so definiert wurde, dass die Anzahl der Teilgebiete zufriedenstellend sind. HEC-GeoHMS bietet verschiedene Werkzeuge zur Bestimmung von charakteristischen Eigenschaften der Teileinzugsgebiete und des Fließgewässernetzes. Es können die Länge und Steigung der Flussabschnitte, sowie das mittlere Gefälle der Teileinzugsgebiete bestimmt werden. Zusätzlich wird der längste Fließweg in jedem der sieben Teileinzugsgebiete bestimmt. Dieser wird zur Bestimmung der Abflusskonzentration benötigt. Zusätzlich werden die Mittelpunkte der Teileinzugsgebiete, Basin Centroid, bestimmt. Hierbei kann der Benutzer zwischen vier Methoden auswählen: Center of gravity, longest flow path, 50 % Area Method oder User- 17

23 3.2 Datenaufbereitung mit GIS Specified Centroid Location. Das einzige Ausschlusskriterium dieser Modelle wäre, dass der Mittelpunkt sich nicht im zugehörigen Teileinzugsgebiet befindet. Da dies bei keiner Methode zutrifft, wären alle Methoden für die weitere Modellierung geeignet. Gewählt wurde die Methode Center of gravity, da diese in fast allen Teilgebieten zwischen den Punkten der zwei anderen Methoden liegt. Es gibt viele weitere Möglichkeiten, Parameter mit Hilfe von HEC-GeoHMS zu bestimmen. In dieser Arbeit wurden zusätzlich, zu den oben genannten Arbeitsschritten, die Konzentrationszeit und die CN-Werte je Teileinzugsgebiet bestimmt. Das genaue Vorgehen ist in Kapitel 4 erläutert. Nachdem alle benötigten Methoden abgeschlossen sind, werden die Daten für den Export nach HEC-HMS vorbereitet. Den charakteristischen Punkten, zum Beispiel Quellen oder Zusammenflüssen, wird die Symbolik von HEC-HMS zugewiesen. Ein Basin Model File und ein Background File enthalten die wichtigen Informationen zur Weiterverarbeitung der Daten in HEC-HMS Bodentyp und Landnutzung Das Einzugsgebiet Sachenbach besteht zu über 80 % aus Bergmischwald. Etwa 18 % sind Weiden oder Mähwiesen. Nur ein kleiner Anteil sind versiegelte Flächen und Forstwege, welche als undurchlässige Gebiete (Impervious Area) berücksichtigt werden. Die Abbildung 3-3: Landnutzung im Sachenbachgebiet ermittelt im EGAR-Projekt aus GIS stellt die Verteilung der Landnutzungsarten im Sachenbachgebiet grafisch da. Eine genauere Aufteilung der Landnutzungsarten befindet sich im Anhang (Tabelle A-2). Die Landnutzungsdaten wurden im Rahmen des EGAR-Projektes gesammelt, dieses wird in Kapitel näher erklärt. Abbildung 3-3: Landnutzung im Sachenbachgebiet ermittelt im EGAR-Projekt aus GIS 18

24 3 Einzugsgebiet und Datengrundlage Für die meisten Verfahren sind vor allem die Bodentypen von Bedeutung. In der obersten Bodenschicht liegt in über 80 % des Gebietes schluffiger Lehm vor. In wenigen Bereichen sind auch Lehm und toniger Lehm anzutreffen. Die Einteilung der Bodenarten erfolgt nach SPRINGER (2014). Tabelle 3-1: Bodeneigenschaften im Sachenbachgebiet (aus ArcMap) Bodengruppe Landnutzung Fläche [m 2 ] Anteil A Horizont B Horizont C Horizont Cambisol grassland schluffiger Lehm Lehm lehmiger Sand Cambisol mixed forest Lehm toniger Lehm Lehm Leptic Cambisol mixed forest schluffiger Lehm - Lehm Leptosol grassland schluffiger Lehm Leptosol mixed forest schluffiger Lehm - schluffiger Lehm Stagnosol grassland Lehm toniger Lehm schluff.,toniger Lehm schluff.,toniger Stagnosol mixed forest toniger Lehm Lehm schluffiger Lehm Gleysol grassland schluffiger Lehm schluffiger Lehm sandiger Lehm Gleysol mixed forest schluffiger Lehm schluffiger Lehm sandiger Lehm Die Rauheitsbeiwerte nach Manning werden für die verschiedenen Landnutzungsarten abgeschätzt. Die Werte wurden similär zum WaSiM-Projekt gewählt (vgl. KAISER 2014: S. 61). Die Werte wurden mit denen der Schneider-Bautabelle und weiteren Quellen verglichen. Sie sind sehr ähnlich, wenn auch die k st-werte etwas kleiner ausfallen. Dies sollte bei der Auswertung beachtet werden. Bei der Umrechnung zum Rauheitswert n wurden mehrere Landnutzungsarten zusammengefasst, um diese mit bestehender Datengrundlage zusammenzufügen. Tabelle 3-2: Rauheit nach Manning für das Sachenbachgebiet Landnutzung kst in [ m1/3/s] n in [ s/m1/3] Nadelwald 10 Laubwald 15 Mischwald Weideland 20 Wiese Lichtung versiegelte Flächen Für das Gerinne wird der Rauheitswert für Wildbäche mit groben Geröll im Ruhezustand gewählt (k st = 25 m 1/3 /s). (SCHNEIDER 2008: S ) 19

25 4.1 Niederschlagsmodellierung 4 Modellparametrisierung Viele Parameter können aus den Gebietseigenschaften geschätzt werden. Für jedes Teileinzugsgebiet wird jeweils ein gemittelter Wert für jeden benötigten Parameter berechnet. Oft gibt es verschiedene Verfahren, um geeignete Werte für das Teileinzugsgebiet zu ermitteln. Einige Ansätze beinhalten Parameter, die keine direkte physikalische Bedeutung haben und schlecht geschätzt werden können. Diese Parameter können durch Kalibrierung ermittelt werden. Hierzu werden gemessene Niederschlagswerte und deren Abflusswerte verwendet. Das übliche Schema der Kalibrierung in HEC-HMS ist in Abbildung 4-1 dargestellt. Abbildung 4-1: Kalibrierung in HEC-HMS aus HEC (2000: S.101) 4.1 Niederschlagsmodellierung Grundlage für die weitere Modellierung ist ein interpolierter Gebietsniederschlag nach der Inverse-Distance-Methode, der bereits in einer Vorstudie für das Sachenbachgebiet entwickelt wurde. Die Modellierung der Abflussprozesse wird in dieser Arbeit anhand des Junihochwassers 2013 durchgeführt. Aufgrund von hohem Niederschlag im Mai lag im Gebiet des Sachenbachs ein hoher Bodenwassergehalt vor. Daruf folgten vom 31. Mai bis zum 2. Juni Starkregenereignisse mit bis zu 98 mm / 24 h. Die gesamte Niederschlagssumme vom 29. Mai bis zum 6. Juni beträgt mm. Für die Simulation des Hochwasserereignisses im Modell wird dieser Zeitraum gewählt. Für die Definition eines geeigneten Berechnungszeitschritts t werden Anhaltswerte nach MANIAK (2005: S. 271f) vorgeschlagen. Sie werden in Abhängigkeit der Einzugsgebietsgröße aufgestellt. Für ein EZG der Größe 1 bis 10 km 2 wird ein Zeitintervall t zwischen 0.25 bis 0.5 Stunden empfohlen. Als Anhaltswert ist ebenso die Konzentrationszeit gegeben, welche für diese Gebietsgröße oft zwischen 0.5 bis 2 Stunden liegt. Summiert man die berechneten Konzentrationszeiten von EZG1, EZG3, EZG5 und EZG7 (längster Fließweg) auf, erhält man 20

26 4 Modellparametrisierung eine Konzentrationszeit in diesem Bereich (vgl. Kapitel 4.2.2). Ein kleiner gewähltes Zeitintervall benötigt eine längere Rechenzeit, ohne das dadurch eine höhere Genauigkeit garantiert werden kann. Da das Sachenbachgebiet ein sehr kleines EZG ist, benötigt es nicht viel Rechenzeit. Nach mehreren Simulationen wird ersichtlich, dass mit einem Rechenschritt von 5 min das genauste Ergebnis erzielt wird. In der Abbildung 4-2 ist das Niederschlagsereignis in Millimeter pro Stunde dargestellt. In der danebenstehenden Abbildung 4-3 sind die Pegelmessdaten am Auslass des EZGs abgebildet. dargestellt Abbildung 4-2: Niederschlagsganglinie Mai/Juni 2013 aus HEC-HMS Abbildung 4-3: Abflussganglinie Mai/Juni 2013 aus HEC-HMS 21

