Hochwasserprognose Tiroler Inn Kalibrierung fester und flüssiger Komponenten der Wasserhaushaltsmodelle

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Marie Kohl
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Komponenten der Wasserhaushaltsmodelle Achleitner S., Schöber J., Bellinger J.

1 alps - Zentrum für Klimawandelanpassung Arbeitsbereich Wasserbau Universität Innsbruck Hochwasserprognose Tiroler Inn Kalibrierung fester und flüssiger Komponenten der Wasserhaushaltsmodelle Achleitner S., Schöber J., Bellinger J., Schneider K., Schöberl F., Kirnbauer R., Schönlaub H. Innsbrucker Hofburggespräche

2 Hochwasser 2005 Hochwasser 2005 Innsbruck: 1510 m3/s (HQ100= 1370 m3/s)

3 Hochwasser 2005 Innbrücke Innsbruck, , 12:12 Universität Innsbruck Blick von der Univ. Brücke , 16:48

4 Projektgebiet TYROL Innsbruck Tiroler Inn: 200 km zwischen Schweiz und Bayern ~ 60 % Tirol (6700 km2) entwässert in den Inn

5 Project Area TYROL Innsbruck Tiroler Inn: 200 km zwischen Schweiz und Bayern ~ 60 % Tirol (6700 km2) Entwässern in den Inn

6 Bauteile des Vorhersagemodells Zubringer Hydrologische Modelle Inn 1D Hydraulische Modell Zubringer Hydrologische Modelle

7 Bauteile des Vorhersagemodells Brandenberger Ache Fläche: 280 km² m.ü.a. Ötztaler Ache Fläche: 984 km² ~ m.ü.a. 13 % vergletschert

8 Bauteile des Vorhersagemodells HQsim: 6290 km2 nicht - vergletscherte Einzugsgebiete SES: 460 km2 vergletscherte Einzugsgebiete HQsim (49 EZG) SES (13 EZG)

9 Eingangsdaten Messungen (online) HQsim Niederschlag, Temperatur ~ 70 Stationen SES Globalstrahlung, Rel. Feuchte, Windgeschwindigkeit > 30 Stationen Meteo-Vorhersage INCA

10 Eingangsdaten

11 Software Vorhersagehorizont bis +48h Operational laufend seit 2007/2008 Hydrographischer Dienst Tirol TIWAG Tiroler Wasserkraft AG alps

Soil and Snow) HRU (Hydrologic responce units) Höhe, Neigung,

12 Hydrologische Modelle HQsim unvergletscherte Einzugsgebiete Kontinuierliche halbverteiltes Wasserhaushaltsmodell (Vegetation, Soil and Snow) HRU (Hydrologic responce units) Höhe, Neigung, Exposition Bodentyp Landnutzungs/Vegetations Typen Gerinnerouting HRU Flussabschnitte

13 Hydrologische Modelle SES vergletschere Einzugsgebiete Schnee- Eis- Schmelzmodelle (TU Wien) Räumlich verteiltes Energiebilanzmodell Raster basiert mit 50x50m Auflösung Räumlich verteilte Akkumulation von Schnee und Firn Schnee, Firn und Eisschmelze Topographische Parameter Höhenlage, Neigung, Krümmung Meteodaten N, LT, GS, W, RF Rechenzeit: SES >>>>> HQsim Vergletscherung zw. 10 und 55%

14 [m³/s]... Warum der erhöhte Aufwand? Warum nicht eine einfaches Modell? 400 Pegel Qobs Brunau - Ötztaler Qsim Brunau Ache/Innmündung Summe Q-ICE - August Qobs 2009 Ibk/Inn Tagesgänge der Schmelze auch im Unterlauf sichtbar Einfluss auf Gesamtabfluss ZAMG-Statistik: August 2009 am fünft wärmsten in 150-jähriger Messreihe Sonnenscheindauer in Tirol: 115 % % gegenüber Normalwert Quelle:

15 Abflusskalibrierung Wie wird kalibriert? Bewertung (mehrerer) einzelner Hochwasserereignisse Trennung nach Qmin=~HQ1, HQ5,... Kalibrierung Validierung

