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SeminarOberflächenhydrologieLV-Nr.: 816.305

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

Sommersemester 2008

2. Übungseinheit

Lehrveranstaltungsleiter:Hubert Holzmann

Email: hubert.holzmann@boku.ac.at

Inhalt 2. Übungseinheit

(1) StudentenreferateMessgeräte für meteorologische / hydrologische Grössen (Hösl)Gebietsniederschlagsermittlung / Interpolationsverfahren (Pfaffenwimmer)

(2) Effektivniederschlagsermittlung

(3) Einheitsganglinienverfahren (inkl. Varianten)

(4) Einführung in das Computerprogramm

(5) Organisatorisches

2

Hydrologisches Konzept von HEC-HMS

Teilprozesse der NA-Modellierung:Niederschlag

Gebietsrückhalt (Verlust)

Abflussbildung (Gebiets Routing)

Wellenablauf (Gerinne Routing)

Quelle: http://141.84.50.121/iggf/Multimedia/Hydrologie/Nebenseiten/HG3-7.htm

Niederschlagsmessgeräte

3

Quelle: http://radar-info.fzk.de/wolken_radar_met/indices/parsivel.htm

Niederschlagsmessgeräte

Quelle: http://radar-info.fzk.de/wolken_radar_met/indices/waldvogel.htm

Niederschlagsmessgeräte

4

Quelle: http://www.wetteronline.de/radar.htm

Regenradar

Gebietsniederschlagsermittlung

5

Quelle: http://www.uni-giessen.de/ilr/frede/lehrveranstaltungen/MKU_03/MKU_03-Data-Gebietsniederschlag.pdf

Gebietsniederschlagsermittlung

Quelle: http://www.uni-giessen.de/ilr/frede/lehrveranstaltungen/MKU_03/MKU_03-Data-Gebietsniederschlag.pdf

Gebietsniederschlagsermittlung

65

6

Quelle: http://www.uni-giessen.de/ilr/frede/lehrveranstaltungen/MKU_03/MKU_03-Data-Gebietsniederschlag.pdf

Gebietsniederschlagsermittlung

Quelle: http://www.uni-giessen.de/ilr/frede/lehrveranstaltungen/MKU_03/MKU_03-Data-Gebietsniederschlag.pdf

Gebietsniederschlagsermittlung

73

7

Gebietsniederschlagsermittlung

Thiessen Polygon Methode

Inverse Distanz Methode

W1=0.3, W2=0.5, W3=0.2

NG=W1*N1+W2*N2+W3*N3

NG=W1*N1+W2*N2+W3*N3

W1

Niederschlags-Abfluss Transformation

Niederschlag 1 mm Fläche 1 km2 1 mm = 1 L/m2 = 106 L/ km2 = 1.000 m3/ km2

8

Niederschlag aus Beobachtungen

Niederschlag

Aus historischen Niederschlagsbeobachtungen

Ombrometer (aufzeichnende Geräte)

Totalisatoren (nichtaufzeichnende Geräte)

Aus Bemessungsniederschlägen

z.B. statistische Auswertungen (z.B. Schimpf)

MPP (Maximal mögliche Niederschlag)

9

Aus Bemessungsniederschlägenz.B. statistische Auswertungen (z.B. Skoda/Lorenz, Schimpf)

Aus Bemessungsniederschlägen (statistische Auswertung)

Quelle: US National Weather Service. http://www.srh.noaa.gov/lub/wx/precip_freq/precip_index.htm

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Aus Bemessungsniederschlägen (statistische Auswertung)

Quelle: Niederschlagshöhe, herausgegeben vom DWD (Deutschen Wetterdienst)

Aus Bemessungsniederschlägen (statistische Auswertung)

Quelle: Bretschneider et al., Taschenbuch der Wasserwirtschaft

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Aus Bemessungsniederschlägen (statistische Auswertung)

Quelle: DVWK: Arbeitsanleitungen zur Anwendung von Niederschlags- Abfluss Modellen (Analyse ( Synthese). Teil I, II

Hydrologisches Konzept von HEC-HMS

Teilprozesse der NA-Modellierung:Niederschlag

Gebietsrückhalt (Verlust)

Abflussbildung (Gebiets Routing)

Wellenablauf (Gerinne Routing)

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Gebietsrückhalt (Verlustrate)

Arten des Gebietsrückhaltes:- Interzeptionsspeicher

- Muldenspeicher

- Oberflächenspeicher

- Evaporation

- Infiltration

- Zwischenabfluss

- Basisabfluss

Anfangsverlust (Initial Loss)

13

Anfangsverlust (Initial Loss)

0.00

1.00

2.00

3.00

4.00

5.00

6.00

7.00

8.00

0.00 5.00 10.00 15.00 20.00 25.00 30.00

Cross Precipitation (mm)