27 4.2 Teilmodelle Parametrisierung 4.2 Teilmodelle Parametrisierung Abflussbildung Für alle gewählten Verfahren zur Abflussbildung kann ein Anteil der undurchlässigen Schichten im Gebiet angegeben werden. Diese betragen für das gesamte Einzugsgebiet nur etwa 2% und bestehen aus Siedlungsflächen, Forstwegen und versiegelten Flächen. Die Flächennutzungsanteile je Teileinzugsgebiet konnten mit der Funktion Intersect in ArcGIS ermittelt werden. SCS Curve Number Verfahren Im Rahmen des EGAR-Projektes (Einzugsgebiete in Alpinen Regionen) ermittelte die Abt. Forstplanung der Tiroler Landesregierung, die Landnutzung bzw. Landbedeckung mehrerer alpiner Täler. Mithilfe dieser detaillierten Landnutzung wurden die CN-Werte für diese alpinen Regionen bestimmt (BRAITO et al. 2014). Um ein Standardverfahren für die Wildbachhydrologie zu entwickeln, wurden die CN-Werte anhand mehrerer kleinerer Einzugsgebiete in den bayrischen Alpen geprüft und kalibriert. Das Sachenbachgebiet ist eines dieser Gebiete. Das Ergebnis dieser Studie zeigt, dass der HQ 100-Wert in vier von fünf Fällen unterschätzt wurde, weshalb eine Anpassung der CN-Werte ermittelt wurde. In Tabelle 2-1 sind die verwendeten CN Werte aufgelistet. (ebd.). Der größte Anteil des Sachenbachgebiets ist Bergmischwald. Tabelle 4-1: CN-Wert je Landnutzungstyp nach EGAR Landnutzungsart CN-Wert Bergmischwald, frisch 48 Bergmischwald, feucht 56 Alm/Alpweiden, feucht, oft verdichtet 78 Alm/Alpweiden, frisch 64 Siedlungsflächen 84 Mähwiesen, frisch bis mäßig feucht 48 Für jedes Teileinzugsgebiet wird ein Mittelwert bestimmt, welcher für die weitere Modellierung in HEC-HMS verwendet wird (siehe Anhang Tabelle A-3). Zusätzlich wird der Anfangsverlust (Initial Abstraction, I a) benötigt. Es wird ein Anfangsverlust von 50% des gesamten Niederschlagereignisses angenommen und beträgt daher mm * 50 %. Je Teileinzugsgebiet werden mm / 7 gewählt. Der Anfangswassergehalt beträgt 18.6 mm. Diese Annahme mittels Sensitivitätsanalysen untersucht, da ein niedrigerer Verlust aufgrund des hohen Bodenfeuchtegehalts realistisch ist. 22

28 4 Modellparametrisierung Green & Ampt Verfahren Die Parameter, die für das Green & Ampt Verfahren geschätzt werden, können aus den Klassen der Bodentextur abgeleitet werden. In dem Technischen Handbuch für HEC-HMS wird eine Abschätzung nach RAWLS, et al, (1982) empfohlen. Die Tabelle im Technical Handbook (S.43) enthält das Porenvolumen, die Saugspannung an der Feuchtefront in cm und die gesättigte Leitfähigkeit in cm/h für zehn verschiedene Bodentexturen. In dem Messgebiet kommen drei verschiedene Texturen vor. Deren Werte sind in Tabele 4-2 gelistet. Tabelle 4-2: Parameter des Green & Ampt Verfahren in den benötigten Einheiten für HEC-HMS Green and Ampt Saturated Suction Conductivity Content [mm] [mm/h] Lehm schluffiger Lehm toniger Lehm Da der Boden zu Anfang des Regenereignisses gesättigt war, wird angenommen, dass die Poren zu 100 % mit Wasser gefüllt sind. Der Anfangswassergehalt (Initital Content) wird demnach gleich dem gesättigten Zustands (Saturated Content) gewählt. Initial & Constant Loss Das Technical Manual für HEC HMS enthält Empfehlungen zur Bestimmung der Parameter: Anfangswassergehalt und Verlustrate. Für die Verlustrate haben Skaggs & Khaleel (1982) Werte für die Bodengruppen nach SCS geschätzt. Die Tabelle A-4 befindet sich im Anhang. Tabelle 4-3: Verlustrate für die vorkommenden Böden im Sachenbachgebiet nach Tabelle A-1 A Horizont B Horizont C Horizont Bodengruppe nachscs Constant Rate [IN/HR] schluffiger Lehm Lehm lehmiger Sand B/C 0.15 Lehm toniger Lehm Lehm C 0.1 schluffiger Lehm - Lehm B/C 0.15 schluffiger Lehm B/C 0.15 schluffiger Lehm - schluffiger Lehm B/C 0.15 Lehm toniger Lehm schluff.,toniger Lehm C 0.1 toniger Lehm schluff.,toniger Lehm schluffiger Lehm C 0.05 schluffiger Lehm schluffiger Lehm sandiger Lehm B/C 0.15 Nach EM (S. 49 ) wird ein Anfangsverlust zwischen % des gesamten Niederschlagsereignisses, maximal jedoch 0.5 inches (= 12.7 mm), für bewaldete Gegenden vorgeschlagen. Der gesamte Niederschlag des gewählten Ereignisses beträgt mm. 15% von mm = mm > 12.7 mm Da ein interpolierter Niederschlag vorliegt, wird für jedes der 7 Teileinzugsgebiete, 12.7 mm / 7 = mm gewählt. 23

29 4.2 Teilmodelle Parametrisierung Abflusskonzentration Gebietscharakteristische Zeiten Für die empirischen Modelle werden Konzentrationszeit t c (in h) und Verzögerungszeit t lag (in h) benötigt. In Kapitel 1.3 wurde die Bedeutung der beiden Variablen bereits erläutert. Vom SCS wird folgende Beziehung zwischen den beiden Zeiten vorgeschlagen (HEC 2000: S. 59): t lag = 0.6 t c (Formel 4-1) Es gibt verschiedene Ansätze um eine der beiden Zeiten zu berechnen. Die Umrechnung erfolgt nach Formel 4-1. T lag nach SCS Unter Verwendung der CN-Werte wird bei diesem Verfahren zur Ermittlung der Verzögerungszeit die Landnutzungsart berücksichtigt. Das Verfahren wurde speziell für kleine Einzugsgebiete (< 8 km²) vom SCS entworfen. Die Verzögerungszeit wird mit dem CN-Wert (siehe Kapitel 0.1), dem längsten Fließweg L in ft und dem mittleren Gefälles J wie folgt berechnet: t lag = [L 0.8 (( 1000 CN 10) + 1) 0.7 ] [1900 J 0.5 ] (Formel 4-2) T c nach TR55 Die Methode TR55 wurde vom Natural Resource Conservation Service (NRCS) entwickelt. Sie ist in HEC-GeoHMS implementiert. Beim Benutzen dieses Werkzeuges wird eine Excel Tabelle entworfen. Diese beinhaltet Informationen der Teileinzugsgebiete, untergliedert in Sheet Flow, Shallow Flow und Channel Flow. Das Sheet Flow sind die ersten 100 m von der Einzugsgebietsgrenze auf dem längsten Fließweg. Danach folgt der Shallow Flow bei dem sich das Wasser langsam sammelt, bis es in das Fließgewässernetz gelangt. Die Wechsel zwischen den drei Bereichen können in HEC-GeoHMS definiert werden. Um realistische Werte zu erhalten, wurde der Übergangspunkt vom Shallow Flow in den Kanal, anhand der Flussverläufe der Topographischen Karte gewählt, da diese leicht vom ermittelten Fließnetz in HEC- GeoHMS abweicht. Die benötigten Längen sowie die mittlere Steigung werden berechnet und automatisch an die Excel Datei übergeben. Zur Berechnung wird darüberhinaus der Niederschlagswert (D = 24 h, T = 2) benötigt, der gemäß dem KOSTRA-Blatt für den östlichen Walchensee 93,8 mm beträgt. Die Rauigkeiten nach Manning sind der Tabelle 3-2 in Kapitel zu entnehmen. Diese wurden für jedes 24

30 4 Modellparametrisierung Teileinzugsgebiet gewichtet nach der Flächennutzung, berechnet. Zusätzlich soll das Flussbett näher beschrieben werden: Der Querschnitt und der benetzte Umfang werden aus einer Messreihe des Sachenbachs geschätzt. Die Konzentrationszeit ist die Summe der berechneten Zeiten aus Sheet, Shallow und Channel Flow. Die Excel Tabelle befindet sich im Anhang ( Tabelle A-11) T c nach Kirpich Die Ermittlung der Konzentrationszeit nach Kirpich wird in HEC-HMS nicht explizit verwendet. Sie soll als dritte Vergleichszahl dienen, um mögliche Diskrepanzen deuten zu können. Die Konzentrationszeit wird aus der Länge L in km, von der Gebietsgrenze bis zum Gebietsauslass (längster Fließweg) und dem mittleren Gefälle J über L berechnet. (DISSE et al. 2014: S. 149) t c = L 0.77 J (Formel 4-3) Jedoch ist beim Vergleich der Zeiten zu beachten, dass anhand der Kirpich-Formel oft zu kleine Konzentrationszeiten berechnet werden. (MANIAK 2005: S. 309). Der längste Fließweg und die mittlere Steigung werden in ArcGIS ermittelt. In untenstehender Tabelle werden die drei Methoden für das Teileinzugsgebiet 7 verglichen. Der längste Fließweg des EZG 7 ist km und dessen mittlere Steigung (vgl. Tabelle A-6). Die Zahlen in kursiver Schreibweise wurden durch Verwendung der (Formel 4-1 berechnet. Tabelle 4-4: Konzentrationszeit und Verzögerungszeit am Beispiel EZG 7 TR55 SCS Kirpich Konzentrationszeit in h Verzögerungszeit in h Beim Vergleich der Methoden ist zu beachten, dass die oben aufgestellte Beziehung (Formel 4-1) nicht allgemeingültig ist. Im Anhang sind die Ergebnisse der anderen Teileinzugsgebiete aufgelistet (Tabelle A-7Tabelle A-8). 25