16 Abflusskalibrierung Wie wird kalibriert? Monte Carlo Simulation, EZG Brixentaler Ache X X X X X X X X X X Ereignisse Gründe: Modellbildung ist unzureichend Messdaten sind unzureichend (Regen, Temperatur und/oder Abfluss) Anzahl von Rechenläufen in der Monte Carlo Simulation war nicht ausreichend

17 Abflusskalibrierung Kalibrierung der Abflussganglinien und passt schon? Kalibrierung von schneehydrologischen Modellen nur nach dem Abfluss ist fahrlässig (frei übersetzt nach Kirnbauer et al. 1994)

18 Schneekalibrierung Sensitivität des simulierten Abflussscheitels (SES)? Hochwasserscheitel bei Bemessungsereignissen Systemzustände aus Modellauf ( ) (1) Schneedeckungsgrad SCQ [%] (2) Schneewasserwert SWEm 0% 5% 10% 20% 30% 40% Bemessungsregen T=5000 Variation Einwirkung (1) Dauerstufe D [h] SWE max 50% 70% 90% 60% 80% 95% SWE mean SWE min

19 Schneekalibrierung Sensitivität des simulierten Abflussscheitels (SES)? Hochwasserscheitel bei Bemessungsereignissen Systemzustände aus Modellauf ( ) (1) Schneedeckungsgrad SCQ [%] (2) Schneewasserwert SWEm Bemessungsregen T=5000 Variation Einwirkung (1) Dauerstufe D [h]

20 spezifischer Abfluss [mm] Schneekalibrierung Sensitivität des simulierten Abflussscheitels (SES)? Hochwasserscheitel bei Bemessungsereignissen 9 Gepatschalm 8 7 T5000; 0 min; 9h inc. T100; 0 min; 9h inc. T5000; 95 max; 9 inc Simulationsdauer [h]

21 Schneekalibrierung Kalibrierung der Schneebedeckung (SES) Abfluss Fernerkundung Landsatdaten: flächendeckend Schnee/ Auflösung 30m Lüsens (Sellrain):

22 Schneekalibrierung Kalibrierung der Schneebedeckung (SES) Pegel Gepatsch Gepatschferner Simulation (Schöber et al. 2010)

23 Schneekalibrierung Kalibrierung der Schneebedeckung (SES) Pegel Vent Vernagtferner (Schöber et al. 2010)

24 Schneekalibrierung Kalibrierung der Schneebedeckung (SES) Landsatdaten: flächendeckend Schnee/ Auflösung 30m 80 % der gemessenen Schneebedeckung am Ende eines 15-jährigen Modelllaufes richtig simuliert (Mittel aus 13 Gebieten) (Schöber et al. 2010) einheitlicher Parametersatz für Tirol

25 Schneekalibrierung Kalibrierung der Schneebedeckung (HQsim) Nutzung der bepegelten EZG zur gesamtheitlichen Kalibrierung Schneebedeckung aus MODIS Daten Dx 500m Dt täglich verfügbar Bellinger etal. (2012)

26 Schneekalibrierung Kalibrierung der Schneebedeckung (HQsim) Simulation MODIS Pixel - Verschnitt zwischen HRUs und MODIS-Raster - flächengewichtete Berechnung der Schneebedeckung im MODIS-Raster - 50% der HRU Anteile mit Schneebedeckung MODIS Pixel schneebedeckt Schneebedeckung aus MODIS Daten Dx 500m Dt täglich verfügbar Bellinger etal. (2012)

27 Schneekalibrierung Kalibrierung der Schneebedeckung (HQsim) - Kombinierte Kalibrierung Abfluss und Schneefläche - Methodisch: Monte Carlo Simulation (MCS) - Gleichverteilte Parameterräume (50,000 Simulationen) - Bewertung der Simulationsergebnisse - Schnee ACC accuracy - Abfluss NSE (Nash Suttcliffe Efficiency)

