Hydrologische Modelle und GIS

1. 1 Hydrologische Modelle und GIS Josef F�rst

2. 2 Lernziele In diesem Kapitel werden folgende Kenntnisse vermittelt: �berblick �ber den aktuellen Stand der Unterst�tzung hydrologischer Modelle durch GIS, Verst�ndnis der Unterschiede in den Konzepten von Raum und Zeit, �berblick �ber die Probleme der Kopplung von GIS und hydrologischen Modellen.

3. 3 Gliederung Einleitung und Problemstellung Raumbezogene Aspekte hydrologischer Modelle GIS-Unterst�tzung hydrologischer Modelle � die derzeitige Praxis Probleme der Integration von GIS und hydrologischen Modellen Daten und Modellstruktur Zusammenfassung

4. 4 Einleitung GIS und Hydrologische Modelle weisen viele Gemeinsamkeiten auf ...

5. 5 Einleitung Die GIS Unterst�tzung f�r hydrologische Modelle brachte viele Vorteile und Fortschritte �

6. 6 Einleitung Die GIS Unterst�tzung f�r hydrologische Modelle brachte viele Vorteile und Fortschritte �

7. 7 Problemstellung Definition: Ein hyd. Modell ist eine mathematische Repr�sentation der Bewegung des Wassers und seiner Inhaltsstoffe auf einem Teil der Erdoberfl�che oder im Untergrund ? enge Verbindung GIS ? hydrologische Modelle ist naheliegend Kontinuierlich in Raum und Zeit formulierte Gesetze, Differentialgleichungen (Darcy, St. Venant) Numerische Modelle erm�glichen r�umlich variable Parameter Softwaretechnische Integration: Hauptrichtung in der Anfangsphase Inkompatibilit�t der Konzepte von Raum und Zeit

8. 8 Raumbezogene Aspekte hydrologischer Modelle Anwendungsbereiche Prinzipien der Modellformulierung R�umliche Komponenten Str�mungs- und Transportprozesse in der Hydrologie Taxonomie Modellstruktur Daten und Modellstruktur

9. 9 Anwendungsbereiche Hauptaufgaben der Wasserwirtschaft, die durch hydrologische Modelle zu unterst�tzen sind: Kontrolle und Sanierung der Verunreinigungen von Oberfl�chen- und Grundwasser

10. 10 Anwendungsbereiche Hauptaufgaben der Wasserwirtschaft, die durch hydrologische Modelle zu unterst�tzen sind: Kontrolle und Sanierung der Verunreinigungen von Oberfl�chen- und Grundwasser

11. 11 Anwendungsbereiche Hauptaufgaben der Wasserwirtschaft, die durch hydrologische Modelle zu unterst�tzen sind: Kontrolle und Sanierung der Verunreinigungen von Oberfl�chen- und Grundwasser Nutzung des Wassers als Trinkwasser, f�r die Landwirtschaft und Industrie, unter Ber�cksichtigung der �kologischen Auswirkungen Hochwasserschutz

12. 12 Anwendungsbereiche Hauptaufgaben der Wasserwirtschaft, die durch hydrologische Modelle zu unterst�tzen sind: Kontrolle und Sanierung der Verunreinigungen von Oberfl�chen- und Grundwasser Nutzung des Wassers als Trinkwasser, f�r die Landwirtschaft und Industrie, unter Ber�cksichtigung der �kologischen Auswirkungen Hochwasserschutz

13. 13 Prinzipien der Modellformulierung Sparsamkeit (Parsimony): Ein Modell sollte so einfach wie m�glich sein und die kleinstm�gliche Zahl von Parametern aufweisen, deren Werte aus Daten ableitbar sein sollen. Bescheidenheit (Modesty): Ein Modell sollte nicht vorgeben, alles zu k�nnen (Ein solches Modell existiert nicht!) Genauigkeit (Accuracy): Ein Modell braucht ein Ph�nomen nicht genauer beschreiben als es beobachtbar ist. �berpr�fbarkeit (Testability): Ein Modell muss �berpr�fbar sein und wir m�ssen die Grenzen seiner G�ltigkeit angeben k�nnen bzw. kennen.

