Hydrologische Analysen unter Berücksichtigung von Senken und ihrer zeitlichen Einflussdauer

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Gerd Bretz
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1 AccumPlus 1.0 für f ArcView Hydrologische Analysen unter Berücksichtigung von Senken und ihrer zeitlichen Einflussdauer Holger Schäuble - Geographische Informationssysteme Dienstleistungen - Institut für Angewandte Geowissenschaften, TU Darmstadt Vortrag zur AGIT 2007 Salzburg, Dr. Holger Schäuble, (2007) - Geographische Informationssysteme und Dienstleistungen

2 Übersicht: Hydrologische Analysen mit AccumPlus 1. Problem: Senken und Zeit bei hydrologischen Analysen - Allgemeine Grundlagen hydrologischer Analysen mit GIS - Warum Senken und der Faktor Zeit berücksichtigt werden müssen 2. Methodik: Neuer D8t-Algorithmus für f r erweiterte hydrologische Analysen - Grundprinzipien des D8t-Algorithmus - Berücksichtigung von Senken und dem Faktor Zeit - Schematische Funktionsweise anhand Fliessdiagrammen 3. Software: AccumPlus 1.0 für f ArcView - Programmoberfläche, Bedienung und Optionen - Berechnungsbeispiele: Keine Senken, dauerhafte Senken, temporäre Senken 4. Anwendungen: Konkrete Anwendungsbeispiele - Beispiel 1: Reale Flow Akkumulation am Beispiel des Mississippi - Beispiel 2: Korrektur von Messdaten am Beispiel der USA Dr. Holger Schäuble, (2007) - Geographische Informationssysteme und Dienstleistungen

3 Grundprinzipien hydrologischer Analysen Modellierung des Abflusses oder des Materialtransports Problem 1-1 Grundprinzipien der Abflussmodellierung mit GIS Erweiterte Abflussmodellierungen mit GIS Flow Accumulation ohne Versickerung/Hindernisse DEM 100% Single-Flow 23% 49% 28% Multiple-Flow DEM Single-Flow (D8) Multiple-Flow (MD) 1.0 Flow Accumulation mit Versickerung/Hindernisse Trap-efficiency TE = 90% (Rückhaltekapazität) TE = f(rückhalt, Zeitdauer des Rückhalts) Dr. Holger Schäuble, (2007) - Geographische Informationssysteme und Dienstleistungen

4 Bedeutung von Senken und Zeit Bedeutung von Senken und der Zeit bei hydrologischen Analysen am Beispiel von Staudämmen in überregionalen Einzugsgebieten Problem 1-2 U.S. Army Corps of Engineers 3 Staudämme, Sedimentfracht und Zeit 1 Bedeutung von Staudämmen am Beispiel der USA Dammdichte pro km 2 (USA und Global) Number of dams 6,000 5,000 Commissioning of of large dams by decade in the 20th century 2 Weltweite Indienst- stellung grosser Staudämme im 20. Jhd. 4,000 3,000 2,000 1,000 0 before s 1910s 1920s 1930s 1940s Time 1950s 1960s 1970s 1980s after 1990 Meade & Parker Dr. Holger Schäuble, (2007) - Geographische Informationssysteme und Dienstleistungen

5 D8t: Berücksichtigung von Senken/Zeit Logik des neuen Algorithmus D8t: Berücksichtigung von Senken und ihrer zeitlichen Abfolge bei hydrologischen Simulationen Methodik Fall 1: Kein Einfluss % Fall 2: Dauerhafter Einfluss % (= 45%) Fall 3: Temporärer Einfluss Messperiode Kein Damm, TE = 0% Damm, gebaut 1965 TE = 90% TE av = 90% Messperiode Damm, gebaut 1975 TE = 90% TE av = 45% Messperiode TE = f(volumen, Wasserzufluss) TE av = TE * Zeit Damm / Zeit Gesamt Schäuble et al. (Computers & Geosciences, in press): A GIS-based method to calculate flow accumulation by considering dams and their specific operation time. Dr. Holger Schäuble, (2007) - Geographische Informationssysteme und Dienstleistungen

6 D8t: Berechnungsschema in GIS Funktionsweise des neuen Algorithmus D8t in einer GIS-Umgebung Methodik Rekursion: Erster Schritt B Station A Start End Station 1: Zeitraum Station 2: Zeitraum Rekursion: Zweiter Schritt accum * (100-TE av )/100 B A B Damm A und B mit TE = 90% A B Damm A mit TE ( ) av Damm B mit TE ( ) av A TE TE av 1 2 Dr. Holger Schäuble, (2007) - Geographische Informationssysteme und Dienstleistungen

