Digitale Fließgewässernetze als Geobasiskomponente in der mathematischen Abflussmodellierung
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- Frauke Siegel
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1 Digitale Fließgewässernetze als Geobasiskomponente in der mathematischen Abflussmodellierung Norbert Busch, Dennis Meißner Referat Wasserhaushalt, Vorhersagen und Prognosen Bundesanstalt für Gewässerkunde, Koblenz BfG-Kolloquium Aktuelle Entwicklungen zur Nutzung von WSV-Bestandsdaten Koblenz, 21. / 22. Januar 2009 Seite 1
2 Gliederung Einsatz mathematischer Abflussmodelle bei der BfG Modellierungsrelevante Geobasis- / Geofachdaten Nutzung digitaler Gewässernetze im Pre- und Postprocessing der hydrodynamischen Abflussmodellierung Fachliche Anforderungen an Gewässernetze Zusammenfassung und Ausblick Seite 2
3 Einsatz mathematischer Abflussmodelle bei der BfG Modellierungsaufgaben Analyse der Wasserstands- und Abflussverhältnisse an Bundeswasserstraßen (gewässerkundlicher Ist-Zustand sowie Historie) Seite 3
4 Einsatz mathematischer Abflussmodelle bei der BfG Beispiel: Wasserspiegellagenberechnungen für den Rhein in NRW Seite 4
5 Einsatz mathematischer Abflussmodelle bei der BfG Beispiel: Umfang des Datenarchivs in FLYS (Stand: Frühjahr 2009) Gewässer Berechnungsstrecke Beginn (km) Ende (km) Berechnungsmodell Rhein Maxau (362,2) Grenze D - NL (865,4) K-Wert / SOBEK Neckar Plochingen (202,6) Mündung (0,0) SOBEK Main Trunstadt (378,5) Mündung (0,0) K-Wert / SOBEK Lahn Gießen (-3,2) Mündung (137,3) SOBEK Mosel Perl (242,2) Mündung (0,0) K-Wert Saar Güdingen (93,0) Mündung (0,0) K-Wert Elbe Schöna (2,1) Zollenspieker (598,3) WAVOS-1D Saale Halle (89,2) Mündung (0,0) SOBEK Havel Rathenow (103,9) Mündung (148,4) SOBEK Oder Eisenhüttenstadt (542,2) Widuchowa (704,1) SOBEK Weser Hann. Münden (0,0) Minden (204,0) K-Wert Werra Heldra (11,7) Hann. Münden (89,0) SOBEK Fulda Bad Hersfeld (-11,0) Hann. Münden (108,7) SOBEK Seite 5
6 Einsatz mathematischer Abflussmodelle bei der BfG Modellierungsaufgaben Analyse der Wasserstands- und Abflussverhältnisse an Bundeswasserstraßen (gewässerkundlicher Ist-Zustand sowie Historie) Operationelle Abfluss- und Wasserstandsvorhersage sowie Eisvorhersage Seite 6
7 Einsatz mathematischer Abflussmodelle bei der BfG Beispiel: Operationelle Wasserstandsvorhersagen mit WAVOS an BWStr Bundesanstalt für Gewässerkunde, Koblenz NW-/MW-Vorhersage Rhein und Donau Hochwassermeldezentrum Rhein, Mainz (WSV + RLP) HW-Vorhersage Rhein Hochwassermeldezentrum Saarland, Saarbrücken (SL) HW- + werktägliche Vorhersage Saar WAVOS Saar Hochwasser- Vorhersagezentrale Frankfurt / Oder (BB) HW- + werktägliche Vorhersage Grenzoder Vorhersagezentrale Elbe, Magdeburg (WSV + ST) NW-/MW- und HW- Vorhersage Elbe u. Saale Landeshochwasserzentrum, Dresden (SN) HW-Vorhersage Elbe Hochwasser- Vorhersagezentrale Main, Hof (BY) HW- + werktägliche Vorhersage Main Seite 7
8 Einsatz mathematischer Abflussmodelle bei der BfG Modellierungsaufgaben Analyse der Wasserstands- und Abflussverhältnisse an Bundeswasserstraßen (gewässerkundlicher Ist-Zustand sowie Historie) Operationelle Abfluss- und Wasserstandsvorhersage sowie Eisvorhersage großräumige Simulationsberechnungen an den Wasserstraßen, z. B. zum Zweck der Homogenisierung langer Abflusszeitreihen Seite 8
