NA-Modell Niederschlag-Abfluss-Modell. FR-Modell Flood-Routing-Modell. Speicher-Modell
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- Ludo Adler
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1 (Dipl.-Math. Matthias Büttner, Thiele+Büttner GbR, Erfurt) WinPRO Allgemeine Programmoberfläche und umfangreiche Menge von Programmbausteinen zur Abflussvorhersage und Speichersteuerung, sehr anpassungsfähig an spezielle Flusssysteme und Bewirtschaftungsfälle NA-Modell Niederschlag-Abfluss-Modell FR-Modell Flood-Routing-Modell Speicher-Modell u.a. Das Programm ist für den Echtzeitbetrieb konzipiert. Es berechnet eine Abflussvorhersage für ein gesamtes Flussgebiet einschließlich eventuell vorhandener Speicher. Die Auswirkung von unterschiedlichen Steuerungsvarianten kann dabei untersucht werden. Die Berechnungen erfolgen auf der Grundlage des Ist-Zustandes des Systems (Abflüsse an den Pegeln, Speicherinhalte, Niederschläge in der Vergangenheit). Diese Werte gelangen normalerweise über die DFÜ bzw. Datenbankanbindung in das Programm. Fehlende Werte können über eine Editiermaske ergänzt werden. Ohne DFÜ-Anbindung sind Rechnungen über Handeingabe der erforderlichen Daten möglich. Die Werte für nicht belegte Zeitpunkte werden interpoliert. Das Programm rechnet mit Stundenwerten. Ergebnisse werden grafisch und tabellarisch angegeben.
2 Pegel Schönheide 3 / Zwickauer Mulde Einzugsgebiet AE=152 km² Start WinPRO Talsperre Eibenstock Einzugsgebiet AE=200,5 km² Stauraum = 74,65 Mio. m³ Reserveraum = 9 Mio. m³ Betriebsraum = 64,63 Mio. m³ Gewöhnlicher HRR IGR= 10 Mio. m³
3 Parameter: Dieser Menüpunkt ist stark von der jeweiligen Konfiguration abhängig Speicherparameter umfassen mindestens: - Stauraumaufteilung (IT, IR, IBR[M], IS) - Mindestabgaben [M] - Maximalabgaben [M] (schadlose Abgaben) - Trinkwasserabgaben [M] - Leistung der Entlastungsanlagen (GA, HWE) Weitere Parameter können sein: - Schalter für Arbeitsweise des Speichermodells - Parameter NA-Modell, - Grenzwerte für Abschläge - WQ-Tabellen
4 Daten Vergangenheit: Charakterisierung des Ist- Zustandes - Messdaten übernehmen (SQL-Server, Access-DB, Excel, WISKI, andere definierte Schnittstellen), es können auch Prognosedaten des Niederschlags übernommen werden - aktuelle Modellzeit (i.a. Termin des letzten Messwertes) - Wasserstände (werden dann umgerechnet in Abflüsse, WQT) - Abflüsse (an den Messpegeln, Zulaufpegeln) - Niederschläge (Messwerte an Stationen im Gebiet, werden dann umgerechnet in Gebietswerte, oder Gebietswerte) - Speicherinhalte (mindestens der aktuelle Inhalt, H oder V) - Speicherabgaben
5 Daten Zukunft: Vorgaben für die Berechnung - Prognoseniederschläge (am komfortabelsten automatische Übername der Prognosen des Lokalmodells/DWD, sonst Handeingabe z.b. von 6h-Prognosen) - Durchflüsse (z.b. Zuflussganglinien, die mit anderen Modellen berechnet wurden oder von anderen Einrichtungen übergeben werden, hier ist auch automatische Übernahme möglich) - Speicherabgaben (nur bei Option Vorgabe der Abgaben unter Menüpunkt Parameter -> Speichermodell) LM-Daten
6 NA-Modell ZG-Modell FR-Modell Natur Pegel A Pegel B Modell Aktuelle Situation Niederschlag Modellparameter NA-Modell Vorhersageganglinie Modellparameter Modellparameter FR-Modell ZG-Modell Vorhersageganglinie WinPRO Input-Dateien: Pegela.vq pegela-vns pegela.pns pegelb.vq diverse Parameterdateien Steuerdatei: REM NA-Modell Pegel A M_PRO pegela M_COPY m_pro.out pegela.pq REM FR-Modell M_WLM pegela.vq pegelb.vq apirk.pq wlm_pegelb.par M_COPY m_wlm1.out pegelb.vq M_COPY m_wlm2.out pegelb.pq REM ZG-Modell, zuerst ZG-Faktor M_ZGFAK pegela.vq pegelb.vq M_COPY m_zgfak.out pegelb.fak REM ZG-Modell M_ZG pegela.pq pegelb.fak M_COPY m_zg.out zgpegelb.pq REM Addition FR + ZG M_SUM pegelb.pq + zgpegelb.pq M_COPY m_copy.out pegelb.pq
