Methodenentwicklung zur GIS-gestützten Modellierung des Landschaftswasserhaushaltes:
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Gießen
Inst. für Bodenkunde und Bodenerhaltung
2000
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| adam_text | Titel: Methodenentwicklung zur GIS-gestützten Modellierung des Landschaftswasserhaushaltes
Autor: Haverkamp, Stephan
Jahr: 2000
Inhaltsverzeichnis
Inhaltsverzeichnis I
Abbildungsverzeichnis................................................................................................... IV
Tabellenverzeichnis....................................................................................................... VI
Abkürzungsverzeichnis.................................................................................................. VII
Abstract / Kurzfassung.................................................................................................. XII
Einleitung
/ Einleitung...................................................................................................................... 1
1.1 Möglichkeiten und Grenzen zur Modellierung hydrologischer Prozesse auf
Landschaftsebene................................................................................................. 1
1.2 Zielsetzung........................................................................................................... 2
Stand des Wissens
2 Konzeptionen GIS-gestützter Modelle........................................................................... 4
2.1 Präprozessing....................................................................................................... 4
2.2 Hydrologisches Modell/System........................................................................... 5
2.3 Postprozessing..................................................................................................... 6
3 Parametrisierung und Modellunsicherheit.................................................................... 7
3.1 Systemanalyse...................................................................................................... 8
3.2 Aggregationsniveau von Messdaten.................................................................... 9
3.3 Diskretisierung in räumliche Modelleinheiten..................................................... 10
3.3.1 Raster....................................................................................................... 10
3.3.2 Hydrotop.................................................................................................. 11
3.3.3 Teileinzugsgebiet..................................................................................... 12
3.4 Ermittlung eines geeigneten Skalenniveaus von Eingangsdaten......................... 14
3.5 Simulationsalgorithmen....................................................................................... 15
4 Formalisierung hydrologischer Prozesse...................................................................... 17
4.1 Gebietsniederschlag............................................................................................. 17
4.2 Verdunstung......................................................................................................... 19
Inhaltsverzeichnis
4.3 Gebietsabfluss...................................................................................................... 22
4.3.1 Ganglinienseparation................................................................................ 23
4.3.2 Einheitsganglinienverfahren (Unit Hydrograph)..................................... 26
4.3.3 Scheitelabfluss.......................................................................................... 28
4.3.4 Oberflächenabfluss................................................................................... 32
4.3.5 Zwischenabfluss....................................................................................... 34
4.3.6 Grundwasserabfluss................................................................................. 35
4.4 Routing................................................................................................................. 39
Material und Methoden
5 Untersuchungsgebiete................................................................................................... 41
5.1 Weiherbach.......................................................................................................... 41
5.2 Dietzhölze............................................................................................................ 43
5.3 Bosque................................................................................................................. 46
6 Modellbildung und verwendete Soßware...................................................................... 47
6.1 Geographisches Informationssystem GRASS..................................................... 47
6.2 Räumliche Diskretisierung durch TOPAZ........................................................... 47
6.3 SWAT/GRASS - Schnittstelle der Modelleingangsdaten.................................... 49
6.4 Das hydrologische Modell SWAT....................................................................... 57
Ergebnisse und Diskussion
7 Präprozessing................................................................................................................ 4
7.1 Räumliche Diskretisierung hydrologischer Modelle........................................... 64
7.2 Algorithmenentwicklung: Definitionen und Hypothesen.................................... ^4
7.3 Algorithmenentwicklung: Formalisierung...........................................................
7.4 Algorithmenentwicklung: Implementation..........................................................
7.5 Algorithmenentwicklung: Validierung................................................................
7.5.1 Dietzhölze................................................................................................ 80
7.5.2 Weiherbach und Bosque.......................................................................... 82
7.6 Fazit.
85
Inhaltsverzeichnis___________________________________________________________III
8 Modellierung des Landschaftswasserhaushaltes durch das Modell SWA T.................. 88
8.1 Sensitivitätsanalyse.............................................................................................. 88
8.2 Kalibrierung und Validierung hydrologischer Modellkomponenten................... 94
8.3 Modellmodifikationen.......................................................................................... 103
9 GIS-basiertes Postprozessing........................................................................................ 111
10 Zusammenfassende Diskussion..................................................................................... 118
10.1 Methodenentwicklung Präprozessing.................................................................. 118
10.2 Modellübertragung............................................................................................... 119
10.3 Modellmodifikation............................................................................................. 122
10.4 Methodenentwicklung Postprozessing................................................................. 123
Zusammenfassung
