Modul Hydrologie und Wasserwirtschaftliche Planung Mag. KTWW (431) und Mag. WU (432) Gebundenes Wahlfach 2 SWS (3 ECTS) Sommersemester 2008

Transkript

1 Seminar Oberflächenhydrologie LV-Nr.: Modul Hydrologie und Wasserwirtschaftliche Planung Mag. KTWW (431) und Mag. WU (432) Gebundenes Wahlfach 2 SWS (3 ECTS) Sommersemester Übungseinheit Lehrveranstaltungsleiter: Hubert Holzmann hubert.holzmann@boku.ac.at Lehrziel Ziel dieser Lehrveranstaltung ist die Vertiefung der Kenntnisse der Abflußhydrologie und deren Teilprozesse wie Gebietsniederschlags- und Effektivniederschlagsermittlung, Abflußbildung und Flood Routing. Zusätzlich wird die Anwendung eines Computer-Simulationsmodells anhand konkreter, hydrologischer Daten erlernt. Nach Absolvierung des Seminars sollen die Studenten befähigt sein, Abflußberechnungen mit NA-Modellen durchzuführen, die dafür notwendigen Daten festzulegen und Methoden der Modellkalibrierung und Validierung anzuwenden. Einen weiteren Schwerpunkt bildet die studentische Präsentation von Inhalten und Ergebnissen der Aufgabenstellung. 1

2 Lehrinhalt Der Inhalt der Lehrveranstaltung teilt sich in einen Theorieblock und einen (Modell)Anwendungsblock. Es werden den Studierenden Methoden und die theoretischen Inhalte der Niederschlags-Abfluss-Modellierung nähergebracht. Diese beinhalten - Gebiets- und Effektivniederschlagsermittlung (Ablussbeiwert), - Niederschlags-Abfluss-Transformation (Einheitsganglinienverfahren, Zeitflächendiagramm bzw. Clark Verfaren) und - Flood Routing Verfahren (Muskingum, Muskingum-Cunge). Im praktischen Teil erfolgt die Anwendung eines Softwareprodukts unter Zugrundelegung realer hydrologischer Gebietskennwerte. Die Modellanwendung erfolgt unter dem Gesichtspunkt der Modellkalibrierung und Validierung anhand beobachteter Abflusszeitreihen. Zeitplan (1) Montag, Vorbesprechung / Organisation, Modellkomponenten des Programms HEC-HMS, Gebietsniederschlagsermittlung, Effektivniederschlagsermittlung (2) Montag, Installation des Computerprogramms, Einheitsganglinienverfahren, Einführung in das Computerprogramm (3) Montag, Studentenreferat. Clark-Verfahren, Wellenablauf und erweiterte Modellierung, Arbeiten mit dem Computermodell - Erweiterte Anwendungsbeispiele. Optional Di, von 9:00h - 12:00h (Seminarraum IWHW) und Di., 6.5. von 9:00h - 12:00h (Seminarraum IHLW) (4) Montag, Studentenreferate, Kalibrierung und Modelloptimierung, (5) Montag, Studentenreferate, Präsentation und Diskussion der Simulationsergebnisse Montag (11.00) Schriftlicher Test 2

3 Teilnehmer (Anmeldungen) SS 2006 Studenten/innen - Referate Niederschlag / Hydrometrie: (1) Messgeräte zur Erfassung meteorologischer und hydrologischer Größen (2) Verfahren der Gebietsniederschlagsermittlung (Kriging, Inverse Distanz-Methode, u.a.) Effektivniederschlagsermittlung (3) Das SCS-Verfahren zur Effektivniederschlagsermittlung N-A Modellierung (4) Hydrologische Konzeptmodelle inkl. Schneeschmelzmodelle (5) Das Clark-Verfahren (Niederschlags-Abfluss Modell) Wellenablaufmodell (6) Puls Verfahren (7) Hydraulische (hydrodynamische) Abflussmodellierung Modelloptimierung (8) Modellkalibrierung und Gütekriterien bei der Abflussoptimierung Andere Themen z.b. (9) Experimentelle Einzugsgebiete (10) Ableitbare Gebietsgrößen aus geomorphologischen Daten. (11) Extreme Hochwasserereignisse und Auswirkungen (12) Niederschlags-Abflußmodelle zur Hochwasservorhersage (12) Eigene Vorschläge 3