31 4.2 Teilmodelle Parametrisierung Clark Unit Hydrograph Transform Die Zeit-Flächen-Beziehung in HEC-HMS (Formel 2-4) hat sich für viele Einzugsgebiete als geeignet erwiesen. Sie beachtet die gesamte Einzugsgebietsgröße und das entscheidende Gebiet zum Zeitpunkt t. Der Benutzer muss die Konzentrationszeit t c berechnen. Die möglichen Verfahren wurden bereits erläutert. Der zweite Parameter ist der Speicherkoeffizient R. Er gibt die zeitliche Speicherung des Niederschlags im EZG an. R hat keine direkte physikalische Bedeutung und kann somit nur durch Kalibrierung bestimmt werden. Die verwendete Vorgehensweise wird durch in Abbildung 4-1 verdeutlicht. SCS Unit Hydrograph Um die dimensionslose EGL anzupassen, wurde bereits in Kapitel erläutert, dass Informationen über den Peak benötigt werden. Aus den Formeln 2-5 und 2-6 wird deutlich, dass für dieses Verfahren nur der Parameter t lag geschätzt werden muss. Zusätzlich kann die Konzentrationszeit durch Kalibrierung ermittelt werden, um die Genauigkeit der anderen Methoden besser beurteilen zu können. Deshalb wird dieses Verfahren viermal mit unterschiedlichen Verzögerungszeiten angewendet: - TR *t c nach SCS - Kalibrierung Es können verschiedene Graphen mit einem unterschiedlichen peak rate factor (PRF) gewählt werden. Der PRF wird je nach Steilheit des EZGs bestimmt. Gewählt wurde der Standard PRF- Wert 484. (HEC 2015: S. 213) Transformationsmethode der Kinematische Welle Für die Parametrisierung des Ansatzes der Kinematischen Welle werden umfangreiche Daten der Teileinzugsgebiete benötigt. Die Teileinzugsgebiete werden in verschiedene Elemente aufgeteilt: Bei den Overland Flow Planes kann das Teileinzugsgebiet in zwei Ebenen eingeteilt werden. Die eine Ebene beschreibt die durchlässigen Gebiete, während die zweite Ebene die undurchlässigen Gebiete charakterisiert. Da diese sehr gering sind, werden sie im Folgenden vernachlässigt. Es werden die Parameter der typische Länge, Hangneigung und die Rauheit benötigt. Zusätzlich muss eine Abflussbildung je EZG gewählt werden. Für die typische Länge wird der mittlere Fließweg von dem Punkt, an dem der Regen fällt, bis zum Punkt des Eintritts in das Fließgewässernetz, benötigt. Es wird die mittlere Länge von der Gebietsgrenze bis zum Gerinne in ArcGIS geschätzt. Subcollector & Collector Channels beschreiben die Nebenflüsse. Diese werden in HEC (2000) bis zu einer Breite von etwa 60 cm definiert. Ab 60 cm wird ein Gerinne zum Hauptgerinne gezählt. Für diese Arbeit wird das gesamte Fließgewässernetz als Hauptgerinne abgegrenzt. Da bei dem Preprocessing darauf geachtet wurde, dass 26

32 4 Modellparametrisierung keine weiteren Nebenflüsse entstehen, als die welche die topographische Karte aufgezeigt (vgl. Kapitel 3.2.1). Der Main Channel ist das Hauptgerinne. Es werden Parameter zur genauen Beschreibung für jedes Teileinzugsgebiet benötigt. Dazu gehören die Gerinnelänge und Neigung, der Querschnitt und ein Rauheitswert nach Manning. Bis auf die Rauheitswerte können alle Daten in HEC-GeoHMS ermittelt werden. Für die Ebenen wurden die Rauheitswerte N mit Hilfe der Tabelle A-9 im Anhang bestimmt. Mannings n wird, wie bereits für die TR55-Methode gewählt. Die Parametrisierung der Kinematischen Welle ist der Tabelle 4-5 zu entnehmen. Tabelle 4-5: Parametrisierung der Kinematischen Welle MAIN CHANNEL PLANE Length Slope Mannings Width Side Slope Length Slope Roughness Area in m n in m in m N in % EZG EZG EZG EZG EZG EZG EZG Abflussrouting Kinematische Welle Für das Abflussrouting wird der Sachenbach in drei Segmente aufgeteilt. Im Gegensatz zur Modellierung der Abflusskonzentration, wird die Veränderung der Ganglinie durch die Bewegung im Gerinne berücksichtigt. Für jeden Abschnitt wird die Abflussganglinie vom Einlass (Combined Inflow) durch den Gerinneabschnitt geroutet. Die Abflussganglinie am Auslass des Gerinneabschnitts (Outflow) weist im besten Falle eine Abflachung und zeitliche Verzögerung auf. Die Parameter wurden auf die gleiche Art, wie bei der Transformationsmethode der Kinematischen Welle gewählt (siehe Tabelle A-10 im Anhang) 27

33 4.2 Teilmodelle Parametrisierung 5 Vergleich der Ansätze Die Ergebnisauswertung findet in HEC-HMS statt. Im Folgenden wird das Vorgehen beschrieben, um die Auswirkungen der Wahl der unterschiedlichen Ansätze auf die modellierten Ganglinien herauszuarbeiten sowie eine geeignete Modellkonfiguration für das Untersuchungsgebiet zu identifizieren. Für die Abflussbildung werden die drei erläuterten Ansätze verwendet. Im ersten Schritt erfolgt die Parametrisierung, wie in Kapitel 4 beschrieben. Es wird die Abflusskonzentration nach SCS mit der Verzögerungszeit der Methode TR55 angewendet, um die Ergebnisse grafisch darstellen zu können. Jedoch liegt der Fokus bei dem Volumen des ermittelten Direktabflusses. In einer Sensitivitätsanalyse werden die jeweiligen Parameter der verschiedenen Ansätze der Abflussbildung auf ihrer Empfindlichkeit gegenüber kleiner Änderungen untersucht. Zusätzlich kann dadurch eine Kalibrierung stattfinden und die Annahmen aus Kapitel 4 untersucht werden. Am Ende der Kalibrierung und Sensitivitätsanalyse werden die Ergebnisse kritisch betrachtet und eine geeignete Methode für die weitere Modellierung gewählt. Die Ansätze der Abflusskonzentration können anschließend miteinander verglichen werden. Auch in diesem Arbeitsschritt sollen erst die Ansätze nach Kapitel 4 durchgeführt und danach in einer Sensitivitätsanalyse angepasst werden. Für das Abflussrouting wird ausschließlich der Ansatz der Kinematischen Welle verwendet. Abbildung 5-1: Übersicht des HMS-Schemata aus HEC-HMS 28

34 5 Vergleich der Ansätze 5.1 Abflussbildung Vergleich der Ansätze Der effektive Niederschlag wird mit den drei beschriebenen Ansätzen berechnet. In HEC-HMS können für jedes Teileinzugsgebiet die Ergebnisse in Form von Graphen und Tabellen eingesehen werden. Es wird jedoch nur das Gesamtergebnis am Auslass des Einzugsgebietes näher betrachtet. Dort liegen die Pegelmessdaten als Vergleichswerte vor. In Tabelle 5-1 sind die Ergebnisse der einzelnen Ansätze mit der Parametrisierung, die in Kapitel 4 erläutert wurde, dargestellt. Tabelle 5-1: Ergebnisse der Abflussbildung am Auslass des Sachenbachgebiets aus HEC-HMS SCS Green & Ampt Initial & Constant Observed Volume in mm Abflussbeiwert Alle drei Verfahren liefern verglichen mit dem gemessen Wert (Observed), einen geringeren effektiven Niederschlag (Zeile: Volume). Für jedes Volumen des direkten Abfluss wird der Abflussbeiwert berechnet, wie in Kapitel 2.1 erläutert. Während die Abflussbeiwerte aus dem Green & Ampt - Verfahren und dem Initial & Constant Loss unrealistisch sind, ist ein Abflussbeiwert von bei dem SCS- Verfahren zwar sehr gering, aber nicht unmöglich (vgl. DYCK et al. 1995: S. 367). Für seltene Ereignisse liegt er bei kleinen Gebieten häufig zwischen 0,6 und 0,8, [ ] (MANIAK 2005: S. 298). Somit ist der ermittelte Abflussbeiwert aus den gemessenen Pegeldaten mit als sehr hoch einzuordnen. Es soll überprüft werden, wie es zu einem so hohen Abflussbeiwert kommen konnte. Dazu muss das Hochwasserereignis im Mai/Juni 2013 näher untersucht werden. Laut dem Wasserwirtschaftlichen Bericht des LFU (2013: S. 7) über das Junihochwasser 2013 war der Mai deutlich zu nass. In Bayern wurde im Mittel ein Monatsniederschlag von 160 Millimeter erreicht und dies entspricht 177 Prozent des 30-jährigen Monatsmittels von 1981 bis Nach stetigen Niederschlägen im Mai, setzten Ende Mai Starkniederschläge ein. Auslöser des Hochwasserereignisses waren demnach mehrere aufeinanderfolgende Regenfälle. Die Folge waren Hochwasserstände in vielen Bereichen Bayerns. (LFU 2013). Da es sich aufgrund dieser Rahmenbedingungen um ein spezielles Ereignis handelt, wird untersucht, ob die verschiedenen Teilmodelle durch Änderung des Anfangswassergehalts oder ähnlichem angepasst werden können. 29

