Hydrologische Modelle und GIS

1. 1 Hydrologische Modelle und GIS Josef Fürst

2. 2 Lernziele In diesem Kapitel werden folgende Kenntnisse vermittelt: Überblick über den aktuellen Stand der Unterstützung hydrologischer Modelle durch GIS, Verständnis der Unterschiede in den Konzepten von Raum und Zeit, Überblick über die Probleme der Kopplung von GIS und hydrologischen Modellen.

3. 3 Gliederung Einleitung und Problemstellung Raumbezogene Aspekte hydrologischer Modelle GIS-Unterstützung 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 Unterstützung für hydrologische Modelle brachte viele Vorteile und Fortschritte …

6. 6 Einleitung Die GIS Unterstützung für hydrologische Modelle brachte viele Vorteile und Fortschritte …

7. 7 Problemstellung Definition: Ein hyd. Modell ist eine mathematische Repräsentation der Bewegung des Wassers und seiner Inhaltsstoffe auf einem Teil der Erdoberfläche oder im Untergrund ? enge Verbindung GIS ? hydrologische Modelle ist naheliegend Kontinuierlich in Raum und Zeit formulierte Gesetze, Differentialgleichungen (Darcy, St. Venant) Numerische Modelle ermöglichen räumlich variable Parameter Softwaretechnische Integration: Hauptrichtung in der Anfangsphase Inkompatibilität der Konzepte von Raum und Zeit

8. 8 Raumbezogene Aspekte hydrologischer Modelle Anwendungsbereiche Prinzipien der Modellformulierung Räumliche Komponenten Strömungs- und Transportprozesse in der Hydrologie Taxonomie Modellstruktur Daten und Modellstruktur

9. 9 Anwendungsbereiche Hauptaufgaben der Wasserwirtschaft, die durch hydrologische Modelle zu unterstützen sind: Kontrolle und Sanierung der Verunreinigungen von Oberflächen- und Grundwasser

10. 10 Anwendungsbereiche Hauptaufgaben der Wasserwirtschaft, die durch hydrologische Modelle zu unterstützen sind: Kontrolle und Sanierung der Verunreinigungen von Oberflächen- und Grundwasser

11. 11 Anwendungsbereiche Hauptaufgaben der Wasserwirtschaft, die durch hydrologische Modelle zu unterstützen sind: Kontrolle und Sanierung der Verunreinigungen von Oberflächen- und Grundwasser Nutzung des Wassers als Trinkwasser, für die Landwirtschaft und Industrie, unter Berücksichtigung der ökologischen Auswirkungen Hochwasserschutz

12. 12 Anwendungsbereiche Hauptaufgaben der Wasserwirtschaft, die durch hydrologische Modelle zu unterstützen sind: Kontrolle und Sanierung der Verunreinigungen von Oberflächen- und Grundwasser Nutzung des Wassers als Trinkwasser, für die Landwirtschaft und Industrie, unter Berücksichtigung der ökologischen Auswirkungen Hochwasserschutz

13. 13 Prinzipien der Modellformulierung Sparsamkeit (Parsimony): Ein Modell sollte so einfach wie möglich sein und die kleinstmögliche Zahl von Parametern aufweisen, deren Werte aus Daten ableitbar sein sollen. Bescheidenheit (Modesty): Ein Modell sollte nicht vorgeben, alles zu können (Ein solches Modell existiert nicht!) Genauigkeit (Accuracy): Ein Modell braucht ein Phänomen nicht genauer beschreiben als es beobachtbar ist. Überprüfbarkeit (Testability): Ein Modell muss überprüfbar sein und wir müssen die Grenzen seiner Gültigkeit angeben können bzw. kennen.

14. 14 Räumliche Komponenten Einzugsgebiete meist als aggregierte Elemente (ein oder wenige Speicher) Semi-konzeptionell (semi-distributed) verteilte Parameter Rohrleitungen oder Gewässerabschnitte (Linien, Netze) Aquifere (2D, 3D) Seen und Flussmündungen (Ästuare) (2D, 3D)

15. 15 Strömungs- 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 für Strömungsvorgänge (FD, FE) Lagrange für Stofftransport (particle tracking)

16. 16 Taxonomie Verbesserung hydr. Modelle v. a. durch bessere Berücksichtigung der räumlichen Variabilität

17. 17 Modellstruktur Flächenintegrierte, konzeptionelle Modelle

18. 18 Modellstruktur Flächenintegrierte, konzeptionelle Modelle Hydrologisch ähnlich reagierende Gebiete (hydrological response units, HRU)

19. 19 Modellstruktur Flächenintegrierte, konzeptionelle Modelle Hydrologisch ähnlich reagierende Gebiete (hydrological response units, HRU) Rasterbasierte Modelle

20. 20 Modellstruktur Flächenintegrierte, konzeptionelle Modelle Hydrologisch ähnlich reagierende Gebiete (hydrological response units, HRU) Rasterbasierte Modelle TIN-basierte Modelle

21. 21 Modellstruktur Flächenintegrierte, konzeptionelle Modelle Hydrologisch ähnlich reagierende Gebiete (hydrological response units, HRU) Rasterbasierte Modelle TIN-basierte Modelle Isolinien-basierte Modelle

