Kein Folientitel

Institut für Wasserwirtschaft, Hydrologie
und Konstruktiven Wasserbau
Universität für Bodenkultur
Wien
Abflussberechnung mit dem
Einheitsganglinienverfahren
(Unit Hydrograph)
Hubert Holzmann
(Email: [email protected])
Inhalt
(1) Abflussbeiwert / Verlustrate
(2) Abfluss-Transformation (Einheitsganglinienverfahren)
(3) Bemessungskriterien (Gebietscharakteristik)
- Kritische Fließzeit
- Bemessungsniederschlag
(4) Studentenbeiträge
Inhalt
Inhalt
(1) Abflussbeiwert / Verlustrate
(2) Abfluss-Transformation (Einheitsganglinienverfahren)
(3) Bemessungskriterien (Gebietscharakteristik)
- Kritische Fließzeit
- Bemessungsniederschlag
(4) Studentenbeiträge
Abflussbildung / Direktabfluss
1 mm Niederschlag
1 km2 Gebietsfläche
1 mm = 1 l/m2 = 106 l/km2 = 1000 m3/km2
Gebietsrückhalt (Verlustrate)
Arten des Gebietsrückhaltes:
- Interzeptionsspeicher
- Muldenspeicher
- Oberflächenspeicher
- Evaporation
- Infiltration
- Zwischenabfluss
- Basisabfluss
Anfangsverlust (Initial Loss)
Anfangsverlust (Initial Loss)
8.00
Interception (mm)
7.00
6.00
5.00
4.00
3.00
Spruce Forest
2.00
Mixed Forest
1.00
0.00
0.00
5.00
10.00
15.00
20.00
Cross Precipitation (mm)
25.00
30.00
Konstante Verlustrate u. Abflusskoeffizient
Abflussbildung
Schematic of Rainfall Excess Components. (From Environmental Ecology)
Variabler Abflussbeiwert
Methods
Triangular Unit Hydrograph
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
Rain (mm)
(mm)
Niederschlag
1.0
Loss
Rate and Rainfall Excess
Verlustrate und Effektivniederschlag
0
10
20
30
40
50
Zeit (h)
0.8
0.2
0.4
0.6
variabler,linearer Abflussbeiwert
lognormalverteilter Abflussbeiwert
0.0
coefficient
Runoff
Abflussbeiwert
1.0
Variable
Abflussbeiwerte
Variable
Runoff
Coefficient
0
5
10
15
20
Accumul.
Rain (mm)
(mm)
Akkum. Niederschlag
WORKSHOP ON DISASTER PREVENTION AND REDUCTION
Prague, 21. – 29. 6. 2006
Methods / Results
Linear variable runoff coefficient
6
4
2
0
Precipitation (mm)
8
Rainfall and Excess
13700
13702
13704
13706
13708
13706
13708
Julian day
20
40
Init. Loss : 30
Method : 3
Lossrate / RR-Coeff 0.1 0.75
Stretch-Faktor 10
0
Discharge (m3/s)
60
UH-Discharge
13700
13702
13704
Julian day
WORKSHOP ON DISASTER PREVENTION AND REDUCTION
Prague, 21. – 29. 6. 2006
Inhalt
(1) Abflussbeiwert / Verlustrate
(2) Abfluss-Transformation (Einheitsganglinienverfahren)
(3) Bemessungskriterien (Gebietscharakteristik)
- Kritische Fließzeit
- Bemessungsniederschlag
(4) Studentenbeiträge
Abflussbildung / Direktabfluss
Constant Loss:
Rain (mm)
Neff = N-Phi
6
4
2
0
1
2
3
4
5
6
4
5
6
4
5
6
time
Constant Runoff Coefficient:
RC ... Runoff Coefficient (0 – 1)
6
Rain (mm)
Neff = N*RC
4
2
0
1
2
3
time
Horton Model:
Rain (mm)
Neff = N-fp
where fp = fc + (fo – fc)exp(- *t)
6
4
2
0
1
2
3
Methoden
Unit Hydrograph Model
(Einheitsganglinienverfahren)
Methodenprinzip
- Linearität
- Überlagerung (Superposition)
- Zeitinvarianz
Methods
Schätzung der UH-Ordinaten
Methoden
Dreiecksförmiger Unit Hydrograph
EffektivNiederschlag
1 mm
Konzentrationszeit tc
qmax
Abfluss
m3/s
tc
(n 1)tc qmax
area rain
2
2000 area
qmax
3600 (n 1)tc
n . tc
1 mm = 1 l/m2 = 106 l/km2 = 1000 m3/km2
Dreiecksförmige Einheitsganglinie
Aus dieser Form ergibt sich eine einfache Umrechnungsmöglichkeit bei unterschiedlichen Basislängen. Die
Anstiegszeit Tc des UH kann als Funktion der kritischen Fließzeit TCK nach der Kirpich-Formel angenommen
werden, wobei diese ganzzahlig aufgerundet werden sollte. Der abfallende Ast kann variieren und beträgt ein
Vielfaches des UH-Anstiegs (vgl. Abbildung „Stretch-Faktor“).