35 5.1 Abflussbildung Sensitivitätsanalysen und Kalibrierung SCS Curve Number Verfahren In MANIAK (2005) ist ein Vorgehen zur Ermittlung der CN-Werte geschildet, welches bereits im Kapitel beschrieben wurde. Ermittelt man die CN-Werte auf diese Weise, sind sie abweichend zu denen des EGAR-Projekts. Untenstehende Tabelle 5-2 enthält die CN-Werte für die verschiedenen Bodengruppen. Schluffiger Lehm ist nicht eindeutig einer der beiden Bodengruppen zuzuordnen. Der CN-Wert der Weidenflächen liegt bei der Bodengruppe B bei 61. Im Vergleich dazu erhöht sich der CN-Wert auf 74, wenn schluffiger Lehm der Bodengruppe C zugeordnet wird. Deshalb wird das System, zusätzlich hingehend der Sensibilität der gewählten Bodengruppe untersucht. A Horizont Tabelle 5-2: CN-Werte ermittelt nach der Vorgehensweise in MANIAK (2005) B Horizont C Horizont Landnutzung Bodengruppe CN- Boden- CNniedriger Wert gruppe Wert niedriger höher höher schluffiger Lehm lehmiger Weide fett B 61 C 74 Lehm Sand Lehm toniger Lehm Lehm Wald dicht C 70 C 70 schluffiger - Lehm Wald dicht B 55 C 70 Lehm schluffiger Weide fett B 61 C 74 Lehm schluffiger - schluffiger Wald dicht B 55 C 70 Lehm Lehm Lehm toniger Lehm schluff.,toniger Weide fett C 74 C 74 Lehm toniger schluff.,toniger schluffiger Wald dicht C 70 C 70 Lehm Lehm Lehm schluffiger schluffiger sandiger Weide fett B 61 C 74 Lehm Lehm Lehm schluffiger Lehm schluffiger Lehm sandiger Lehm Wald dicht B 55 C 70 Die Modellierung wurde für das SCS-Verfahren mit den unterschiedlichen Parametrisierungen des CN-Wertes durchgeführt. Das Ergebnis ist der Tabelle 5-3 zu entnehmen. Die Sensitivitätsanalyse hat gezeigt, dass die Veränderungen der CN-Werte einen großen Einfluss auf das Simulierungsergebnis haben. In den ersten drei Spalten der Tabelle 5-3 wurde der effektive Niederschlag mit einem Anfangsverlust von 50 % des gesamten Niederschlagsereignisses berechnet. Wird angenommen, dass aufgrund der hohen Bodenfeuchte kein Verlust auftritt, erhöht sich die effektive Niederschlagsmenge deutlich (Spalte: Maniak höher mit I a=0). Neben der Einordnung der Bodengruppe hat zusätzlich die Wahl der Landnutzung eine Wirkung. Es wird der effektive Niederschlag für Weide karg (statt: fett) und Wald mittel (statt: dicht) berechnet. Dazu wird die höhere Bodengruppe gewählt. Diese Modellierung liefert, mit mm, das höchste Ergebnis. 30

36 5 Vergleich der Ansätze Tabelle 5-3: Ergebnis der Sensitivitätsanalysen des SCS-Verfahren mit der Bodenfeuchtklasse II aus HEC-HMS Verfahren EGAR mit I a_50% Maniak niedriger Maniak höher Maniak höher mit I a=0 Maniak höher mit I a=0 Landnutzung höher Observed Volume in mm Abflussbeiwert Aufgrund der hohen Bodenvorfeuchte und des unüblich nassen Monats Mai wird im folgenden Schritt der CN-Wert für die Bodenfeuchteklasse III ermittelt. Die Umwandlung des CN-Wertes erfolgt nach Formel 2-1. Als Basis wird der CN-Wert für die höhere Zuordnung der Bodengruppen (letzte Spalte Tabelle 5-2) verwendet. Für die Weide fett ist der neue CN-Wert und für den Wald dicht Mit dieser Parametrisierung konnte ein sehr gutes Ergebnis mit einem effektiven Niederschlag von mm erzielt werden. Jedoch wurde der Anfangsverlust für jedes Teileinzugsgebiet gleich Null gewählt. Durch eine Kalibrierung konnte der optimale Anfangsverlust gefunden werden, um das gemessene Ergebnis mit einer Genauigkeit von 0.01 mm zu erhalten. Der gefundene Anfangsverlust beträgt 0.61 mm je Teileinzugsgebiet. Die Sensitivitätsanalyse des SCS-Verfahrens hat gezeigt, dass vor allem die Berücksichtigung der Bodenvorfeuchte einen erheblichen Einfluss auf die Berechnung des effektiven Niederschlags hat. Initial & Constant Loss Auch bei diesen Verfahren wird der entscheidende Parameter mittels der Bodengruppeneinteilung nach SCS bestimmt. Um zu zeigen, wie anfällig das System auf falsche Zuordnungen reagiert, wird das Verfahren einmal mit der niedrigen und einmal mit der höheren Bodengruppe durchgeführt. In Tabelle 5-4 wird die Veränderung der Verlustrate für verschiedenen Bodengruppen aufgezeigt. Tabelle 5-4: Veränderung der Verlustrate beim Initial & Constant Loss durch Zuordnung zu verscheidenen A Horizont B Horizont C Horizont schluffiger Lehm schluffiger Lehm schluffiger Lehm Lehm toniger Lehm schluffiger Lehm Lehm lehmiger Sand Bodengruppen nach SCS Constant Rate SCS Constant Rate SCS Constant Rate Mittel [in/h] niedriger [in/h] höher [in/h] BC 0.15 B 0.2 C Lehm BC 0.15 B 0.2 C toniger Lehm schluff.,toniger Lehm schluffiger Lehm Bodengruppe schluffiger Lehm schluff.,toniger Lehm schluffiger Lehm sandiger Lehm CB 0.15 B 0.2 C 0.1 C 0.1 C 0.1 C 0.1 C 0.05 C 0.1 C 0.1 CB 0.15 B 0.2 C

37 5.1 Abflussbildung Die Sensitivitätsanalyse (Tabelle 5-3) zeigt, dass die Einordnung der Bodengruppen und damit die Wahl der Verlustrate (Constant Rate) ein sehr empfindlicher Parameter ist. Der Abflussbeiwert wird fast doppelt so groß, trotz minimaler Veränderung der Rate. Der Anfangsverlust hat nur einen Einfluss, wenn dieser höher ist als die Verlustrate. Der effektive Niederschlag wird, selbst bei Zuordnung von schluffiger Lehm zur Bodengruppe C, weit unterschätzt. Tabelle 5-5: Ergebnisse der Sensibilitätsanalyse Initial & Constant Loss Mittel Niedriger Höher Höher kein Anfangsverlust Observed Volume in mm Abflussbeiwert Das Initial & Constant Loss - Verfahren ist das einfachste der drei Ansätze, die zur Berechnung der Abflussbildung verwendet wurden. Die Verlustrate ändert sich über den gesamten Simulierungszeitraum nicht. Dadurch kann eine Ungenauigkeit entstehen, da außer Acht gelassen wird, dass sich die Infiltration in Abhängigkeit des Bodenfeuchtegehalts ändern kann. Green & Ampt Verfahren Die Ergebnisse aus dem Green & Ampt - Verfahren liegen weit unter den zu erwartenden Werten. Während bei einem Anfangswassergehalt von 100 %, also bei einem vollständig gesättigten Boden, ein effektiver Niederschlag von nur 7.48 mm in der Summe berechnet wird, infiltriert bei einem niedriger gesättigten Boden der gesamte Niederschlag. Das ist nicht mit den realen Werten vereinbar, deshalb wird nach einem möglichen Fehler in der Parametrisierung gesucht. MANIAK (2005: S. 296) enthält Vorschläge für die Parameter der Green & Ampt - Gleichung, die von denjenigen in Kapitel 4 abweichen (siehe Tabelle A-5). Aber auch eine Modellierung mit diesen Werten liefert kein zufriedenstellendes Ergebnis (17.62 mm). Bei der Parametrisierung nach MANIAK (2005) beträgt die mittlere gesättigte Leitfähigkeit 5.64 mm/h. Während des gesamten Niederschlagereignisses regnet es nur 10 Stunden geringfügig mehr als 5.64 mm/h. Das erklärt, warum in diesem Modell nur ein sehr geringer Anteil als effektiver Niederschlag übrig bleibt. Das Green & Ampt - Verfahren beinhaltet Parameter, die nur genau für eine betrachtete Konstellation gültig sind, weil sie die Einflüsse der Bodenart und der Randbedingungskombination (untrennbar) zusammengefaßt enthalten (MAURER 1997: S. 79). In diesem Verfahren wird von einem homogenen Boden ausgegangen. Ebenso wird eine mögliche Extrafiltration ( return flow ) nicht berücksichtigt. Deshalb liegt die Vermutung nahe, dass diese Einflüsse im Sachenbachgebiet, auf Grund der steilen Hänge und damit schnell wechselnden Bodenarten sehr groß sind und nicht vernachlässigt werden dürfen. Zusätzlich wird die Vegetation des Einzugsgebietes nicht berücksichtigt. 32

