Post on 06-Apr-2016
transcript
Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken
Themen:
Vorlesung 4
Die Phasen der Niederschlag-Abfluss ModellierungBausteine deterministischer Niederschlag-Abfluss Modelle Prozess- und Speicherabbildung in Modellen
Vorlesung Wasserwirtschaftliche Modellierung
Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken
analysieren
anwenden
verstehen
erinnern
Lehrziele der Veranstaltung
erschaffen
bewerten
… und verstehen, welche Prozesse dabei wichtig sind.
Sie kennen die unterschiedlichen Phasen einer NA Modellierung …
Sie erstellen eigenständig ein Modell zur Bodenfeuchtesimulation.Sie können ein Modell für den terrestrischen Wasserkreislauf erstellen und alle stattfindenden Speichervorgänge beschreiben.
Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken
Niederschlagsbildung
Niederschlagsverteilung
Abflussbildung
Abflusskonzentration
Wellenablauf
Niederschlagsentstehungals Regen oder Schnee
Räumliche Verteilung des Niederschlags
Ermittlung abfluss-wirksamer Niederschlag
Flood Routing im Gewässer
Translation und Retention
Die Phasen der NA - Modellierung
Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken
Quelle: DWD
Radarniederschlag
Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken
Niederschlag
Interzeption
Evaporation
Evapotranspiration
Grundwasserzufluss
Effektiver Niederschlag abflusswirksamer
NiederschlagInfiltration
Bodenfeuchte-speicher
Perkolation
Grundwasser-speicher
Ströme und Speichervorgänge
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Speicherbilanzierung
B(t) = B(t-1) + [INF(t) – PERK(t) – EPT(t)] x dt
B(t) – B(t-1) = + [INF(t) – PERK(t) – EPT(t)] x dt
= [INF(t) – PERK(t) – EPT(t)] x dtdBdt
Evapotranspiration
Infiltration
Perkolation
Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken
Welkepunkt Feldkapazität Maximale Bodenfeuchte
[mm]
[%]
20
40
60
80
100
Perkolation
Infiltration
Evapotranspiration
Funktionalen Zusammenhänge bei der Bodenfeuchtesimulation
Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken
Hausübung: eigenständige Bodenfeuchtebilanzierung
12345678910111213141516171819202122232425262728293031323334353637383940414243444546474849505152535455565758596061626364656667686970717273747576777879808182
0.0
5.0
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15.0
20.0
25.0
0.00
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40.00
60.00
80.00
100.00
120.00
140.00
160.00NiederschlagInfiltrationOberflächen abflussPerkolationEvapo transpiration
Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken[mm/h]
[t]Niederschlagsbelastung
[m³/s]
[t]Abfluss
[km²]
[t]Zeitflächenfunktion
Abflusskonzentration mit Zeit-Flächen-Funktion
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Qz(t)
Qa(t)
Einzellinear-speicher
Qa(t) = 1/k * S(t)
= Qz(t) -Qa(t)dSdt__
+ Qa(t) - Qz(t) = 0dQa(t)dt
_____k *
Qa(t) = * Qa(t -1) * Qz(t)e-dt / k -dt / k+ (1 - e )
S(t)
Abflusskonzentration Linearer Einzelspeicher
Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken
[mm/h]
[m³/s]
Niederschlag
Gemessener AbflussGerechneter Abfluss
Kalibrierung von NA - Modellen
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NA ModellNA Modell
Teilgebiete
Speicherdaten
Bodendaten
Zeitflächen- Funktionen
Nutzungen
Gerinnedaten
Zeitreihen
NiederschlägeVerdunstungTemperatur
Abflüsse
Digitale Geländedaten
Datenbasis für NA - Modelle
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Teileinzugsgebiete
Teilgebiete
Speicher
Boden
Zeitflächen
Nutzungen
Gerinne
ZeitreihenDGM
GIS Anwendung für NA - Modelle
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Digitale Bodenkarte
Teilgebiete
Speicher
Boden
Zeitflächen
Nutzungen
Gerinne
ZeitreihenDGM
GIS Anwendung für NA - Modelle
Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken
Landnutzung und Versiegelung
Teilgebiete
Speicher
Boden
Zeitflächen
Nutzungen
Gerinne
ZeitreihenDGM
GIS Anwendung für NA - Modelle
Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken
Teilgebiete
Speicher
Boden
Zeitflächen
Nutzungen
Gerinne
ZeitreihenDGM
Digitales Geländemodell
DGM 25
DGM mit ATKIS Daten
GIS Anwendung für NA - Modelle
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Quelle: Topscan
Quelle: Topscan
Gewinnung von digitalen Höhendaten
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NA Modellierung zur Ausweisung von Überschwemmungsgebieten
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Abflussprozess im natürlichen Einzugsgebiet
Zeichnen Sie in die Abbildung alle stattfindenden Prozesse ein. (Ströme und Speichervorgänge)
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EVA(t) Verdunstung
EPT(t) Verdunstung
V(t)
B(t) Bodenfeuchte
QGW(t)Grundwasserabfluss
QZU(t) externer Grundwasserzufluss
QD(t) Oberflächenabfluss
Niederschlag
INF(t) Infiltration
PERK(t) Perkolation
QINT(t) Interflow
Abflussprozess im natürlichen Einzugsgebiet
Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken
Kanalsystem
Abflussprozess im versiegelten Einzugsgebiet
Zeichnen Sie in die Abbildung alle stattfindenden Prozesse ein. (Ströme und Speichervorgänge)
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QD QD Oberflächenabfluss
Evaporation
Niederschlag
Kanalsystem
Abflussprozess im versiegelten Einzugsgebiet
Q KA Kanalabfluss
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Freilandniederschlag
Regionale Übertragung
ATMOSPHÄRE
Hydrometeorologische Daten:- Niederschlag- Temperatur- Wind- Strahlung / Sonnenscheindauer- Luftfeuchte
Berechnung der pot. Verdunstung und des Freilandniederschlags
Pot. Verdunstung
Atmosphärenvorgänge
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- Trockenschnee
- Freies Wasser
Schneedeckenabfluss
Freilandniederschlag
Schneespeicher
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(Bestandsniederschlag)bzw. Niederschlag nach Abzug der Interzeptionsverdunstung
Interzeptionsspeicher
Freilandniederschlag Interzeptionsverdunstung
Interzeptionsspeicher
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Aktuelle Verdunstung
MuldenspeicherAbflusswirksamer Niederschlag
Effektiver Niederschlag
Muldenspeicher
Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken
Nicht durchwurzelte, ungesättigte Zone
Durchwurzelter Bodenfeuchtespeicher
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Infiltration Aktuelle Verdunstung
Interflow
KapillaraufstiegGrundwasser- neubildung
Bodenfeuchtespeicher
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• Infiltrat aus Gewässer• Grundwasserzustrom Grundwasserspeicher
grundwasser-
bürtiger
Abfluss
Kapillarer Aufstieg
Tiefenversickerung
Grundwasser- neubildung
Grundwasserspeicher
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lateraler Zufluss
Gerinneabfluss
Gewässer- abschnitt mit Vorländern
Gerinnezufluss
Fließgewässer als Speicher
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• Seen• Talsperren•
Rückhaltebecken
Niederschlag
Über- leitung Zufluss aus
Einzugsgebiet
Entnahmen
Verdunstung
Gewässerabfluss
Gewässer- zufluss
Seen und Talsperren