Seminar Oberflächenhydrologie - iwhw.boku.ac.at · 2 Hydrologisches Konzept von HEC-HMS...
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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: [email protected]
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
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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)
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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)
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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
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Variabler Abflussbeiwert
Variabler Abflussbeiwert
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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
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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
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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
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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:[email protected]
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 ([email protected]) 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