4 Studenten/innen Referate Organisation Dauer: Präsentation: Handouts: ca. 10 Minuten Power Point Schriftliche Unterlagen (2-5 Seiten) für jede Gruppe und für LV-Leiter. Inkl. Quellen- und Referenzliste. Arbeiten für die Projektmappe Jede Gruppe hat eine Projektmappe mit folgenden Inhalten abzugeben: Dokumentation der Studentenreferate (Handouts) Liste der verwendeten Basisdaten (Abflüsse, Niederschläge) Analyseergebnisse (Parametersets der Kalibrierung) Endergebnis des Validierungsereignisses HEC-Ergebnisfile (Ev. auch Graphikfile) Analyse einzelner Ereignisse Niederschlagseingabe Verwendung der vorgegebenen Methoden Anpassung der Berechnungsergebnisse an beobachtete Abflusswerte Tabelle mit ereignisbezogenen Parametern (Kalibrierung) Festlegung eines mittleren Parametersatzes Validierung dieses Parametersatzes an einem (unabhängigen) Ereignis (Validierung) 4

5 Gesamtbeurteilung Die Gesamtbeurteilung (Endnote) setzt sich aus folgenden Teilbeurteilungen zusammen: (a) (b) (c) Qualität der Projektmappe - (Gruppe) Präsentation (Referat oder Ergebnispräsentation) (individuell) Schriftlicher Abschlußtest (individuell) Für eine positive Gesamtbeurteilung sind auch sämtliche o.g. Beiträge positiv zu absolvieren! Oberflächenhydrologie Hydrologie (gemäß ÖNORM B2400) ist die Wissenschaft vom Wasser, seinen Erscheinungsformen, seinen Eigenschaften und seinem Verhalten auf und unter der Erdoberfläche. Die Ingenieurhydrologie als eine Subdisziplin der allgemeinen Hydrologie soll die Grundlagen für wasserwirtschaftliche und wasserbauliche Planungen schaffen, indem sie das mengenmäßige Auftreten des Wassers (z.b. aus Regen) sowie den zeitlichen Ablauf untersucht. Das Ergebnis hydrologischer Untersuchungen (z.b. Bemessungsabfluss) wird als Belastungsgröße für die Dimensionierung wasserbaulicher Anlagen, bei der Vorhersage von Hochwasserereignissen, oder allgemein bei der Bewirtschaftung von Wasserresourcen verwendet. Die Oberflächenhydrologie ist der Zweig der Hydrologie, der die an der Erdoberfläche auftretenden hydrologischen Erscheinungen und Prozesse untersucht, wobei der Schwerpunkt auf dem oberirdischen Abfluß liegt. 5

6 Anwendungen von Niederschlags-Abfluss Modellen Hochwasserschutz (z.b. Dimensionierung von Rückhaltebecken oder Schutzdämmen) Eingangsgröße für hydrodynamische Berechnungen Hochwasservorhersage Regenwasserableitung aus Siedlungsgebieten Regenwasserrückhaltung und -behandlung in der Stadtentwässerung Wasserwirtschaft (Mengen- und Güteprobleme) Abflussvorhersage (Wasserkraftanlagen,Binnenschiffahrt ) Be- und Entwässerung im landwirtschaftlichen Wasserbau Problemstellungen der N-A Modellierung Festlegung eines Bemessungsabflusses (z.b. HQ30, HQ100) bei fehlenden, langen Beobachtungsreihen für Hochwasserschutzmaßnahmen oder Rohrleitungsbemessungen. Festlegung des wahrscheinlich maximalsten Ereignisses (Probable maximum flood (PMF)). Hochwasservorhersage in Verbindung mit Katastrophenplänen (Schutzmassnahmen, Information, Vorwarnstufen) Abschätzung von Überflutungsflächen (Gefahrenzonenplanung) Abschätzung von Klimaänderungsszenarien Abflussprognose für Energieerzeugung oder Schifffahrt 6

