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projekte:misc:simplerunoff

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Lahn river level at Marburg

Prozessbasierter Oberflächenabfluss

Die prozessbasierte hydrologische Modellierung von Oberflächenabflüssen auf Grundlage digitaler Geländemodelle (DGMs) ist eine häufig benötigte und verwendete Größe in der Hydrologie und der angewandeten Geographie.

Soll eine realitätsnahe Modellierung erreicht werden ist in der einfachsten Variante Niederschlags- und Pegelzeitreihe (jeweils als Messpunkte) notwendig. Der Abfluss über das Gelände erfolgt dann durch eine mehr oder weniger komplexe Integration der gravitativen Abflussprozesse. Die prinzipiellen Zusammenhänge der Reliefoberfläche die für eine hydrologische Nutzung notwendig sind können leicht aus dem Geländemodell abgeleitet werden. Jedoch wird es zusätzlich notwendig die Zeit zu berücksichtigen.

Fragestellung

Ziel dieser Problemstellung ist es eine reale Pegelganglinie des Pegels in Marburg auf der Grundlage der zugehörigen Niederschlagsdaten mithilfe eines zu definierenden Abflusssystems zu modellieren. Das simulationsfähige Modell soll den hydrologischen Abfluss-Prozess so einfach und realitätsnah wie notwendig abbilden. Realitätsnah soll heissen, dass Niederschlag und Abflussganglinie der Beobachtungen von der Simulation des Modells optimal repräsentiert werden.

Konzeptuelle Vorüberlegungen

Zeitlich integrierte Zellen-Bilanz als Abflussmechanismus

Was zu Betrachtung fehlt ist der eigentliche Massentransport von einer Zelle zur unterliegenden nächsten Zelle. Die einfachste Abstraktion des Prozessgeschehens ist im PCRaster Tutorial verlinkt. Hier wird je Zeitschritt der Input und Output einer Zelle bilanziert. Die nachfolgende Abbildung skiziert diese Betrachtungweise.

Transportmechanismus auf der Grundlage eines lokalen Abflußnetzwerks (LDD). Unten: Das LDD definiert die Transportrichtung. Oben: Fließdiagramm der Abläufe innerhalb jeder Zelle. Quelle: http://pcraster.geo.uu.nl/documentation/PCRaster/html/_images/opsysacc.png. Zugriff: 11.06.2012

In dieser Betrachtungsweise wird folglich die Nettobilanz je Zeitschritt berechnet. Sie ist abhängig von der zeitlich korrekt skalierten Verfügbarkeit von Inputdaten (Niederschlag). Steht dieser z.B. täglich zur Verfügung wird pro Tag der berechnete Anteil weitergeleitet. Dies geschieht im einfachsten Fall ungeachtet der Fließgeschwindigkeit. Diese kann jedoch beliebig komplex integriert werden.

Berechnung der Fließgeschwindigkeit mit Hilfe empirischer Formeln

Als Einstieg in die empirische Berechnung der Fließgeschwindigkeit ist der Wikipedia-Artikel Fließgeschwindigkeit von Gewässern gut geeignet. Die gebräuchlichste empirische Formel zur Bestimmung der Geschwindigkeit des Massentransports ist die nach Gauckler-Manning-Strickler. Vorteil dieser Betrachtungsweise ist die flexible Integration der Fließgeschwindigkeit mit Rücksicht auf das Gefälle und Rauigkeit. Dies ermöglicht hinsichtlich der zeitlichen Komponente eine wesentlich höhere Realitätsnähe.

Niederschlag

Die Thematik der räumlichen Niederschlagsbestimmung hat schon manches Forscherleben erfüllt. Für unsere Fragestellung ist es nicht wirklich relevant welche Art von Niederschlagsschätzung verwendet wird. Von einem identischen Wert je Zeitschritt für das gesamte Einzugsgebiet über die Anwendung einfacher Interpolationsverfahren für die Stationsdaten bis hin zur Nutzung von Flächenniederschlagsdaten können alle Niederschlagsdaten als Inputdaten Verwendung finden.

Beispiele für Niederschlagsdatensätze durch räumliche Interpolation aus üblichen Punktmessungen ohne weitere Annahmen sind z.b. Distanzbasierte Interpolationsverfahren oder unter Berücksichtigung weiter Proxydaten wie etwa geographische Position oder Relief (z.B. DWD REGNIE Ansatz, Der statistisch-topographische PRISM Ansatz). Alternativ bieten sich auch flächenhaften Niederschlagsschätzungen aus boden- oder flugplattformgebundene Fernerkundung zb.NOAA CPC Morphing Technique "CMORPH" an. Es gibt auch die Kombination aller verfügbaren Verfahren (z.B Reanalyse Daten, ERA 40 Reanalyse Daten).

Ausgangsdaten

  • Digitales Geländemodell vom Marburger Umland
  • Niederschlagsdaten (Meßpunkte) HLUG
  • Niederschlagsdaten (Satellitendaten) CMORPH 8km/30Min
  • Pegeldaten HLUG

Methodisches Vorgehen

Datenvorverarbeitung

  • Hydrologische Korrektur des Geländemodells
  • Bestimmung des LDD und Watersheds
  • Berechnung der Niederschlagsrate je Pixel und Zeitschritt in mm/Zeitschritt

Dynamische Berechnung des Abfluss

Betrachten wir zunächst die zeitlich integrierte Zellen-Bilanz als Abflussmechanismus.

Zellen-Bilanz

  Berechnung des aktuellen Wasserstands des Pixels (Rasterzelle):
  Wasserstand_t = Niederschlag_t + Zufluss_t - Abfluss_t + Wasserstand_t-1
  Berechnung des aktuellen Abfluss (=Zufluss für Unterlieger):
  Abfluss_t = Wasserstand_t * Abflussquote
  
  mit t = Zeitschritt

Der Pegelwert ist die dann der definierte Zellwert zum jeweilig aggregierten Zeitschritt.

Physikalischer Abfluss mit Hilfe empirischer Formeln

Hinweise

Zusätzlich zu den bekannten Softwarepaketen und Scriptsprachen kann an dieser Stelle die Software PCRaster empfohlen werden. PCRaster ist zwar ein “Dinosaurier” in der rasterbasierten GIS-Modellierung, wird aber weitergepflegt und hat mittlerweile auch eine Python-Schnittstelle.

Literaturhinweise

Für den Runoff Prozess gibt das wirklich empfehlenswerte Tutorial A simplified hydrological runoff model der PCRaster Gruppe. Leider ist dies nicht mehr verlinkt daher gibts hier den GISWerkWiki-Spiegel.

De Roo, Wesseling, Van Deursen 2000: Physically based river basin modelling within a GIS: the LISFLOOD model. http://www.geocomputation.org/1998/06/gc_06.htm

WILSON, J. P., G. AGGETT, D. Yongxin, and C. S. LAM. 2008. “Water in the Landscape: a Review of Contemporary Flow Routing Algorithms.” Advances in Digital Terrain Analysis: 213–236.

Knight, C. Gregory; Chang, Heejun; Staneva, Marieta P.; Kostov, Deyan (2001): A Simplified Basin Model For Simulating Runoff: The Struma River GIS. In: The Professional Geographer 53 (4), S. 533–545.

projekte/misc/simplerunoff.txt · Last modified: 2018/12/23 19:46 (external edit)