9 Einsatz mathematischer Abflussmodelle bei der BfG Beispiel: Homogenisierung von Hochwasserereignissen am Rhein Pegel Maxau (Rhein-km 362,3) Pegel Worms (Rhein-km 443,4) Seite 9
10 Einsatz mathematischer Abflussmodelle bei der BfG Modellierungsaufgaben Analyse der Wasserstands- und Abflussverhältnisse an Bundeswasserstraßen (gewässerkundlicher Ist-Zustand sowie Historie) Operationelle Abfluss- und Wasserstandsvorhersage sowie Eisvorhersage großräumige Simulationsberechnungen an den Wasserstraßen, z. B. zum Zweck der Homogenisierung langer Abflusszeitreihen großräumige Modellierung von Transportprozessen (Sedimente, Schadstoffe etc.) sowie Gewässergüteparametern (Temperatur, Sauerstoffgehalt etc.) einzugsgebietsbezogene Abflusssimulationen Prognose der Auswirkungen möglicher Klimaänderungen auf die Wasserstraßen Wasserbewirtschaftung Seite 10
11 Einsatz mathematischer Abflussmodelle bei der BfG Modellinstrumentarien Hydrodynamisch-numerische Modelle z. Z. noch überwiegend eindimensionale Modelle stationäre und instationäre Berechnungen Eigenentwicklungen (KWERT, QSim, WAVOS-1D) sowie kommerzielle Modellpakete (SOBEK) Niederschlag-Abfluss / Wasserhaushaltsmodelle distributive und semi-distributive Modellansätze kommerzielle Modellpakete (IHMS-HBV, LARSIM) mit z. T. spezifischen Erweiterungen / Anpassungen Bewirtschaftungsmodelle Verknüpfung sektoraler Modelle zu Modellketten für Vielzahl an Aufgabenstellungen (z. B. Vorhersage, Klimafolgenuntersuchungen) Seite 11
12 Modellierungsrelevante Geobasis- / Geofachdaten Geobasis-Daten Geofach-Daten (geometr.- hydraul.) Geofach-Daten (hydrologisch) Hydrodynamisch-numerische Modelle - digitale Kartenwerke (DGK 5, TK 25, DBWK 2) - digitale Höhendaten / Geländemodelle im Vorlandbereich - Bruchkanteninformationen - Querprofil- / WSV-Festpunkte - Querprofile, Fächerecholotdaten im Gewässerbereich - Optimalfall: DGM-W - Hydraulisch relevanter Bauwerke (Buhnen,Deiche,Mauern, ) - digitale Gewässerachse, Gewässerstationierung - Daten zur Landnutzung (CORINE, ATKIS) - Begrenzungslinien der unterschiedlichen Abflussbereiche - Modell-Layout, Modellbegrenzungen - Angaben zu Hochwasserschutzmaßnahmen - Daten zu wasserbaulichen Anlagen - Daten zu relevanten Nebengewässern - Entwicklung, Abgrenzung des A Eo - Pegelstammdaten / Abflusstafeln - Wasserspiegelfixierungen - Abfluss- und Wasserstandsganglinien an Pegeln - Überschwemmungsgrenzen - ggf. Daten zur Grundwasserinteraktion Querprofildaten für ein HN-Modell Wasserhaushalts-/Bewirtschaftungsmodelle: - einzugsgebietsweite Datenerfordernis - zusätzlicher Datenbedarf (Geologie, Nutzungen,..) - verminderter Datenbedarf (Bruchkanten, W-Fix.,..) - divergierender Genauigkeitsanspruch Seite 12
13 Nutzung digitaler Gewässernetze Preprocessing (Modellaufbau, Modellkalibrierung) Ermittlung der physikalischen Fließlänge(n) Verortung von Geobasis- und Geofachdaten im 1D-Modellnetz (Beziehung zwischen Objekten im / am Gewässer und dem Gewässerlauf) Achsorientierte Interpolation von gemessenen Querprofilen (zwecks Erstellung eines Geländemodells des Gewässerlaufs) Positionierung / Ausrichtung der Querprofilspuren, Ableitung von Querprofilen digitale Geodaten / GIS Modell-Layout Erstellung einer (2D/3D-Daten) Umrechungsvorschrift zwischen interner Modellstationierung (1D-Struktur) und der offiziellen Gewässerkilometrierung o Zuordnung der Messpunkte von Wasserspiegelfixierungen zu Modellberechnungsknoten o Referenzierung von Modellergebnissen auf die offizielle WSV-Kilometrierung und ggf. auf Stationierung beteiligter Bundesländer stationiertes Gewässernetz Seite 13