38 5 Vergleich der Ansätze Abbildung 5-2: Niederschlag und Verluste beim Green & Ampt Verfahren im EZG Beste Methode Das beste Ergebnis konnte, unter Berücksichtigung der besonderen Randbedingungen des Ereignisses im Juni 2013, mit dem SCS-Verfahren, erzielt werden (vgl. Abbildung 5-3). Dabei ist entscheidend, dass bei diesem Ansatz der Vorregen berücksichtigt werden kann. Hinzu wurde eine Umrechnungsformel für die CN-Werte bei feuchten Gebieten verwendet. Tabelle 2-2 gibt Anhaltswerte für die Zuordnung zur Bodenfeuchtklasse. Für das Sachenbachgebiet wird laut dieser Definition die Bodengruppe II zugeordnet. Jedoch nur, da die Einteilung nach einem gesamten Jahr erfolgt. Da die Wochen vor dem simulierten Niederschlagsereignis von Dauerregen geprägt waren, ist die Zuordnung zu einer höheren Bodenklasse durchaus legitim. Das Green & Ampt-Verfahren hat sich als ungeeignet für das Sachenbachgebiet erwiesen. Die Unterschätzung des effektiven Niederschlags ist hier nicht allein durch den Vorregen zu begründen. Bei Verwendung des Initial & Constant Loss-Verfahrens können für andere Niederschlagsereignisse im Sachenbachgebiet durchaus geeignete Werte berechnet werden. Diese These müsste jedoch in weiteren Modellierungen überprüft werden. Abbildung 5-3: effektiver Niederschlag ermittelt mit dem SCS-Verfahren unter Verwendung der Bodenfeuchtegruppe III 33

39 5.2 Abflusskonzentration 5.2 Abflusskonzentration Die Transformation des effektiven Niederschlags in eine Abflussganglinie erfolgt mit dem SCS- Ansatz der Abflussbildung. Die beste Parametrisierung wird in Kapitel 5.1 erläutert. In diesem Kapitel werden die Ergebnisse der Ansätze zu Bestimmung der Abflusskonzentration aufgezeigt und anschließend in einer Sensitivitätsanalyse untersucht und interpretiert Gütekriterien In HEC-HMS können mehrere Gütekriterien bestimmt werden. Diese dienen zur Bewertung der modellierten Ganglinien. Die Anpassung der ermittelten Abflussganglinie wird mit den beobachteten Pegelmessdaten am Auslass des Einzugsgebietes verglichen. In dieser Arbeit wird der Gütekoeffizient nach Nash-Sutcliffe und der Root-Mean-Square Error (RMS-Error) bestimmt. Nash-Sutcliffe Es wird die Gesamtanpassung an die Ganglinie berechnet. Dieses Gütekriterium reicht von - bis Eins, wobei Eins die optimale Anpassung ist. Werte, die kleiner Null sind werden als inakzeptabel eingestuft. Der Mittelwert der gemessenen Daten wäre in diesem Fall ein besserer Indikator. (MORIASI et al. 2007). NSE = 1 n (Y i obs Y sim i ) 2 i=1 n (Y obs obs i Y i )2 i=1 (Formel 5-1) mit NSE = Nash-Sutcliffe Koeffizient [-] obs Y i = gemessener Abfluss zum Zeitpunkt i [m 3 /s] sim Y i = simulierter Abfluss zum Zeitpunkt i [m 3 /s] obs Y i = mittlerer gemessener Abfluss [m 3 /s] Werte zwischen Null und Eins sind generell akzeptabel, wobei ein gutes Ergebnis zwischen 0.85 und 0.95 liegt (vgl. ANDERSEN et al. (2001)). Ziel der Arbeit ist eine Kalibrierung in diesem Bereich zu finden. 34

40 5 Vergleich der Ansätze RMS-Error Der mittlere quadratische Gesamtfehler zeigt die mittlere Abweichung des simulierten Wertes vom beobachten Wert an. Bei einer perfekten Anpassung ist das Ergebnis Null. Der Fehler wird in der Einheit des Abflusses angegeben. n RMSE = (Y obs i Y sim i ) 2 i=1 (Formel 5-2) mit RMSE = Root-Mean-Square Error [m 3 /s] Y i obs = gemessener Abfluss zum Zeitpunkt i [m 3 /s] Y i sim = simulierter Abfluss zum Zeitpunkt i [m 3 /s] Vergleich der Ansätze Die Abflusskonzentration wurde für die Transformationsmethoden nach SCS, Clark und der kinematischen Welle in HEC-HMS modelliert. Die untenstehende Tabelle vergleicht die Ergebnisse der drei Teilmodelle. Dafür sind drei verschiedene Kriterien gegeben: der Spitzenabfluss (Peak Discharge) in m 3 /s, der Nash-Sutcliffe Koeffizient und der RMS-Error. Im weiteren Verlauf der Interpretation wird ein besonderes Augenmerk auf den Nash-Sutcliffe Koeffizienten gelegt. Die verschiedenen Ansätze der Tabelle 5-6 sind in einer Abbildung B-2 im Anhang dargestellt. Tabelle 5-6: Ergebnisse der Abflusskonzentration mit Parametrisierung nach Kapitel 4 SCS UH SCS UH Clark Kinematische Observed CN Lag TR55 Welle Volume in mm Peak Discharge in m³/s Nash-Sutcliffe RMS-Error in m³/s Die einzelnen Ergebnisse aus der Tabelle 5-6 werden im folgenden Kapitel näher erläutert und in einer Sensitivitätsanalyse auf die Empfindlichkeit der einzelnen Parameter gegenüber Veränderungen untersucht. 35

41 5.2 Abflusskonzentration Sensitivitätsanalysen und Kalibrierung SCS Unit Hydrograph Das Verfahren nach SCS wird nur von der Verzögerungszeit beeinflusst. Diese ist mit den Berechnungsmethoden nach TR55 und CN Lag (Kapitel 4.2.2) modelliert worden. Bei beiden Verfahren wurde der Nash-Sutcliffe Koeffizient kleiner Null. Dies bedeutet, dass die Anpassung an die Pegelmessdaten inakzeptabel ist (vgl. Kapitel 5.2.1). Die Verzögerungszeit aus der CN Lag Methode wurde mit den CN-Werten aus dem EGAR- Projekt in HEC-GeoHMS ermittelt. Bei der Modellierung des effektiven Niederschlags, hat sich bereits gezeigt, dass diese CN-Werte nicht für die Modellierung des Junihochwassers geeignet sind. So wurde im EGAR-Projekt ein CN-Wert von etwa 52 für den Wald vorgeschlagen, welcher sich nach der Kalibrierung in Kapitel auf erhöht hat. Eine neue Berechnung der Verzögerungszeit wird höhere Werte und damit eine bessere Anpassung ergeben. Bei der Methode TR55 wird die Konzentrationszeit bestimmt und im Anschluss in die Verzögerungszeit umgerechnet. Auch nach diese Methode ergab sich eine zu niedrige Zeit, um eine geeignete Anpassung an die Hochwasserwelle zu erhalten. Der Fehler kann zum einen, an der Wahl der Parameter, zum anderen an der Umrechnung von der Konzentrations- in die Verzögerungszeit liegen. Im Anhang befindet sich die Excel Tabelle (A-11), mit der die Konzentrationszeit berechnet wurde. Bis auf wenige Daten werden die benötigten Informationen aus HEC-GeoHMS importiert. Die Rauheitswerte, sowie der Querschnitt des Fließgewässers werden vom Benutzer angegeben. Diese Werte wurden verändert um zu überprüfen, wie empfindlich das System darauf reagiert. Es hat sich gezeigt, dass selbst bei einer deutlichen Erhöhung, bei der die Werte nicht mehr im realistischen Bereich liegen, nur ein Unterschied von wenigen Minuten entsteht. Um herauszufinden in welchem zeitlichen Bereich eine Kalibrierung sinnvoll ist, wird die Annahme getroffen, dass die Verzögerungszeit in jedem EZG gleich lang ist. In der Tabelle 5-7 sind die Verzögerungszeiten, die in HEC-HMS für jedes Teileinzugsgebiet verwendet wurden und der jeweilige Nash-Sutcliffe Faktor angegeben. Gleichzeitig kann überprüft werden, wie empfindlich das SCS UH -Verfahren auf Veränderungen der Verzögerungszeit reagiert. Tabelle 5-7: Sensitivitätsanalyse des SCS UH Verfahren tlag, je EZG in min Nash-Sutcliffe Diese Sensitivitätsanalyse hat gezeigt, dass sich der Nash-Sutcliffe Koeffizient sehr langsam ändert. Das ist damit zu erklären, dass es sich um ein sehr langes Niederschlagsereignis handelt, aus dem zwei übereinander gelagerten Ganglinien hervorgehen, welche ihren Scheitelpunkt erst nach etwa 80 h erreichen. In der Zeitspanne von 450 min bis 470 min wird der Koeffizient für diese Parametrisierung mit maximal. Damit wird er laut Definition aus Kapitel als gute Methode eingestuft. 36