7 NA-Modell (M_PRO.EXE) Das Modell arbeitet mit einem Zeitintervall von einer Stunde. Der Gesamtabfluss wird in - schnellen Direktabfluss, - langsamen Direktabfluss, - hypodermischen Abfluss, - Grundwasserabfluss aufgeteilt. Bei den NA-Modellen erfolgt eine laufende Separation des gemessenen Abflusses durch Einsatz des Verfahrens der Eingangssignalentdeckung (ESE). Das Verfahren ESE ist dadurch gekennzeichnet, dass von einem Einzugsgebiet der Abfluss bekannt ist und der Eingang, der Effektivniederschlag, rekursiv ermittelt wird. Durch Rückfaltung dieses Effektivniederschlages sind zu jedem Zeitpunkt die Abflusskomponenten und damit der Abflussrückgang und die aktuelle Wassermenge im Einzugsgebiet bekannt. Abfluss [m³/s] : :00 Effektiv-Niederschlag schneller Direktabfluss Direktabfluss hypodermischer Abfluss Grundwasserabfluss : : : : : : :00 Abflussanteile : : : : : : : : : : : : :00 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 Niederschlag [mm]
8 Das zentrale Problem bei der Berechnung des Prognoseabflusses ist die Bestimmung des Effektivniederschlages. Dabei ist die adäquate Wiedergabe der Veränderung des Niederschlag- Abflussverhältnisses mit fortschreitender Dauer eines Hochwasserereignisses von entscheidender Bedeutung. Ermittlung des Anfangsverlustes (Interzeption) Der Anfangsverlust nimmt mit steigender Wassermenge im Einzugsgebiet ab und wird bei ca. doppeltem Mittelwasser gleich Null. Die Wassermenge S wird für die 4 Linearspeicher der Abflusskomponenten aus der Beziehung S = k Q bestimmt. Ermittlung des Abflussverhältnisses Das Abflussverhältnis nimmt mit steigender Wassermenge im Einzugsgebiet zu. Es schwankt um das mittlere Abflussverhältnis (mittlerer Durchfluss/mittlerer Niederschlag). Ein oberer Grenzwert wird nicht überschritten. Die Parameter der Funktion werden bei der Eichung mit beobachteten Wellen ermittelt.
9 Die Stundenniederschläge werden um den Anfangsverlust reduziert und mit dem Abflussverhältnis multipliziert. Der so entstandene Effektivniederschlag PU wird bei der Berechnung der einzelnen Abflusskomponenten RK[1..4] nach folgenden Beziehungen in Abfluss transformiert: FOR k:=1 TO 4 DO (Schleife über alle Komponenten) BEGIN RK[k] : RK 1 / 24 [k] F[k (natürlicher Rückgang) Vor int ervall ] NA 1 AR[k,m] PU[TL m] (1 F[k] 1/24 RK[k] : RK[k] ) (Addition des Eff.-NS) NA END 4 m 1 R : RK[k] (Gesamtabfluss, Summe über alle 4 Abflusskomponenten) 1 mit: F[1..4] Rückgangskoeffizienten, bezogen auf 1 Tag = 24 Stunden NA Anzahl der Linearspeicher AR[1..4,1..NA] Aufteilungsfaktor des Effektivniederschlages auf die Komponenten
10 Beispiel: Talsperre Eibenstock / Erzgebirge KOSTRA Hochwasserereignis August 2002 Niederschlag vom : 186 mm Maximale 24h-Summe: 165 mm ( ) Das entspricht 37,3 Mio. m³, Direktabfluss ca. 19,4 Mio. m³ Abflussbeiwert=0,52 Vergleich KOSTRA, hn(d=24h,t=100a) = 150 mm
11 Modellrechnungen mit WinPRO TS Eibenstock aktuelle Zeit: :00 Berechnung der Abgabe nach allgemeiner Speicherregel, ohne Vorentlastung, ohne Optimierung Bewirtschaftung WinPRO Vergleich Beobachtet / NA-Modell aktuelle Zeit: :00 Ausblick: WinPRO Ostharz-TS Matthias Büttner Thiele+Büttner Ingenieurgemeinschaft GbR Domplatz Erfurt Ich danke Ihnen für Ihre Aufmerksamkeit! Tel. (0361) Fax: (0361) Internet:
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13 Berechnung von Gebietsniederschlägen aus Stationen Der Menüpunkt Niederschläge kann in Stationswerte und Gebietswerte aufgesplittet sein. Damit ist es möglich, die Gebietsniederschläge zu den Pegeln aus verschiedenen gemessenen Stationswerten zu berechnen. Im Idealfall gelangen die Stationswerte über eine DB-Anbindung in die Tabellen. Die Berechnung der Gebietswerte erfolgt über eine Aufteilungsmatrix, die mit dem Button Aufteilung aufgerufen und editiert werden kann. Der Niederschlag für jedes Gebiet (NG) lässt sich damit aus den n Stationswerten (NS) in der folgenden Form berechnen NG[i] = a i,1 NS[1] + a i,2 NS[2] a i,n NS[n]
14 Lokalmodell des DWD (LM-Daten) Der DWD berechnet mit dem sogenannten Lokal-Modell (LM) für ein Gitternetz mit einer Kantenlänge von ca. 7 km die Vorhersagewerte für den flüssigen und festen Niederschlag als Stundensummen bis 78 Stunden in die Zukunft. Die Prognosewerte werden in einer Datei (LM- Datei) abgespeichert und können den Kommunen oder Landkreisen für Hochwasserschutzzwecke kostenlos zur Verfügung gestellt werden. Für WinPRO werden die entsprechenden Rasterdaten des Einzugsgebietes aus der LM-Datei ausgelesen und direkt in das Eingabefenster der Prognoseniederschläge übergeben. Beispiel LM-Daten visualisieren Durch das Programm LM_Visualisieren.exe werden für ein festgelegtes Gebiet die Prognosedaten für den Niederschlag des DWD (LM-Datei) eingelesen und auf einer Karte visualisiert. Nach Start des Programms (und ggf. Auswahl einer LM-Datei) erscheint das folgende Fenster. Die zeitliche Entwicklung der Prognose läuft als Film ab. Auf der entsprechenden Hintergrundkarte werden die Stundensummen des Niederschlags farbig dargestellt. Die farbliche Differenzierung ist rechts dargestellt. Sie kann verändert werden und es können auch mehrere Differenzierungen abgespeichert und geladen werden (zum Beispiel ist bei Extremereignissen eine Differenzierung über den Wert von 10 mm/h hinaus möglich. LM-Demo
15 Speicherbewirtschaftung Zufluss = Zufluss - Trinkwasserabgabe Wenn ( mit Vorentlastung) Berechne Vorentlastungsmenge Sonst Vorentlastungsmenge = 0 Zielinhalt = Stauziel - Vorentlastungsmenge Zielabgabe = aktueller Inhalt + Zufluss - Zielinhalt Wenn (Zielabgabe<Mindestabgabe) Zielabgabe = Mindestabgabe Wenn (Zielabgabe>Maximalabgabe) Zielabgabe = Maximalabgabe ja Kann die Abgabe realisiert werden? (Berechnung von Grundablass und Überlauf) nein Abgabe = Zielabgabe = Grundablass + Überlauf Abgabe = Grundablass + Überlauf Speicherinhalt = aktueller Inhalt + Zufluss - Abgabe
16 160,00 Pegel Schönheide 3 / Zwickauer Mulde, HW ,00 120,00 beobachtet NA-Modell 100,00 80,00 60,00 40,00 20,00 0, Abfluss [m³/s]
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18 Vorentlastung eines Speichers Die Vorentlastungsmenge ist die Fläche zwischen dem Speicherzufluss (im Beispiel oben ist der natürliche Rückgang dargestellt) und den Abgabeanforderung an den Speicher bis zum Schnittpunkt dieser beiden Ganglinien. Steht eine Prognoseganglinie für die Zukunft zur Verfügung, so kann statt des natürlichen Rückgangs diese Prognoseganglinie zur Berechnung der möglichen Vorentlastungsmenge verwendet werden. Dabei ist jedoch die Unsicherheit der Prognose zu berücksichtigen.
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