14. 14 R�umliche Komponenten Einzugsgebiete meist als aggregierte Elemente (ein oder wenige Speicher) Semi-konzeptionell (semi-distributed) verteilte Parameter Rohrleitungen oder Gew�sserabschnitte (Linien, Netze) Aquifere (2D, 3D) Seen und Flussm�ndungen (�stuare) (2D, 3D)

15. 15 Str�mungs- und Transportprozesse in der Hydrologie Impulssatz oder Energieprinzip Advektion Dispersion Betrachtung der Bewegung: n. Euler oder Lagrange Lagrange: Betrachter bewegt sich quasi mit dem Objekt Euler: Bewegung durch Kontrollquerschnitt oder Kontrollvolumen Euler f�r Str�mungsvorg�nge (FD, FE) Lagrange f�r Stofftransport (particle tracking)

16. 16 Taxonomie Verbesserung hydr. Modelle v. a. durch bessere Ber�cksichtigung der r�umlichen Variabilit�t

17. 17 Modellstruktur Fl�chenintegrierte, konzeptionelle Modelle

18. 18 Modellstruktur Fl�chenintegrierte, konzeptionelle Modelle Hydrologisch �hnlich reagierende Gebiete (hydrological response units, HRU)

19. 19 Modellstruktur Fl�chenintegrierte, konzeptionelle Modelle Hydrologisch �hnlich reagierende Gebiete (hydrological response units, HRU) Rasterbasierte Modelle

20. 20 Modellstruktur Fl�chenintegrierte, konzeptionelle Modelle Hydrologisch �hnlich reagierende Gebiete (hydrological response units, HRU) Rasterbasierte Modelle TIN-basierte Modelle

21. 21 Modellstruktur Fl�chenintegrierte, konzeptionelle Modelle Hydrologisch �hnlich reagierende Gebiete (hydrological response units, HRU) Rasterbasierte Modelle TIN-basierte Modelle Isolinien-basierte Modelle

22. 22 Modellstruktur Fl�chenintegrierte, konzeptionelle Modelle Hydrologisch �hnlich reagierende Gebiete (hydrological response units, HRU) Rasterbasierte Modelle TIN-basierte Modelle Isolinien-basierte Modelle 2D und 3D Grundwasser-modelle

23. 23 Daten und Modellstruktur

24. 24 Daten und Modellstruktur

25. 25 Daten und Modellstruktur

26. 26 GIS-Unterst�tzung hydrologischer Modelle derzeit Ebenen der Unterst�tzung hydrologischer Modelle mit GIS: hydrologische Absch�tzung Ermittlung hydrologischer Parameter hydrologische Modellierung im GIS Kopplung von GIS und hydrologischen Modellen

27. 27 DRASTIC Index der Grundwasser-Vulnerabilit�t Bewertung von GW-K�rpern im Hinblick auf Schottergewinnung (Lintner 2000) Naturr�umliche Eignung abgesch�tzt mittels GIS-Overlays Hydrologische Absch�tzung

28. 28 Hydrologische Absch�tzung

29. 29 Hydrologische Absch�tzung

30. 30 Ermittlung hydrologischer Parameter Derzeit h�ufigste GIS-Anwendung zur Modellunterst�tzung DHM sind die wichtigste Grundlageninformation dazu Abgrenzung von Teileinzugsgebieten und Berechnung von Kennwerten daf�r (mittlere H�he, Hangneigung, Exposition, Feldkapazit�t, ...) Einfache Abflussbildungs-konzepte (D8, ...)

31. 31 Hydrologische Modellierung IM GIS Einfache Modellans�tze ohne Zeitabh�ngigkeit Multiple Regressionen, z.B. zur �bertragung von Standortsmodellen des Bodenwasserhaushaltes auf die Fl�che (z.B. Holzmann 1994) Auswertung von Brunnenformeln zur Standortsuche (Screening)

32. 32 Kopplung von GIS und hydrologischen Modellen Einbettung von GIS-Funktionen in hydrologische Modellsoftware

33. 33 Kopplung von GIS und hydrologischen Modellen Einbettung hydrologischer Modelle in GIS

34. 34 Kopplung von GIS und hydrologischen Modellen Enge Kopplung

35. 35 Kopplung von GIS und hydrologischen Modellen Lose Kopplung

36. 36 Probleme der Integration von GIS und hydrologischen Modellen Integration von GIS und hydrologischen Modellen erm�glichte anspruchsvolle Analysen und Simulationen GIS ist ideale Plattform f�r die Datenerhebung, Parameterermittlung, Kartendarstellung und Visualisierung. Dadurch wurde auch der verbesserte Entwurf, die Kalibrierung und Implementierung verschiedener Modelle wesentlich unterst�tzt ernste konzeptionelle Defizite sowohl in GIS als auch in hydrologischen Modellen, die vor einer wissenschaftlich korrekten Weiterentwicklung der Integration zu kl�ren sind