42 5 Vergleich der Ansätze Dieses Ergebnis entstand jedoch unter der Annahme, dass die Verzögerungszeit in jedem Teileinzugsgebiet gleich groß ist. Diese charakteristische Zeit wird von der Oberflächenbeschaffenheit, wie Landnutzung oder Rauheiten, und vor allem der Fließlänge beeinflusst. Da diese im Sachenbachgebiet je Teileinzugsgebiet stark variieren, soll dies in einem weiteren Schritt beachtet werden. Es wird die Gewichtung der Verzögerungszeiten aus der CN Lag Methode verwendet. Nur die Summe der Verzögerungszeiten aus allen EZGs muss dadurch neu geschätzt werden. Als Anhaltswert wurde 460 min je EZG (vgl. Tabelle 5-7), also insgesamt 53.7 h, gewählt. Durch Kalibrierung wurde das beste Ergebnis bei 47 h gefunden. Durch die Umverteilung auf die Gebiete erhält z.b. das EZG 1 eine Verzögerungszeit von min und das EZG 7 eine Verzögerungszeit von min, da das EZG 7 um einiges größer ist. Der Nash-Sutcliffe Koeffizient liegt bei Abbildung 5-4 zeigt die ermittelte Ganglinie. Abbildung 5-4: SCS UH: Vergleich Pegelmessung und Kalibrierte EGL Vergleicht man die Verzögerungszeiten aus dieser Kalibrierung beispielsweise mit denen der CN Lag Methode, werden große Diskrepanzen deutlich. Beim EZG 7 liegt diese Zeit für die CN Lag Methode bei 26 min. Dahingegen liegt sie bei der Kalibrierung bei min. Für dieses Ereignis sind demnach die Methoden TR55 und CN Lag nicht geeignet. In der Tabelle 5-8 sind die Ergebnisse der Transformationsmethode nach SCS zusammengefasst. Durch eine Kalibrierung kann eine geeignete Anpassung gefunden werden. Jedoch weichen die hohen Verzögerungszeiten sehr stark von allen verwendeten Methoden ab. 37

43 5.2 Abflusskonzentration Tabelle 5-8: Sensitivitätsanalyse der Transformationsmethode SCS UH SCS UH Lag SCS UH TR55 t lag, je EZG = 460 min t lag, verteilt Peak Discharge in m³/s Nash-Sutcliffe RMS-Error in m³/s Clark Unit Hydrograph Bei der Transformationsmethode nach Clark werden zwei Parameter benötigt. Die Konzentrationszeit t c und der Speicherkoeffizient R. Da der Speicherkoeffizient nur eine bedingt physikalische Bedeutung hat, kann die Abflussganglinie ausschließlich mittels Kalibrierung gebildet werden. Im ersten Durchlauf wird die Konzentrationszeit aus der CN Lag Methode verwendet. In der Tabelle 5-9 ist die Kalibrierung des Speicherkoeffizienten verdeutlicht. Für R = 9.5 h wird ein Nash-Sutcliff Koeffizient von erreicht. Tabelle 5-9: Kalibrierung des Speicherkoeffizienten R mit der Konzentrationszeit nach der CN lag Methode tc nach CN Lag und R = Peak Discharge in m³/s R = 30 h R = 20 h R = 10 h R = 5 h R = 9 h R = 11 h R = 9.5 h Nash- Sutcliffe RMS-Error in m³/s In Abbildung 5-5 ist gut zu erkennen, dass eine nahezu perfekte Anpassung gefunden wurde. Nur der Spitzenabfluss wurde um 0.4 m 3 /s zu niedrig modelliert. Abbildung 5-5: Clark: Vergleich Pegelmessung und Kalibrierte EGL mit tc nach der CN lag Methode und R = 9.5 h 38

44 5 Vergleich der Ansätze Da die Konzentrationszeit bei dem Verfahren nach SCS UH viel zu klein waren, soll im Folgenden getestet werden, ob mit einer höheren Konzentrationszeit ein genaueres Ergebnis erzielt werden kann, bei dem der Spitzenabfluss von 3.0 m 3 /s erreicht wird. Als Summe der Konzentrationszeiten aller EZGs wir 50 Stunden gewählt. Wie bereits im SCS- Verfahren, werden die Zeiten der EZGs gewichtet. In Abbildung 5-6 ist zu erkennen, dass der erste Peak zu spät eintritt. Die Verzögerungszeit ist zu hoch gewählt worden. Die Anpassung ist jedoch mit einen Nash-Sutcliffe Koeffizienten von sehr gut. Weitere Ergebnisse dieser Sensitivitätsanalyse befinden sich im Anhang (Tabelle B-1) Abbildung 5-6: Vergleich Pegelmessung und Kalibrierte EGL mit tc,gesamt= 50 h und R = 10 h Beim Vergleich der Ergebnisse der AbbildungenAbbildung 5-5 Abbildung 5-6 lässt sich eine hohe Ähnlichkeit erkennen. Dabei sind Konzentrationszeiten sehr unterschiedlich. Für das EZG 7 wird bei der oberen Methode t c = 0.44 h und für die untere Methode t c = h gewählt. Dahingegen sind die Speicherkoeffizienten sehr ähnlich. Daran ist zu erkennen, dass die Konzentrationszeit auf dieses Ereignis keinen erheblichen Einfluss nimmt. Transformation mit der Kinematischen Welle Bei dem Ansatz der kinematischen Welle wird das Teilgebiet in eine Ebene und ein Gerinne aufgeteilt. In Abbildung 5-7 ist die Abflussganglinie mit Parametrisierung nach Kapitel 4 dargestellt. Es ist deutlich zu erkennen, dass die Ganglinie stark von dem gemessenen Pegel abweicht. Es findet nur eine minimale Abflachung des Spitzenabflusses statt. Am Abend des 31.Mai wird ein Abfluss von 4.6 m 3 /s modelliert. Das ist sehr viel höher als der gemessene Wert, welcher 1.7 m 3 /s beträgt. 39

45 5.2 Abflusskonzentration Abbildung 5-7: Transformationsmethode der Kinematischen Welle mit Parametrisierung nach Kapitel 4 Es wurde untersucht, ob die Rauheitswerte oder die mittlere Fließlänge falsch geschätzt wurden. Diese Analysen brachten jedoch keine deutlich bessere Ganglinie, weshalb daraus zu schließen ist, dass diese Methode nicht geeignet für das Sachenbachgebiet ist. Ein Grund dafür ist möglicherweise, dass dieser Ansatz eher für urbane Gebiete geeignet ist. Sammelt sich der Abfluss in Rillen, muss die Rillengeometrie in die Berechnungen mit einbezogen werden. In urbanen Gebiete haben die Durchschnittsquerschnitte eine regelmäßigere Form als bei natürlichen Wasserläufen, weswegen die Bestimmung der Rillen einfacher und genauer ist. (DYCK et al. 1995: S. 420) Beste Methode Bei der Abflusskonzentration konnte mittels Kalibrierung für das SCS und das Clark-Verfahren eine sehr gelungene Anpassung gefunden werden. Jedoch ist fraglich, ob diese Ganglinien übertragbar auf andere Niederschlagsereignisse im Sachenbachgebiet sind. Die Konzentrationszeiten, die sich durch die Kalibrierung im SCS-Verfahren ergeben haben, liegen weit über den ermittelten Werten aus den verwendeten Ansätzen. Mit dem Ansatz nach Clark konnte eine Anpassung mit einem Nash-Sutcliffe Koeffizienten von kalibriert werden. Dazu wird die Konzentrationszeit nach der CN Lag Methode und eine Speicherkonstante von R = 9.5 h verwendet. 40

46 5 Vergleich der Ansätze 5.3 Abflussrouting Beim Abflussrouting wird die Fortbewegung der Welle im Gerinne betrachtet. Zur Modellierung wurde die beste kalibrierte Abflusskonzentration nach dem Ansatz von Clark verwendet. Das Gerinne wird in drei einzelne Abschnitte (1, 3, 5 Sachenbach) aufgeteilt. Der Gerinneabschnitt des EZG 5 (5 Sachenbach) hat eine Länge von Meter und eine mittlere Steigung von 2.3 % (vgl. Abbildung 5-1). Zu Beginn dieses Gerinnes werden die Abflüsse der Einzugsgebiete 6 und 7 zusammengefügt (Combined Inflow). Am Ende dieses Abschnitts entsteht durch die Translations- und Retentionswirkung des Gerinnes eine veränderte Abflussganglinie (Outflow). Abbildung 5-8: Routing des Gerinneabschnitts: 5 Sachenbach Die Verzögerungszeit bleibt zwischen Combined Inflow und Outflow relativ konstant zwischen 4 und 7 Minuten. In der Abbildung 5-8 ist der Spitzenabfluss am Abend vom 2.Juni dargestellt. Es ist gut zu erkennen, dass die Abflussganglinie nach dem Gerinneabschnitt um einige Minuten nach rechts verschoben ist. In dem kurzen Bereich des Gerinnes findet keine Abflachung des Pegels statt. Bei den beiden anderen Abschnitten ist der zeitliche Abstand ein wenig geringer. Mit der Verwendung des Abflussroutings hat sich die Anpassung an die gemessene Ganglinie am Auslass des Untersuchungsgebietes, verbessert. Der Nash-Sutcliffe Koeffizient ist Im Vergleich dazu ist dieser, bei gleicher Konfiguration der Abflussbildung und -konzentration, gleich In einer Sensitivitätsanalyse wird zum einen der Rauheitswert nach Manning und zum anderen der geschätzte Querschnitt verändert, um deren Einfluss auf das Ergebnis zu überprüfen. Beide Parameter bewirken nur bei großer Änderung einen Unterschied in den ermittelten Abflussganglinien. 41

47 5.3 Abflussrouting Das Abflussrouting wird demnach hauptsächlich von dem relativ hohen Gefälle beeinflusst. Zusätzlich sind die Abschnitte nicht besonders lang. Damit sind die relativ geringe zeitliche Verschiebung der Abflussganglinie vom Beginn bis zum Auslass des Gerinneabschnitts zu erklären. Abschließend dieser Arbeit ist in Abbildung 5-9 die geeignetste Modellkonfiguration der gewählten Ansätze für das Sachenbachgebiet dargestellt. Abbildung 5-9: beste Modelkonfiguration für das Sachenbachgebiet am Beispiel EZG 1 42