Inte

rcep

tion

(mm

)

Spruce Forest

Mixed Forest

Konstante Verlustrate u. Abflusskoeffizient

14

Variabler Abflussbeiwert

Variabler Abflussbeiwert

15

Verlustrate nach HORTONDas Horton-Verfahren, ein empirischer Ansatz, basiert auf Infiltrationsmessungen. Als geeignete Funktion für die Infiltrationsrate ergab sich eine e-Funktion. Es wird angenommen, dass die Verlustrate der Infiltrationsrate entspricht:

Verlustrate mittels Koaxialdiagramm

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Methoden

Verlustrate und Effektivniederschlag

Zeit (h)

Nie

ders

chla

g (m

m)

0 10 20 30 40 50

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

Variable Abflussbeiwerte

Akkum. Niederschlag (mm)

Abf

luss

beiw

ert

0 5 10 15 20

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

variabler,linearer Abflussbeiwertlognormalverteilter Abflussbeiwert

Dynamischer Abflussbeiwert

HD Salzburg, 2. Okt. 2006

MethodenKonstanter Abflussbeiwert

Rainfall and Excess

Julian day

Pre

cipi

tatio

n (m

m)

13700 13702 13704 13706 13708

02

46

8

UH-Discharge

Julian day

Dis

char

ge (m

3/s)

13700 13702 13704 13706 13708

020

4060 Init. Loss : 30Method : 2Lossrate / RR-Coeff 0.5 Stretch-Faktor 10

HD Salzburg, 2. Okt. 2006

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Linear variabler AbflussbeiwertRainfall and Excess

Julian day

Pre

cipi

tatio

n (m

m)

13700 13702 13704 13706 13708

02

46

8

UH-Discharge

Julian day

Dis

char

ge (m

3/s)

13700 13702 13704 13706 13708

020

4060 Init. Loss : 30

Method : 3Lossrate / RR-Coeff 0.1 0.75Stretch-Faktor 10

HD Salzburg, 2. Okt. 2006

Methoden

Lognormalverteilter AbflussbeiwertRainfall and Excess

Julian day

Pre

cipi

tatio

n (m

m)

13700 13702 13704 13706 13708

02

46

8

UH-Discharge

Julian day

Dis

char

ge (m

3/s)

13700 13702 13704 13706 13708

020

4060 Init. Loss : 0Method : 4Lossrate / RR-Coeff 4.5 0.6Stretch-Faktor 10

HD Salzburg, 2. Okt. 2006

Methoden

18

Methoden

A priori Parameterschätzung

UH-stretch Factor: stretch = f(nsum, nintens, month)Anfangsverlust: Initloss = f(apistart, month)Start-ABW: Lowpsi = f(Initloss, Upperpsi)End-ABW: Upperpsi = f(apistart, apipeak, nsum, nintens, month)

wherensum …total storm rainfall

nintens …rainfall intensitymonth …month (hydrological year)

apistart …antecedent precipitation index at start of stormapipeak …maximum antecedent precipitation index during storm

HD Salzburg, 2. Okt. 2006

Kalibrierung

Ergebnisse

HD Salzburg, 2. Okt. 2006

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A priori Parameterschätzung

Ergebnisse

HD Salzburg, 2. Okt. 2006

iEMSs 2002, Integrated Assessment and Decision Support Lugano, 24.. – 27. June 2002

Applied Model Types

)(1i

nt

ti

int

ti

ii Pa

aARI ⋅⋅= ∑

∑

−

=−

=

(1)

were i … Time index (in days) a … coefficient (=0.88) P … Precipitation (plus snowmelt

… optional) in mm/d n … memory length in days (=28)

Antecedent Rain Index

time

t

t-i

t-j

P1

P2

2 Parametersn ... Memeory lengtha ... Recession coefficient

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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

Green and Ampt Infiltration

21

22

Das SCS-CN-Verfahren

F/S = A/(N-Ia)F aktueller RückhaltS potentiell maximaler RückhaltA aktueller AbflussN-Ia Niederschlag – Anfangsverluste

(potentieller maximaler Abfluss)

Randbedingung

(N-Ia) = F+A

Berechnung des Abflusses

A = (N-Ia)2/((N-Ia)+S)

wobei

A AbflussN Niederschlag aus

GebietsniederschlagsermittlungIa Anfangsverlust ( ≈ 20% von S)S potentieller maximaler Rückhalt

Ermittlung über Gebietskenngröße CN (curve number)

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Ermittlung der Bodenfeuchteklasse

•Tabelle 1: Ermittlung der Bodenfeuchteklasse aus dem Vorregen und der Jahreszeit