7 Umsetzung mit GIS Software AccumPlus AccumPlus 3-1 Implementation des D8t-Algorithmus zur Berücksichtigung von Senken und der Zeit ArcView 3.x Software AccumPlus: accumplus.avx: ArcView 3.x Erweiterung, Kommunikation mit accumplus.dll accumplus.dll: Separates Programm in C/C++, Implemtation des D8t-Algorithmus Dr. Holger Schäuble, (2007) - Geographische Informationssysteme und Dienstleistungen

8 Software AccumPlus - Analyseoptionen Neuer D8t-Algorithmus zur Berücksichtigung des zeitlichen Wandels AccumPlus FlowDir Weight Start End Trap-Eff Year cells contain flow direction values (numbers between 1 and 128) cells contain values of discharge or mobilized sediment cells contain time values, e.g cells contain time values, e.g cells contain values of the dams trapefficiencies, e.g. 90% cells contain time values (years where dams have been put into operation) Dr. Holger Schäuble, (2007) - Geographische Informationssysteme und Dienstleistungen

9 Software AccumPlus - Analysebeispiele Berechnete Raster: Akkumulation ohne Senken am Beispiel der Sedimentfracht AccumPlus 3-3 D8 oder D8t Algorithmus: Kein Staudämme A Sedimentfracht in t/km 2/ a < > 2000 A 3760 Sedimentfracht am Ausgang des Basins Damm mit einer TE = 90% Kein Damm, TE = 0% Dr. Holger Schäuble, (2007) - Geographische Informationssysteme und Dienstleistungen

10 Software AccumPlus - Analysebeispiele Berechnete Raster: Akkumulation mit Senken ohne Berücksichtigung der Zeit AccumPlus 3-4 D8t Algorithmus: Dauerhafte Staudämme C B A Sedimentfracht in t/km 2/ a B < > 2000 Sedim entfracht am Ausgang des Basins Damm mit einer TE = 90% Messdauer % 1960 TE av = 90% 10% 1950 TE av = 90% Dr. Holger Schäuble, (2007) - Geographische Informationssysteme und Dienstleistungen

11 Software AccumPlus - Analysebeispiele Berechnete Raster: Akkumulation mit Senken und Berücksichtigung der Zeit AccumPlus 3-5 D8t Algorithmus: Temporäre Staudämme C B A Sedimentfracht in t/km 2/ a C < > 2000 Sedim entfracht am Ausgang des Basins Damm mit einer TE = 90% Messdauer % 1960 TE av = 45% 32,5% 1950 TE av = 67,5% Dr. Holger Schäuble, (2007) - Geographische Informationssysteme und Dienstleistungen

12 Beispiel 1: Reale Flow Akkumulation Reale Flow Akkumulation und Trap-Efficiency des Einzugsgebiets Anwendungen 4-1 Flow Accumulation an der Mündung M des Mississippis in aufeinanderfolgenden Zeitperioden von 20 Jahren Fliessalgorithmus: D8 D8t D8t D8t Fertigstellung before Start der Messperiode: Flow Accumulation in 10 6 km 2 : 3.20 Mittlere Trap-Efficiency des Einzugsgebiets TE bas : D8t D8t % 17% 48% 73% 78% Dr. Holger Schäuble, (2007) - Geographische Informationssysteme und Dienstleistungen

13 Beispiel 2: Korrektur von Messdaten Berechnung quasi-nat natürlicher Sedimentfrachten von Einzugsgebieten Anwendungen 4-2 t/a SSL: Sedimentfracht in t/a SSY orig : Sedimentfracht in t/km 2 /a (= Messwert in Datenbanken) SSY korr : Korrigierte Sedimentfracht in t/km 2 /a Area topo : Einzugsgebiet in km 2 Area sed : Relevantes Einzugsgebiet in km 2 (= Herkunftsgebiet) Area topo Area sed t/a SSY orig = SSL / Area topo SSY korr = SSY orig * (Area( topo / Area sed sed ) 94 t/km 2 /a 323 t/km 2 /a SSY orig SSY korr Sediment Yield in t/km 2 /a < > 5000 Dr. Holger Schäuble, (2007) Institut für Angewandte Geowissenschaften

14 Ende Ende E Take-away Punkte - AccumPlus eröffnet neue Möglichkeiten zur hydrologischen Analyse von Einzugsgebieten - AccumPlus ist kostenfrei erhältlich unter (ab August 2007) Vielen Dank für Ihr Interesse Dr. Holger Schäuble, Diplom-Geograph - Geographische Informationssysteme und Dienstleistungen schaeuble@terracs.com Web: Adresse: Beim Herbstenhof Tübingen Phone: Dr. Holger Schäuble, (2007) - Geographische Informationssysteme und Dienstleistungen

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