22. 22 Modellstruktur Flächenintegrierte, konzeptionelle Modelle Hydrologisch ähnlich 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-Unterstützung hydrologischer Modelle derzeit Ebenen der Unterstützung hydrologischer Modelle mit GIS: hydrologische Abschätzung Ermittlung hydrologischer Parameter hydrologische Modellierung im GIS Kopplung von GIS und hydrologischen Modellen

27. 27 DRASTIC Index der Grundwasser-Vulnerabilität Bewertung von GW-Körpern im Hinblick auf Schottergewinnung (Lintner 2000) Naturräumliche Eignung abgeschätzt mittels GIS-Overlays Hydrologische Abschätzung

28. 28 Hydrologische Abschätzung

29. 29 Hydrologische Abschätzung

30. 30 Ermittlung hydrologischer Parameter Derzeit häufigste GIS-Anwendung zur Modellunterstützung DHM sind die wichtigste Grundlageninformation dazu Abgrenzung von Teileinzugsgebieten und Berechnung von Kennwerten dafür (mittlere Höhe, Hangneigung, Exposition, Feldkapazität, ...) Einfache Abflussbildungs-konzepte (D8, ...)

31. 31 Hydrologische Modellierung IM GIS Einfache Modellansätze ohne Zeitabhängigkeit Multiple Regressionen, z.B. zur Übertragung von Standortsmodellen des Bodenwasserhaushaltes auf die Fläche (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 ermöglichte anspruchsvolle Analysen und Simulationen GIS ist ideale Plattform für die Datenerhebung, Parameterermittlung, Kartendarstellung und Visualisierung. Dadurch wurde auch der verbesserte Entwurf, die Kalibrierung und Implementierung verschiedener Modelle wesentlich unterstützt ernste konzeptionelle Defizite sowohl in GIS als auch in hydrologischen Modellen, die vor einer wissenschaftlich korrekten Weiterentwicklung der Integration zu klären sind

37. 37 Probleme in den hydrologischen Modellen In der Oberflächenhydrologie ist die überwiegende Mehrzahl deterministisch, räumlich aggregiert und zeitlich stationär, die Prozesse selbst sind stochastisch, räumlich verteilt und instationär Es ist nicht klar, dass punktbezogene Gleichungen drei-dimensionale, räumlich heterogene und zeitabhängige Systeme adäquat beschreiben. Die Schätzung von Modellparametern hängt von der Methode und vom Maßstab der Beobachtungen ab Infolge von Nichtlinearitäten der Systeme müssen effektive Parameter von Rasterzellen nicht durch räumlich gemittelte Werte ersetzbar sein. Die Validierbarkeit hängt von den Fehlern in den Eingabedaten und Ergebnissen ab.

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

39. 39 Inkompatibilität von GIS Daten mit hydrologischen Modellkonzepten Beispiel Grundwasserströmung Differentialgleichung Diskontiuität von Q durch TIN Modell

40. 40 Inkompatibilität von GIS Daten mit hydrologischen Modellkonzepten Beispiel D8 Fließrichtungen und Abflussakkumulation

41. 41 Anwendung inadäquater GIS-Funktionen Beispiel Interpolation einer Geländeoberfläche

42. 42 Maßstabsänderungen meist „isotrope“ Mittelungen/Aggregationen, während manche Parameter (kf-Wert) richtungsabhängig zu aggregieren sind, z.B.:

43. 43 Maßstabsänderungen meist „isotrope“ Mittelungen/Aggregationen, während manche Parameter (kf-Wert) richtungsabhängig zu aggregieren sind, z.B.: „effektive“ Parameter versagen v.a. bei der Modellierung des zeitlichen Verhaltens einer Schadstoffausbreitung (keine bevorzugten Fließwege, 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 für geographische Konzepte (Raum, Ort, Zeit, Maßstab, Unsicherheiten) Informationstechnische Implementierung geographischer Konzepte. Die Hauptzielrichtung liegt hier in der Interoperabilität zwischen verschiedenen Modellen. Gesellschaftliche Auswirkungen Bürgerbeteiligung, Information der Öffentlichkeit (welche Information, in welcher Form, für wen?)

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

47. 47 Hydrologische Modelle Verwendung neuer, räumlich und zeitlich hochauflösender Datenquellen für Modellparameter und Systemzustände (Fernerkundung, Geophysik) Umgang mit Unsicherheiten, von der Datenerfassung über die Modellkalibrierung bis zur Visualisierung

48. 48 Zusammenfassung und Schlussfolgerungen GIS unterstützen verbesserten Entwurf, Kalibrierung und Implementierung verschiedener Modelle, insbesondere durch bessere Berücksichtigung der räumlichen Variabilität GIS ist ideale Plattform für die Datenerhebung, Parameterermittlung, Kartendarstellung und Visualisierung Kopplung von GIS und hydrologischen Modellen ergibt leistungsfähige und flexible Instrumente für hydrologische und wasserwirtschaftliche Aufgaben 3D, Zeitabhängigkeit, Unsicherheit kaum berücksichtigt Konzeptionelle Widersprüche zwischen kontinuierlichen Modellen und diskreten GIS-Daten