Bodenfeuchteklasse Niederschlagshöhe letzten fünf Tage

Vegetationsperiode Übrige Zeit

I <30 <15II 30-50 15-30III >50 >30

Ermittlung der BodenfeuchteklasseBodenfeuchteklasse Niederschlagshöhe letzten fünf Tage

Vegetationsperiode Übrige Zeit

I <30 <15II 30-50 15-30III >50 >30

Ermittlung des BodentypsA Böden mit großem Versickerungsvermögen

(Tiefe Sand- und Kiesböden)

B Böden mit mittlerem Versickerungsvermögen(Mitteltiefe Sandböden, lehmiger Sand)

C Böden mit geringem Versickerungsvermögen(Flache Sandböden, sandiger Lehm)

D Böden mit sehr geringem Versickerungsvermögen(Tonböden)

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Ermittlung des CN-Wertes

Bodennutzung CN für Bodentyp

A B C D

Ödland 77 86 91 94Reihenkulturen (Hackfrüchte) 70 80 87 90Wein (Terrassen) 64 73 79 82Getreide (herkömmlich) 64 76 84 88Weide (fett) 39 61 74 80Wald (dicht) 25 55 70 77

. . .

Tabelle 2: CN-Werte in Abhängigkeit von Bodentyp und Bodennutzungfür Bodenfeuchteklasse II

Ermittlung des maximalen Rückhalts S

S = (25400/CN)-254 [mm]

Gebietskenngröße CN abhängig von:

•Bodenart•Bodennutzung•Vorregen•Jahreszeit

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Deficit Constant MethodeEine Bodensäule ist durch ihr maximales Defizit (Verfügbares Porenvolumen) charakterisiert. Der aktuelle Feuchtezustand wird durch das Anfangsdefizit (Initial Deficit) beschrieben. Der aktuelle Niederschlag füllt den Bodenspeicher auf, das Defizit nimmt dabei ab. Bei vollständiger Füllung des Bodens erfolgt Oberflächenabfluss (Excess Precipitation). (Nur) Während der Niederschlagsphasen erfolgt Infiltration in tiefere Schichten. Während der niederschlagsfreien Periode erhöht sich das Defizit (infolge Transpiration).

(mm/h)8 – 114 – 81 – 4

0 - 1

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Hydrologisches Konzept von HEC-HMS

Teilprozesse der NA-Modellierung:Niederschlag

Gebietsrückhalt (Verlust)

Abflussbildung (Gebiets Routing)

Wellenablauf (Gerinne Routing)

Basisabfluss

Folgende Verfahren zur Abtrennung des Basisabflusses vom Direktabfluss sind in HMS verfügbar:-Konstanter monatlicher Basisabfluss (Constantmonthly)Monatliche Abflusswerte werden abgefragt.

- Linearer Speicher (Linear Reservoir)Der Grundwasserspeicher - bei Verwendung der SMA-Methode – liefert den Basisabfluss

- Auslaufwelle (Recession)Der auslaufende Wellenast wird als exponentiell abnehmend angenommen (siehe Skizze).

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Abflussbildung (Gebiets Routing)

Einheitsganglinienverfahren (Unit Hydrograph UH)- Benutzerdefinierter UH- Clark UH- Snyder UH- SCS UH

Flächenverteilte Verfahren- Kinematische Welle- ModClark (Grid-basiert)

Einheitsganglinienverfahren (Unit-Hydrograph)

Black Box Model

•Linearität

•Superposition

•Zeitinvarianz

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Einheitsganglinienverfahren (Unit-Hydrograph)

Dreiecksförmige EinheitsganglinieAus dieser Form ergibt sich eine einfache Umrechenbarkeit bei unterschiedlichen Basislängen. Die Anstiegszeit des UH entspricht beispielsweise der kritischen Fließzeit nach der Kirpich-Formel, wobei diese ganzzahligaufgerundet werden kann. Der abfallende Ast kann variieren und beträgt ein Vielfaches des UH-Anstiegs (vgl. Abbildung „Stretch-Faktor“).

Die Umrechnung des Einheitsniederschlags auf die Form des Unit Hydrographs erfolgte folgendermassen:

Aus HOLZMANN (2005)

T stretch) + (1 B c⋅=

3600) * area)/(B * (2000 Qmax =

wobei B … Basislänge der Einheitsganglinie in h Stretch … Streckungsfaktor Tc … Kritische Fließzeit (in h aufgerundet) Qmax … Scheitelwert in m3/s Area … Einzugsgebietsfläche in km2

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ErläuterungenDas Volumen des Einheitsniederschlags EN (z.B. 1mm/h) entspricht dem Volumen des Direktabflusses VolQ.