48 6 Fazit 6 Fazit In dieser Arbeit wurde beschrieben, wie mittels der Software HEC-HMS die Prozesse der Abflussbildung, der Abflusskonzentration und des Abflussroutings modelliert werden können. Die meteorologische Grundlage bot hierfür das Junihochwasser 2013 im Sachenbachgebiet. Mit Hilfe der Pegelmessung am Auslass des Einzugsgebietes konnten die modellierten Ansätze interpretiert und bewertet werden. Bei der Abflussbildung wurde festgellt, dass der entscheidende Parameter die Bodenvorfeuchte ist. Diese konnte beim SCS-Verfahren berücksichtigt werden, dadurch wurde ein effektiver Niederschlag ermittelt, der dem gemessenen Gesamtvolumen sehr nahe kommt. Eine geeignete Abflussganglinie konnte mittels Kalibrierung berechnet werden. Der beste Ansatz dafür ist das Clark-Verfahren. Im letzten Schritt wurde der Einfluss des Gerinnes bei dem Abflussrouting, mittels des Ansatzes der kinematischen Welle modelliert. Unter Verwendung dieser Ansätze konnte eine geeignete Modellkonfiguration für das Sachenbachgebiet gefunden werden. Bei Anwendung der verwendeten Programme traten einige Schwierigkeiten auf. Um die Arbeitsschritte in HEC-GeoHMS ausführen zu können, sind sehr gute Kenntnisse über ArcGIS notwendig. In dem Handbuch für HEC-GeoHMS werden diese als Voraussetzung angenommen, da zum Beispiel zusätzliche Funktionen von ArcGIS verwendet werden müssen, die nicht in der Toolbar von HEC-GeoHMS aufgeführt sind. Weiterhin ist darauf zu achten, dass HEC- GeoHMS für die englische Notation mit einem Punkt als Abtrennung der Dezimalstellen entwickelt wurde, deshalb sollte die Ländereinstellung des verwendeten Computers angepasst werden. In einigen Fällen haben zum weiteren Verständnis inhaltliche Erläuterungen gefehlt. So wird zum Beispiel bei der Wahl des Basin Centroids erwähnt, dass dieser sorgfältig ausgewählt werden muss, aber nicht was die Definition einer geeigneten Wahl ausmacht. Die Instandsetzung der Daten in HEC-GeoHMS hat die meiste Arbeitszeit benötigt. Die Software HEC-HMS ist hingegen einfacher aufgebaut und benötigt keine großen Grundkenntnisse. Die Anleitungen sind in den Handbüchern sehr ausführlich beschrieben. Für den ersten Überblick sind deshalb Tutorien im Internet sehr zu empfehlenswert. Bei vielen Verfahren war es schwierig, die richtigen Parameter zu finden. In vielen Fällen sind diese im Technical Handbook und im User s Manual anders benannt, oder nicht erläutertet. Zusätzlich wurden bei den meisten Verfahren keine Einheiten genannt, deshalb konnten in dieser Arbeit auch teilweise keine angegeben werden (z.b. Formel 2-3 des Green & Ampt - Verfahrens). Da in Lehrbüchern andere Parameter und Koeffizienten verwendet wurden, konnten sie auch nicht aus anderen Quellen hergeleitet werden. Um die Ergebnisse und Erkenntnisse dieser Arbeit zu bestätigen, müssten man diese durchweitere Modellierungen überprüfen. Dabei wäre zu beachten, dass das gewählte Niederschlagsereignis im Mai/Juni 2013 sehr speziell war. Die Bodenvorfeuchte war höher als es für diese Region üblich ist. Einige Verfahren, wie beispielsweise die Initial & Constant Loss Methode, haben für dieses Ereignis keine geeigneten Werte geliefert. Jedoch ist nicht auszuschließen, dass diese nicht für andere Regenereignisse im Sachenbachgebiet eine geeignete Anpassung liefern könnten. Deshalb wäre es sinnvoll, diese Verfahren anhand anderer Ereignisse zu prüfen. Es ist zu vermuten, dass bei kurzen Starkniederschlägen, die weiteren Verfahren zur Abflussbildung durchaus für das Sachenbachgebiet geeignet sein könnten, weil bei diesen der Vorregen keine so große Bedeutung 43

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50 Abkürzungsverzeichnis CN DGM EGAR EGL ESRI EZG GIS HEC HEC-GeoHMS HMS HQ 100 N-A-Modellierung NRCS PRF RMS-Error SCS USACE WaSiM Curve Number Digitales Geländemodell Einzugsgebiete in Alpinen Regionen Einheitsganglinie Environmental System Research Institute Einzugsgebiet Geoinformationssystemen Hydrologic Engineering Center Geospatial Hydrologic Modeling Extention Hydrologic Modeling System Hundertjährliches Hochwasser Niederschlags-Abfluss-Modellierung Natural Resource Conservation Service peak rate factor Root-Mean-Square Error US Soil Conservation Service US Army Corps of Engineers Water Flow and Balance Simulation Model i

51 Abbildungsverzeichnis Abbildung 1-1: Übersicht N-A-Prozesse. Leicht veränderte Abbildung von BRONSTERT (1994: S. 9)... 3 Abbildung 1-2: Laufzeit einer Hochwasserwelle gemessen als Zeit zwischen den Scheitelpunkten des Input QI(t) und Output Q0(t) Hydrographen aus (NÜTZMANN et al. 2016: S. 32)... 5 Abbildung 2-1: Übersicht der verwendeten Programme (erstellt in PowerPoint)... 6 Abbildung 2-2: Initial & Constant Loss - Ermittlung des effektiven Niederschlags in HEC-HMS Abbildung 2-3: SCS Einheitsganglinie aus HEC (2000: S. 59) Abbildung 2-4: Vereinfachung des EZGs bei der Methode der kinematischen Welle aus HEC (2000: S. 65) Abbildung 3-1: Sachenbachgebiet mit Messstationen und Fließgewässer aus GIS Abbildung 3-2: Teileinzugsgebiete als Ergebnis des Terrain Preprocessing Abbildung 3-3: Landnutzung im Sachenbachgebiet ermittelt im EGAR-Projekt aus ArcGIS Abbildung 4-1: Kalibrierung in HEC-HMS aus HEC (2000: S.101) Abbildung 4-2: Abflussganglinie Mai/Juni 2013 aus HEC-HMS Abbildung 4-3: Niederschlagsganglinie Mai/Juni 2013 aus HEC-HMS Abbildung 5-1: Übersicht des HMS-Schemata Abbildung 5-2: Niederschlag und Verluste beim Green & Ampt Verfahren im EZG Abbildung 5-3: effektiver Niederschlag ermittelt mit dem SCS-Verfahren unter Verwendung der Bodenfeuchtegruppe III Abbildung 5-4: SCS UH: Vergleich Pegelmessung und Kalibrierte EGL Abbildung 5-5: Clark: Vergleich Pegelmessung und Kalibrierte EGL mit t c nach der CN lag Methode und R = 9.5 h Abbildung 5-6: Vergleich Pegelmessung und Kalibrierte EGL mit t c,gesamt= 50 h und R = 10 h Abbildung 5-7: Transformationsmethode der Kinematischen Welle mit Parametrisierung nach Kapitel Abbildung 5-8: Routing des Gerinneabschnitts: 5 Sachenbach Abbildung 5-9: beste Modelkonfiguration für das Sachenbachgebiet am Beispiel EZG Abbildung B-1: Abflussganglinien an den verschiedenen Kontenpunkten des Sachenbachs mit Clark xii Abbildung B-2: Abflussganglinien der verschiedenen Ansätze mit Parametrisierung aus Kapitel 4... xiii Abbildung B-3: Abflussganglinien- Ansatz SCS UH... xiii ii