11 Zusammenfassung......................................................................................................... 125
12 Summary........................................................................................................................ 127
13 Literatur......................................................................................................................... 129
Anhang........................................................................................................................... 143
IV Abbildungsverzeichnis
Abbildungsverzeichnis
Abb. 4.1: Messung und Simulation von Gebietsabfluss.................................................... 22
Abb. 4.2: Einheitsganglinienverfahren.............................................................................. 27
Abb. 4.3: Gemessene Variationsbreite von a (Ombla Spring River) in Abhängigkeit
von der Dauer des Trockenwetterabflusses...................................................... 37
Abb. 5.1: Flächenanteile der Bodenformen (Nummer der Kartiereinheit) im
Dietzhölzeeinzugsgebiet (Hess. Landesamt für Bodenforschung, 1998).......... 44
Abb. 5.2: Flächenanteile der Nutzungsformen im Dietzhölzeeinzugsgebiet (Nöhles
Frede, 1998)...................................................................................................... 45
Abb. 6.1: Einfluss von CSA und MSCL auf die Ableitung von Teileinzugsgebieten,
dargestellt am Beispiel des Dietzhölzeeinzugsgebietes..................................... 48
Abb. 6.2: Interface-Konzept zur Parametrisierung des SWAT Modells - Teil 1............... 51
Abb. 6.2: Interface-Konzept zur Parametrisierung des SWAT Modells - Teil II............. 52
Abb. 7.1: Bewertung der Simulationsergebnisse (Gerinneabfluss) anhand von
Messdaten (Dietzhölze, 1994)............................................................................ 68
Abb. 7.2: Allgemeine Darstellung einer Entropiefunktion................................................ 72
Abb. 7.3: Ableitung einer Referenzgröße des moving window für unterschiedliche
Eingangsdatenverteilungen................................................................................ 76
Abb. 7.4: SUSAT-Programmalgorithmus.......................................................................... 78
Abb. 7.5: Methodenvalidierung......................................................................................... 79
Abb. 7.6: SUSAT-Validierungsergebnisse (Parametrisierung durch dominierende Teil-
einzugsgebietscharakteristika)........................................................................... 80
Abb. 7.7: SUSAT-Validierungsergebnisse (Parametrisierung durch Hydrotope)............. 82
Abb. 7.8: Häufigkeitsverteilungen und Variationsbreite mittlerer Rohdichte und nFK
(Weiherbach und Dietzhölze)............................................................................ 4
Abb. 8.1: Sensitivitätsindizes in Bezug auf den Gerinneabfluss (hydrolog. Sommer-
halbjahr)............................................................................................................. 91
Abbildungsverzeichnis________________________________________________________V
Abb. 8.2: Sensitivitätsindizes in Bezug auf den Gerinneabfluss (hydrolog. Winter-
halbjahr)............................................................................................................. 91
Abb. 8.3: Sensitivitätsindizes in Bezug auf den Basisabfluss (hydrolog. Sommer-
halbjahr)............................................................................................................. 93
Abb. 8.4: Sensitivitätsindizes in Bezug auf den Basisabfluss (hydrolog. Winter-
halbjahr)............................................................................................................. 93
Abb. 8.5: Einfluss des Modellvorlaufes auf Simulationsergebnisse (Gerinneabfluss) im
Dietzhölzeeinzugsgebiet.................................................................................... 96
Abb. 8.6: Niederschlags-Abflussregime am Pegel Dillenburg II,
(Validierungszeitraum); Diskretisierung: Hydrotope........................................ 102
Abb. 8.7: Master Recession Curve, Dietzhölze................................................................. 104
Abb. 8.8: Mittlerer Trockenwetterabfluss der Dietzhölze (1991-1994)............................ 106
Abb. 8.9: Berechnung der Basisabflussspende durch unterschiedliche Verfahren zur
Ganglinienseparation......................................................................................... 107
Abb. 8.10: Niederschlags-Abflussregime am Pegel Dillenburg II, (Validierungs-
zeitraum); Diskretisierung: Hydrotope (nichtlinearer Grundwasserspeicher)... 110
Abb. 9.1: OUTGRASS-Programmkonzept........................................................................ 112
Abb. 9.2: Differenzenkarte der linearen/nichtlinearen Grundwasserabflussdynamik
(hydrologisches Sommerhalbjahr 1994)............................................................ 115
Abb. 9.3: Differenzenkarte der linearen/nichtlinearen Grundwasserabflussdynamik
(hydrologisches Winterhalbjahr 1994)............................................................... 116
Abb. 9.4 Kumulierte Differenzen aus dem linearen und nichtlinearen
Grundwassermodell........................................................................................... 117
VI___________________________________________________________Tabellenverzeichnis
Tabellenverzeichnis
Tab. 3.1: Validierung automatisch abgeleiteter Gewässersysteme.................................. 13
Tab. 5.1: Statistische Gebietsparameter........................................................................... 41
Tab. 5.2: Flächendaten des Weiherbacheinzugsgebietes................................................. 43
Tab. 5.3: Flächendaten des Einzugsgebietes Weiherbach................................................ 36
Tab. 5.3: Flächendaten des Dietzhökeeinzugsgebietes................................................... 45
Tab. 5.4: Flächendaten des Bosqueeinzugsgebietes......................................................... 46
Tab. 6.1: Parametrisierung der Gerinnemorphologie....................................................... 56
Tab. 7.1: Validierungsergebnisse Weiherbach und Bosque............................................. 83
Tab. 8.1: Referenzparameterwerte relativer Eingangsparameteränderungen.................. 89
Tab. 8.2: Kalibrierungsergebnisse; Diskretisierung: dominierende Boden- und
Landnutzungsformen........................................................................................ 97
Tab. 8.3: Kalibrierungsergebnisse; Diskretisierung: Hydrotope...................................... 98
Tab. 8.4: Validierungsergebnisse; Diskretisierung: dominierende Boden- und
Landnutzungsformen........................................................................................ 98
Tab. 8.5: Validierungsergebnisse; Diskretisierung: Hydrotope....................................... 100
Tab. 8.6: Täglicher Gerinneabfluss für monatliche Modellausgaben (1991-1994)......... 101
Tab. 8.7: Modellvalidierung bei modifiziertem Grundwasserabflussverhalten
(nichtlinear)....................................................................................................... 108
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