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.

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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

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Niederschlagsschreiber

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Stationsniederschläge

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Niederschlagsverteilung

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Niederschlagsverteilung

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Niederschlagsverteilung

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Quelle: DWD

Radarniederschlag

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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

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Welkepunkt Feldkapazität Maximale Bodenfeuchte

[mm]

[%]

20

40

60

80

100

Perkolation

Infiltration

Evapotranspiration

Funktionalen Zusammenhänge bei der Bodenfeuchtesimulation

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Hausübung: eigenständige Bodenfeuchtebilanzierung

12345678910111213141516171819202122232425262728293031323334353637383940414243444546474849505152535455565758596061626364656667686970717273747576777879808182

0.0

5.0

10.0

15.0

20.0

25.0

0.00

20.00

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

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Abflussszenario

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[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

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Landnutzung und Versiegelung

Teilgebiete

Speicher

Boden

Zeitflächen

Nutzungen

Gerinne

ZeitreihenDGM

GIS Anwendung für NA - Modelle

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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

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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

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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