14 Nutzung digitaler Gewässernetze Beispiel: Lahn Erfordernis der Neukonstruktion (2004), um ein math. Abflusssmodell der Lahn zu erstellen o digitale Festlegung (gem. VV-WSV) o Kalibrierung auf Basis der Hektometer o Besonderheiten an der Lahn o Vielzahl an Stationierungsvarianten erforderlich (WSV, ATKIS, Modell) amtliche Stationierung der Lahnachse [Lahn-km] Sobek I- Stationierung der Lahnachse [Modell-km] Sobek II- Stationierung der Lahnachse [Modell-km] Sobek III- Stationierung der Lahnachse [Modell-km] ATKIS- Stationierung der Lahnachse [ATKIS-km] Mündung Lahn 137, ,300 0, ,833 0,000 Dutenhofener See 0,000-1, ,991 2, ,237 Pegel Gießen-Klärwerk -3,210-4, ,833 0, ,073 Badenburger Wehr -11,075-12, ,724-7, ,971 Gesamtlänge 148, , , , ,971 Seite 14
15 Nutzung digitaler Gewässernetze Postprocessing (Ergebnisausgabe, Ergebnisweiterverarbeitung) raumbezogene Präsentation von Modellergebnissen Ermittlung flächiger Wasserstandsinformationen aus 1D-Modellergebnissen Beispiel: Identifizierung der Gewässerlage innerhalb der Querprofilspuren zur Unterscheidung des aktuellen vom potentiellenüsg Seite 15
16 Fachliche Anforderungen konsistente, digitale Netze inkl. Stationierung zur Prozessierung im GIS erforderliche Eigenschaften: Repräsentation des Gewässerverlaufs (hydraulische Fließwege) sinnvolle hierarchische Gliederung (insbesondere im Fall komplexer Netze) sinnvolle Untergliederung zur Verknüpfung mit diversen Attributdaten (z. B. bei Verzweigungen) Stationierung weiter nutzbar im GIS; Berücksichtigung von Fehlkilometrierungen häufige Probleme in der Vergangenheit: Unterbrechungen im Gewässernetz keine (hierarchische) Gliederung keine eindeutige Repräsentation der Fließrichtung Ausrichtung ausschließlich auf einer Gewässernutzung (z. B. Schifffahrt) fehlender räumlicher Bezug (geografisches Bezugssystem) Seite 16
17 Zusammenfassung / Ausblick Digitale Gewässernetze stellen eine essentielle Grundlage zur Erstellung mathematischer Abflussmodelle dar: Allgemeine Orientierung entlang des Gewässers Lokalisierung von Objekten im und am Gewässer (Bauwerke, Deiche, ) Ermittlung des Fließweges / der Fließlänge (1D-Betrachtung) Herstellung einer eindeutigen Zuordnung zwischen Modellstationierung und offiziellen Gewässerkilometrierung(en) GIS-gestützte Präsentation von Modellergebnissen Qualitativ schlechte Basisdaten führen unweigerlich zu ungenauen Modellen / Modellaussagen fehlende Basisdaten erhöhen den zeitlichen und finanziellen Aufwand bei der Modellerstellung mitunter erheblich Basisdaten sollten einer möglichst großen Zahl an Nutzeransprüchen genügen, um Mehraufwand und Datenredundanz zu minimieren ABER: Basisdaten verhalten sich hydraulisch / hydrologisch neutral und eine gute Datenbasis allein ist noch keine Garantie für ein gutes mathematisches Modell! Seite 17
18 Vielen Dank für f r Ihre Aufmerksamkeit Norbert Busch, Dennis Meißner Referat Wasserhaushalt, Vorhersagen und Prognosen Bundesanstalt für Gewässerkunde Am Mainzer Tor Koblenz Tel.: 0261/ , busch@bafg.de, meissner@bafg.de Seite 18
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