7 Hydrologic Cycle Elemente des Wasserkreislaufs Niederschlag Versickerung Grundwasserneubildung Verdunstung Oberflächenabflussbildung Abflüsse aus den natürlichen Wasserspeichern (Boden, Grundwasser) Für die Untergrund-Komponente der Hydrologie ergeben sich weitere Verbindungen mit der Bodenkunde und der Hydrogeologie, die auch die Wechselwirkungen des Wassers mit Boden- und Gesteinsmaterial beinhalten. 7

8 Niederschlags-Abfluss Transformation Niederschlag 1 mm Fläche 1 km 2 1 mm = 1 L/m 2 = 10 6 L/ km 2 = m 3 / km 2 Hydrologisches Konzept von HEC-HMS Teilprozesse der NA-Modellierung: (Gebiets)-Niederschlag Gebietsrückhalt (Verlust) Abflussbildung (Gebiets Routing) Wellenablauf (Gerinne Routing) 8

9 Niederschlag Aus historischen Niederschlagsbeobachtungen Ombrometer (aufzeichnende Geräte) Totalisatoren (nichtaufzeichnende Geräte) Aus Bemessungsniederschlägen z.b. statistische Auswertungen (z.b. Schimpf) PMP (Maximal mögliche Niederschlag) 9

10 Niederschlagsverteilung Flächenhafte Verteilung Stationsgewichte (z.b Thiessen) Inverse Distanz Zeitliche Verteilung Niederschlagsganglinie (Ombrometer) Niederschlagshöhe (Summenwerte) Niederschlagsakkumulation (Incremental) Verteilung und Summe Coupling Spatial and Temporal Data Niederschlag [mm] [mm] Station Radar 17,5 22,5 mm 1 hour Nexrad Rainfall on the Guadalupe Basin October 13, ,5 17,5 mm 7,5 12,5 mm 2,5 7,5 mm 0 mm Source: Arc Hydro: GIS for Water Resources (modified) David R. Maidment University of Texas at Austin 10

11 Gebietsrückhalt (Verlustrate) Arten des Gebietsrückhaltes: - Interzeptionsspeicher - Muldenspeicher - Oberflächenspeicher - Evaporation - Infiltration - Zwischenabfluss - Basisabfluss Verlustrate (Loss, Abstraction) Verfahren im HEC-HMS Modell: - Anfangsverlust (Initial Loss) - Anfangsverlust + Konstante Verlustrate - SCS-CN Verfahren (Soil Conservation Service) - Green and Ampt Infiltration - Deficit Constant - Versiegelungsflächen 11

12 Abflussbildung (Gebiets Routing) Einheitsganglinienverfahren (Unit Hydrograph UH) - Benutzerdefinierter UH -Clark UH - Snyder UH -SCS UH Flächenverteilte Verfahren - Kinematische Welle - ModClark (Grid-basiert) Wellenablauf (Gerinne Routing) Semi-hydraulische Verfahren - Kinematische Welle - Muskingum-Cunge Verfahren Hydrologische Verfahren - Muskingum Verfahren - Speicherverfahren (Modifizierte Puls Verfahren) - Verzögerung (Lag) Verzweigung und Zuflüsse 12

13 Modellkalibrierung (Parameteroptimierung) Optimierungsparameter - Verlustratenparameter - UH-Parameter - Routingparameter Optimierung setzt Beobachtungswerte (Abflusswerte) voraus! Zielfunktion (Objective Function) - Summe der Abweichungsquadrate - Summe des Absolutfehlers - Scheitelfehler (in %) Flächenaggregierte Modellierung (Lumped Model) 13