Aus HOLZMANN (2005)

[ ] [ ] [ ]hmareakmareahmmEN /10)10()10/1( 33623 ⋅=⋅⋅⋅= −

[ ] [ ]2

/3600 3max smQhBVolQ ⋅⋅

=

[ ] [ ][ ]

[ ] 8,13600210/

233

max ⋅=

⋅⋅⋅

=hB

kmareahB

areasmQ

BeispielBerechne die Ordinaten der dreiecksförmigen Einheitsganglinie:

Einzugsgebietsfläche: 500 km2Tc: 4hStretch Faktor 3:

Aus HOLZMANN (2005)

ErgebnisAbszisse (t) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16Ordinate (Q) 0 4.34 8.68 13.02 17.36 15.91 14.47 13.02 11.57 10.13 8.68 7.23 5.79 4.34 2.89 1.45 0

30

SNYDER –UH Verfahren:

pR

ppR

p

pp

RrppR

rp

tC

CA

U

tC

CA

U

tttt

tt

⋅=

⋅=

−−=

⋅=

4

5.5 (1)

(2)

(3)

(4)

Festzulegen sind folgende Parameter:

Standard LAG ... tpScheitel-Koeffizient ... Cp

SCS –UH Verfahren:

pp

lagp

TACU

ttT

⋅=

+∆

=2 (1)

(2)

Festzulegen sind folgende Parameter:

SCS LAG ... tlag

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Home Page des US Army Corps of Engineers :

http://www.hec.usace.army.mil/Von hier kann die HEC-HMS Software sowie das Benutzerhandbuch heruntergeladen werden.

Datenserver zur Lehrveranstaltung:

http://www.boku.ac.at/iwhw/hydsem1/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

Organisatorisches

Literatur zu Kapitel 4 - Niederschlag:

DVWK (1997): Regionalisierung maximierter Gebietsniederschlagshöhen in der Bundesrepublik Deutschland - DVWK-Fachausschuss Niederschlag, DVWK-Mitteilungen, Heft 29, Bonn

Giesecke, J. et al. (1983): (Gebietsniederschlag). In: Wasserwirtschaft 73(1): 1-7.

Huffman, G.J., R.F. Adler, P.A. Arkin, A. Chang, R. Ferraro, A. Gruber, J. Janowiak, A. McNab, B. Rudolf, U. Schneider (1997): The Global Precipitation Climatology Project (GPCP) Combined Precipitation Dataset. Bull. Americ. Meteor. Soc. 78(1), 5-20.

Riedl, J. (1986): RADAR-Flächenniederschlagsmessung. - In: promet Meteorologische Fortbildung, 16.Jg, Heft 2/3, 1986, Hrsg.: Deutscher Wetterdienst, Offenbach

Rudolf, B. (1995): Die Bestimmung der zeitlich-raeumlichen Struktur des globalen Niederschlags. Berichte des DWD Nr. 196, Offenbach a.M., 153 S.

Internet-Adressen:

Prognose der Niederschlagswahrscheinlichkeit, Modelle und Verifikation Edilbert Kirk und Klaus FraedrichMeteorologisches Institut der Universität Hamburg, Bundesstr. 55, D-20146 Hamburg http://www.dkrz.de/wetter/prognosen/modelle/index.html

Globale Niederschlagsverteilung Niederschlagskarten im 2,5 Grad Raster vom Weltzentrum für Niederschlagsklimatologie WZN (engl. Global PrecipitationClimatology Centre GPCC) http://www.dwd.de/research/gpcc/visu_gpcc.html

Aktuelles Messprogramm des Deutschen Wetterdienstes DWD http://www.dwd.de/research/klis/ger/

Messgeräte Firma Thieshttp://www.thiesclima.com/nieders.htm

Literatur

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Internet-Adressen:

Online-Hydrologie-SkriptumStudiengang Geoökologie TU Braunschweig (Jörg Dietrich, Mathias Schöninger)http://www.hydroskript.de/html/_index.html

DistrometerJoanneum Researchhttp://www.distrometer.at/

Western U.S. Precipitation Frequency MapsSource: NOAA Atlas 2 published in 1973. (HDSC/NWS Office of Hydrology) Note: To maintain image integrity and detail each image is almost 1 MB in size. To obtain more information or the text material that accompanies these maps contact the Western Regional Climate Center at 775-674-7010 (wrcc@dri.edu) http://www.wrcc.sage.dri.edu/pcpnfreq.html

Rainfall Frequency Atlas Maps(Central and Eastern U.S.)These images were scanned from a copy of TECHNICAL PAPER NO. 40RAINFALL FREQUENCY ATLAS OF THE UNITED STATEShttp://www.srh.noaa.gov/lub/wx/precip_freq/precip_index.htm

Literatur Fortsetzung