28 Schneefläche Abfluss Schneekalibrierung Kalibrierung der Schneebedeckung (HQsim) Bellinger etal. (2012)

29 Schneekalibrierung Kalibrierung der Schneebedeckung (HQsim) gauge simulation uncertainty bound represented by 5% and 95% percentiles Bellinger etal. (2012)

30 Schneekalibrierung Sensitivität des simulierten Abflussscheitels (SES)? Hochwasserscheitel bei Bemessungsereignissen Systemzustände aus Modellauf ( ) (1) Schneedeckungsgrad SCQ [%] (2) Schneewasserwert SWEm Sensitivität Abflussspitze = f(swem)

31 Schneekalibrierung Kalibrierung der Schneehöhe/Schneewasserwerts Schneehöhe Dichte, SWE snow course data (Schneeschacht) nur bedingt für Modellvergleich nutzbar Umrechnung in SWE? Schöber etal. (2013)

watershed scale regional scale Schneekalibrierung Kalibrierung der Schneehöhe/Schneewasserwerts Spatial Parameter Temporal Messungen Scale Type aus ganz # Tirol SD SWEund ρ Umland Scale Period Source

32 watershed scale regional scale Schneekalibrierung Kalibrierung der Schneehöhe/Schneewasserwerts Spatial Parameter Temporal Messungen Scale Type aus ganz # Tirol SD SWEund ρ Umland Scale Period Source Usage Tyrolean station data weekly snow pillow Kühtai 425 sampled: 15 min used: daily mean (winter season) (winter season) HDT, BMLFUW TIWAG Calibration snow pillow Kühtai 3362 sampled: 15 min used: daily mean (winter season) TIWAG Alptal 3503 bimonthly (winter season) SWISS Validation snow course data 762 monthly - yearly (January-May) TIWAG, BMLFUW, BADW, alps, IMGI, HSB snow course data (WB) (SD soundings) 1080 yearly (end April/begin May) BADW, alps, IMGI spat. and temp. characteristics Differenzierte Regressionsmodelle snow course data (WB) 1) 242 yearly = f (h) SWE = f(h) snow course data (WB) 1) 21 yearly (end April/begin May) (end April/begin May) TIWAG, BMLFUW, BADW IMGI, alps, HSB Calibration Validation 1) Subset of snow course data measured end of April/beginning of May Differenzierung nach Source: TIWAG Tyrolean Hydropower Company, Innsbruck, Austria BMLFUW...Hydrographic yearbooks of Austria, see BMLFUW ( ) - HD Region Tyrol...Hydrographic Service Tyrol, Innsbruck BADW Commission for Glaciology of the Bavarian Academy of Sciences and Humanities alp-s...centre for Climate Change Adaptation Technologies - Höhenlage IMGI...Institute of Meteorology and Geophysics in Innsbruck - Jahreszeit/Monat HSB...Hydrological Service Bozen, South Tyrol/Italy, (Glacier Report ; SWISS...Swiss Dataset as published by Sturm et al., (2010) and Jonas etal. (2009) Source: Schöber etal. (2013)

33 Wörgl (605m a.s.l.) Kelchsau (815m a.s.l.) Schneekalibrierung Kalibrierung der Schneehöhe/Schneewasserwerts Anwendung: Am Punkt Schneehöhenmessung Umrechnung in SWE HQsim Dummy HRU 1m² uncertainty bound represented by 5% and 95% percentiles Akkumulation: zufrieden Schmelze: eher nicht Ausaperung: Na ja je nach Messtelle Bellinger etal. (2012)

34 Schneekalibrierung Kalibrierung der Schneehöhe/Schneewasserwerts Anwendung: in der Fläche Airborne Laserscans - Hintereis Ferner (07. Mai 2009) SWE ALS SWE SES Elevation Schöber etal. (2012)

35 Schlussfolgerungen (1) (2) Kalibrierung von schneehydrologischen Modellen nur nach dem Abfluss ist fahrlässig (frei übersetzt nach Kirnbauer et al. 1994) Pegel Vent RofenacheVenterache Brunau, Ötztal Und HoPI ist manchmal auch RICHTIG SUPER :)... (Zitat: Schöber, )

36 This is the end. ENDE

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