52 Tabellenverzeichnis Tabelle 2-1: Übersicht der verwendeten Ansätze... 7 Tabelle 2-2: Bodenfeuchteklasse Einteilung nach MANIAK (2005: S. 293)... 8 Tabelle 3-1: Bodeneigenschaften im Sachenbachgebiet (aus ArcMap) Tabelle 3-2: Rauheit nach Manning für das Sachenbachgebiet Tabelle 4-1: CN-Wert je Landnutzungstyp nach EGAR Tabelle 4-2: Parameter des Green & Ampt Verfahren in den benötigten Einheiten für HEC-HMS Tabelle 4-3: Verlustrate für die vorkommenden Böden im Sachenbachgebiet nach Tabelle A Tabelle 4-4: Konzentrationszeit und Verzögerungszeit am Beispiel EZG Tabelle 4-5: Parametrisierung der Kinematischen Welle Tabelle 5-1: Ergebnisse der Abflussbildung am Auslass des Sachenbachgebiets aus HEC-HMS Tabelle 5-2: CN-Werte ermittelt nach der Vorgehensweise in MANIAK (2005) Tabelle 5-3: Ergebnis der Sensitivitätsanalysen des SCS-Verfahren mit der Bodenfeuchtklasse II aus HEC-HMS Tabelle 5-4: Veränderung der Verlustrate beim Initial & Constant Loss durch Zuordnung zu verscheidenen Bodengruppen nach SCS Tabelle 5-5: Ergebnisse der Sensibilitätsanalyse Initial & Constant Loss Tabelle 5-6: Ergebnisse der Abflusskonzentration mit Parametrisierung nach Kapitel Tabelle 5-7: Sensitivitätsanalyse des SCS UH Verfahren Tabelle 5-8: Sensitivitätsanalyse der Transformationsmethode SCS UH Tabelle 5-9: Kalibrierung des Speicherkoeffizienten R mit der Konzentrationszeit nach der CN lag Methode Tabelle A-1: CN-Werte aus MANIAK (2005: S.294)... vii Tabelle A-2: Landnutzung im Sachenbachgebiet... vii Tabelle A-3: CN-Werte je Teileinzugsgebiet... viii Tabelle A-4: Infiltrationsraten von SCS (1986) und Skaggs & Khaleel (1982) aus HEC (2000: S. 40) viii Tabelle A-5: Parameter der Green & Ampt -Gleichung aus MANIAK (2005: S. 296)... viii Tabelle A-6: Längste Fließwege und deren mittlere Steigung aus ArcGIS... ix Tabelle A-7: Konzentrationszeiten für die einzelnen Teileinzugsgebiete... ix Tabelle A-8: Verzögerungszeiten für die einzelnen Teileinzugsgebiete... ix Tabelle A-9: Rauheitkoeffizient N für das Sheet-Flow-Modelling ( (USACE,1998) aus HEC (2000: S.61))...x Tabelle A-10: Parametrisierung der Routingmethode der Kinematischen Welle in HEC-HMS...x Tabelle A-11: Berechnung der Konzentrationszeit mit TR55 aus HEC-GeoHMS... xi Tabelle B-1: Clark Verfahren mit t c,je EZG = 7.14 h... xii iii

53 Formelverzeichnis (Formel 1-1)... 4 (Formel 2-1)... 8 (Formel 2-2)... 9 (Formel 2-3)... 9 (Formel 2-4) (Formel 2-5) (Formel 2-6) (Formel 2-7) (Formel 2-8) (Formel 4-1) (Formel 4-2) (Formel 4-3) (Formel 5-1) (Formel 5-2) iv

54 Literaturverzeichnis ANDERSEN, J.; REFSGAARD, J. C. & JENSEN, K. H. (2001): Distributed hydrological modeling of the Senegal River Basin. model construction and validation. Journal of Hydrology, 247. AXEL BRONSTERT (1994): Modellierung der Abflussbildung und der Bodenwasserdynamik von Hängen. Dissertation. Universität Karlsruhe (TH). BAUMGARTNER, A. & LIEBSCHER, H.-J. (1996): Allgemeine Hydrologie. Quantitative Hydrologie. Lehrbuch der Hydrologie, Band Aufl. Borntraeger. Berlin. BRAITO, S. & RIMBÖCK, A. (2014): Wildbachhydrologie in Bayern. Entwicklung eines Standardverfahrens. Tagungsband Internationales Symposium 2014 in Zürich. ETH Zürich. DISSE, M., HEINISCH, T., RIEGER, W., WINTER, F., KALK, M. & ET AL (2014): Hydrologie. Vorlesungsskript Bachelorstudiengang Umweltingenieurwesen. Technische Universität München. DYCK, S. & PESCHKE, G. (1995): Grundlagen der Hydrologie. 3. Aufl. Verl. für Bauwesen. Berlin. EM (1994): Flood-Runoff Analysis. Washington,DC Aufgerufen am HEC (2000): Hydrologic Modeling System HEC-HMS. Technical Reference Manual. Davis, CA. HEC (2013): HEC-GeoHMS. Geospatial Hydrologic Modeling Extention. User's Manual. Version Davis, CA. HEC (2015): Hydrologic Modeling System. User's Manual. Davis, CA. KAISER, M. (2014): Application and evaluation of the WaSiM surface routing module in the Sachenbach catchment. Study Project. Technische Universität München. LFU (2013): Junihochwasser Wasserwirtschaftlicher Bericht. Landesamt für Umwelt Bayern. MAGDALI, M. (2014): Generation and calibration of a WaSiM-Model for the Sachenbach catchment. Study Project. Technische Universität München. MANIAK, U. (2005): Hydrologie und Wasserwirtschaft. Eine Einführung für Ingenieure. 5. Aufl. Springer-Verlag Berlin Heidelberg. Berlin, Heidelberg. MAURER, T. (1997): Physikalisch begründete, zeitkontinuierliche Modellierung des Wassertransports in kleinen ländlichen Einzugsgebieten. Dissertation. Universität Karlsruhe (TH). v

55 MORIASI, D.; ARNOLD, M., VAN LIEW,.W. & BINGER, R. L. (2007): Model evaluation guidelines for systematic quantification of accuracy in watershed simulations. NÜTZMANN, G. & MOSER, H. (2016): Elemente einer analytischen Hydrologie. Prozesse - Wechselwirkungen - Modelle. 1. Aufl. Springer Fachmedien Wiesbaden. Wiesbaden, s.l. SCHNEIDER, K.-J. (2008): Bautabellen für Ingenieure. Mit Berechnungshinweisen und Beispielen. 18. Aufl. Werner. Neuwied. SPRINGER, M. (2014): Bestimmung von Bodenverteilung und bodenhydraulischer Parameter unter Nutzung hochaufgelöster standortkundlicher Bodendaten im Sachenbachgebiet. Bachelorarbeit. Technische Universität München. TESCHEMACHER, S. (2014): Snow Modeling with WaSiM. Application and evaluation of different approaches for modeling snow accumulation and ablation with WaSiM. Study Project. Technische Universität München. vi

56 A. Anhang: Kapitel 2 & 4 SCS-Verfahren Tabelle A-1: CN-Werte aus MANIAK (2005: S.294) Tabelle A-2: Landnutzung im Sachenbachgebiet Landnutzung aus dem EGAR-Projekt Fläche [m 2 ] Prozent Bergmischwald frisch Mähwiesen frisch bis mässig feucht Bergmischwald feucht Alm/Alpweiden feucht, oft verdichtet Alm/Alpweiden frisch Forstwege versiegelte Flächen Siedlungsflächen Bergmischwald nass vii

57 Tabelle A-3: CN-Werte je Teileinzugsgebiet Teileinzugsgebiet CN Mittel Initial & Constant Loss Tabelle A-4: Infiltrationsraten von SCS (1986) und Skaggs & Khaleel (1982) aus HEC (2000: S. 40) Green & Ampt Verfahren Tabelle A-5: Parameter der Green & Ampt -Gleichung aus MANIAK (2005: S. 296) viii

58 Längster Fließweg und deren mittlere Steigung der Teileinzugsgebiete Tabelle A-6: Längste Fließwege und deren mittlere Steigung ermittelt in HEC-GeoHMS Längster Fließweg mittlere Steigung in km in h EZG EZG EZG EZG EZG EZG EZG Konzentrationszeiten Tabelle A-7: Konzentrationszeiten für die einzelnen Teileinzugsgebiete TR 55 CN Lag Kirpich in h in h in h EZG EZG EZG EZG EZG EZG EZG Verzögerungszeiten Tabelle A-8: Verzögerungszeiten für die einzelnen Teileinzugsgebiete TR 55 TR 55 CN Lag CN Lag in min in h in min in h EZG EZG EZG EZG EZG EZG EZG ix

59 Kinematische Welle Tabelle A-9: Rauheitkoeffizient N für das Sheet-Flow-Modelling ( (USACE,1998) aus HEC (2000: S.61)) Tabelle A-10: Parametrisierung der Routingmethode der Kinematischen Welle in HEC-HMS x

60 Tabelle A-11: Berechnung der Konzentrationszeit mit TR55 aus HEC-GeoHMS Worksheet for computation of time of travel according to TR-55 methodology Blue - GIS defined, Green - user specified, White and yellow - calculated, Red - final result Watershed Name EZG1 EZG2 EZG3 EZG4 EZG5 EZG6 EZG7 Watershed ID Sheet Flow Characteristics Manning's Roughness Coefficient Flow Length (ft) Two-Year 24-hour Rainfall (in) Land Slope (ft/ft) Sheet Flow Tt (hr) Shallow Concentrated Flow Characteristics Surface Description (1 - unpaved, 2 - paved) Flow Length (ft) Watercourse Slope (ft/ft) Average Velocity - computed (ft/s) Shallow Concentrated Flow Tt (hr) Channel Flow Characterisitics Cross-sectional Flow Area (ft2) Wetted Perimeter (ft) Hydraulic Radius - computed (ft) Channel Slope (ft/ft) Manning's Roughness Coefficient Average Velocity - computed (ft/s) Flow Length (ft) Channel Flow Tt (hr) Watershed Time of travel (hr) xi

61 B. Anhang: Ergebnisse aus HEC-HMS Clark tc,gesamt = 50 h R = 1 tc,gesamt= 50 h R = 3 tc,gesamt= 50 h R = 10 Peak Discharge [m³/s] Nash Sutcliffe RMS-Error [m³/s] Tabelle B-1: Clark Verfahren mit tc,je EZG = 7.14 h Abbildung B-1: Abflussganglinien an den verschiedenen Kontenpunkten des Sachenbachs mit Clark ( beste Methode) xii

62 Abbildung B-2: Abflussganglinien der verschiedenen Ansätze mit Parametrisierung aus Kapitel 4 Abbildung B-3: Abflussganglinien- Ansatz SCS UH xiii