14 Flächenuntergliederung (Teilgebiets- / Flussgebietsmodell) Organisatorisches Home Page des US Army Corps of Engineers : Von hier kann die HEC-HMS Software sowie das Benutzerhandbuch heruntergeladen werden. Datenserver zur Lehrveranstaltung: Hier sind die Informationen zur Lehrveranstaltung (Zeitreihendaten von Niederschlags- und Abflussereignissen, die Handout-Folien und Studentenreferate) zu finden. Anfragen an den Lehrveranstaltungsleiter: hubert.holzmann@boku.ac.at Sprechstunden: DI u. DO 10:00 12:00h 14

15 Wednesday 18/6/2008 DRAFT TIMETABLE 2008 OF WORKSHOP ON DISASTER PREVENTION AND REDUCTION WITH EMPHASIS ON FLOODS AND DROUGHTS Thursday 19/6/2008 Forestry Faculty Lect.roo m LII. Friday 20/6/2008 Saturday 21/6/2008 Sunday 22/6/2008 Monday 23/6/ ,45 9-9, , , ,45 12,45-14, , , ,45 Forestry Faculty Sitting room Forestry Faculty Lect.roo m LII. DP in local, regional and international framework (Nemec,CHMI, CEUDIP) systems and their case use (Zezulak,Krejci,Danhelka Soil Physics and Floods/ Droughts (Matula) Registration of participants 10,00 to 17,00 Dept.of Water Resources Drought forecasts (Van Lanen) systems and their case use (Zezulak,Krejci,Danhelka) Drought forecasts (Van Lanen) systems and their case use (Zezulak,Krejci, Danhelka) Drought Forecasts (Van Lanen) systems and their case use (Zezulak,Krejci, Danhelka) Lunch Lunch Lunch Opening Session and Informal Dinner 17,00 to 19,00 at CULS s Mensa for small basins - Impact of Land Use (Kovar) systems and their case use (Salek) Sightseeing tour to University Forestry Enterprise at Kostelec n. C. l. and Kutna Hora Basics of Hazard, Vulnerability and Risk Assessment (Jeggle,ISDR) Free day (Sightseeing tour to Prague on request) Basics of Hazard, Vulnerability and Risk Assessment (Jeggle) Basics of Hazard, Vulnerability and Risk Assessment (Jeggle) Lunch Introduction to Early Warning (Bonn Platform, Dannenmann) Climate Change Scenarios (Kos) systems and their case use (Zezulak,Krejci, Danhelka) Introduction to Early Warning (Bonn Platform, Dannenmann) Use of GIS (Dostal, Haloun ova) 16-17,45 Tuesday 24/6/2008 Forestry Faculty Lect.roo m LII. Nation Wide Flood System, Ex. Nation Wide Flood System, Ex. for small basins (Holzmann) for small basins (Holzmann) Lunch Public Public Dimensions of Dimensions of Hydrology Hydrology and and Disaster Disaster 15

16 Tuesday 24/6/2008 Forestry Faculty Lect.roo m LII. Nation Wide Flood System, Ex. Austria (Nachtnebel) Nation Wide Flood System, Ex. Austria (Nachtnebel) for small basins (Holzmann) for small basins (Holzmann) Lunch Wednesday 25/6/2008 FIELD TRIP TO JIZERSKE HORY (Examples of historical and recent disasters) Public Public Dimensions of Dimensions of Hydrology Hydrology and and Disaster Disaster Reduction Reduction (Jeggle) (Jeggle) Thursday 26/6/2008 Friday 27/6/2008 Forestry Faculty Lect.roo m LII. VLTAVA RIVER BOARD- FLOOD PROTECTION SYSTEM (Practical visit) Role of Civil Society in Disaster and Risk Management (presented by participants) Evaluation of Workshop Lunch Closing Ceremony and lunch Individual preparation for student presentations (Role of Civil Society in Disaster and Risk Management) Individual consultations Saturday 28/6/2008 Departure of participants 16