37. 37 Probleme in den hydrologischen Modellen In der Oberfl�chenhydrologie ist die �berwiegende Mehrzahl deterministisch, r�umlich aggregiert und zeitlich station�r, die Prozesse selbst sind stochastisch, r�umlich verteilt und instation�r Es ist nicht klar, dass punktbezogene Gleichungen drei-dimensionale, r�umlich heterogene und zeitabh�ngige Systeme ad�quat beschreiben. Die Sch�tzung von Modellparametern h�ngt von der Methode und vom Ma�stab der Beobachtungen ab Infolge von Nichtlinearit�ten der Systeme m�ssen effektive Parameter von Rasterzellen nicht durch r�umlich gemittelte Werte ersetzbar sein. Die Validierbarkeit h�ngt von den Fehlern in den Eingabedaten und Ergebnissen ab.

38. 38 Probleme in den GIS Entwicklung erfolgte weitgehend kartenorientiert (2D) 3D, Zeitabh�ngigkeit, Unsicherheit kaum ber�cksichtigt Unsicherheit, Zufallsprozesse: stochastische Felder sind im Raumkonzept von GIS nicht sinnvoll darstellbar Raum: Segmentierung, zeitlich fixiert, keine �berlappung Zeit: kaum implementiert, Serien von Karten

39. 39 Inkompatibilit�t von GIS Daten mit hydrologischen Modellkonzepten Beispiel Grundwasserstr�mung Differentialgleichung Diskontiuit�t von Q durch TIN Modell

40. 40 Inkompatibilit�t von GIS Daten mit hydrologischen Modellkonzepten Beispiel D8 Flie�richtungen und Abflussakkumulation

41. 41 Anwendung inad�quater GIS-Funktionen Beispiel Interpolation einer Gel�ndeoberfl�che

42. 42 Ma�stabs�nderungen meist �isotrope� Mittelungen/Aggregationen, w�hrend manche Parameter (kf-Wert) richtungsabh�ngig zu aggregieren sind, z.B.:

43. 43 Ma�stabs�nderungen meist �isotrope� Mittelungen/Aggregationen, w�hrend manche Parameter (kf-Wert) richtungsabh�ngig zu aggregieren sind, z.B.: �effektive� Parameter versagen v.a. bei der Modellierung des zeitlichen Verhaltens einer Schadstoffausbreitung (keine bevorzugten Flie�wege, etc.) ? Verwendung eines problemspezifischen �Resamplings� (und nicht allg. GIS-Prozedur)

44. 44 Zukunft der GIS-basierten hydrologischen Modellierung GIScience (Geoinformatik) Hydrologische Modelle

45. 45 GIScience (Geoinformatik) Neue Modelle f�r geographische Konzepte (Raum, Ort, Zeit, Ma�stab, Unsicherheiten) Informationstechnische Implementierung geographischer Konzepte. Die Hauptzielrichtung liegt hier in der Interoperabilit�t zwischen verschiedenen Modellen. Gesellschaftliche Auswirkungen B�rgerbeteiligung, Information der �ffentlichkeit (welche Information, in welcher Form, f�r wen?)

46. 46 Hydrologische Modelle verteilte Bearbeitung, Datenhaltung und Anwendung disaggregierte, modulare Systeme mit plug and play Komponenten verschiedener Hersteller entkoppelt, d.h. Teilaufgaben k�nnen auf verschiedene Netzwerkknoten verteilt werden Nutzung breit verf�gbarer und leicht zug�nglicher Daten (z. B. Internet, Hydrologischer Atlas)

47. 47 Hydrologische Modelle Verwendung neuer, r�umlich und zeitlich hochaufl�sender Datenquellen f�r Modellparameter und Systemzust�nde (Fernerkundung, Geophysik) Umgang mit Unsicherheiten, von der Datenerfassung �ber die Modellkalibrierung bis zur Visualisierung

48. 48 Zusammenfassung und Schlussfolgerungen GIS unterst�tzen verbesserten Entwurf, Kalibrierung und Implementierung verschiedener Modelle, insbesondere durch bessere Ber�cksichtigung der r�umlichen Variabilit�t GIS ist ideale Plattform f�r die Datenerhebung, Parameterermittlung, Kartendarstellung und Visualisierung Kopplung von GIS und hydrologischen Modellen ergibt leistungsf�hige und flexible Instrumente f�r hydrologische und wasserwirtschaftliche Aufgaben 3D, Zeitabh�ngigkeit, Unsicherheit kaum ber�cksichtigt Konzeptionelle Widerspr�che zwischen kontinuierlichen Modellen und diskreten GIS-Daten