Die Umrechnung des Einheitsniederschlags auf die Form des Unit Hydrographs erfolgte folgendermaßen:
z.B. Tc = 0.6 TCK
B (1 + stretch) Tc
Q max
wobei
(2000 * area)/(B * 3600)
B
Stretch
Tc
Qmax
Area
…
…
…
…
…
Basislänge der Einheitsganglinie in h
Streckungsfaktor
Kritische Fließzeit (in h aufgerundet)
Scheitelwert in m3/s
Einzugsgebietsfläche in km2
Aus HOLZMANN (2005)
Time of concentration tc:
3
tc
l
0.868
h
0.385
tc (h)
... Time of concentration (Kritische Fliesszeit)
l ( km)
h( m)
... Length of flow path
... Depth of elevation
Erläuterungen
Das Volumen des Einheitsniederschlags EN (z.B. 1mm/h) entspricht dem Volumen des Direktabflusses VolQ .
EN
VolQ
(1 mm / h 10 3 ) (area km 2 106 )
B h 3600 Qmax m3 / s
2
Qmax m3 / s
area 103 2
B h 3600
area km 2
B h 1,8
Aus HOLZMANN (2005)
area 103 m3 / h
Beispiel
Berechne die Ordinaten der dreiecksförmigen Einheitsganglinie. Die Zeitdiskretisierung beträgt eine Stunde:
Einzugsgebietsfläche: 500 km2
Tc: 4h
Stretch Faktor 3:
Ergebnis
Abszisse (t) 0 1
2
3
4
5
6
7
8
9 10 11 12 13 14 15 16
Ordinate (Q) 0 4.34 8.68 13.02 17.36 15.91 14.47 13.02 11.57 10.13 8.68 7.23 5.79 4.34 2.89 1.45 0
Aus HOLZMANN (2005)
Inhalt
(1) Abflussbeiwert / Verlustrate
(2) Abfluss-Transformation (Einheitsganglinienverfahren)
(3) Bemessungskriterien (Gebietscharakteristik)
- Kritische Fließzeit
- Bemessungsniederschlag
(4) Studentenbeiträge
Saturation in zones of convergent topography
Anwendung von N-A Modellen (UH-Verfahren)
Bei bestehenden N- und Q-Beobachtungsdaten:
(1) Ermittlung der EZG-Fläche
(2) Festlegung der Konzentrationszeit (1. Schätzwert)
(3) Festlegung der Einheitsganglinienform (1. Schätzwert)
(4) Kalibrierung:
Festlegung der Verlustraten- und UH-Parameter anhand
von beobachteten Hochwasserereignissen
(5) Validierung:
Überprüfung der Parameter anhand unabhängiger
Hochwasserereignisse.
Model Optimization
The goodness of fit is defined by the Objective Function. It is defined with regard to the specific
requirements and aims of the model application.
Each parameter set leads to a specific value of the
objective function. It can be possible, that different
sets can lead to similar results (Equifinality).
Z
X
X1 X2
X3
Zielkriterien
(Objective Function)
Angestrebt wird eine möglichst genaue
Anpassung der Modellberechnungen an die
Beobachtungsgrößen, wobei
anwendungsorientierte Vorgaben berücksichtigt
werden können.
Modelloptimierung:
Festlegung eines Parametersatzes,
der hinreichende Modellgüte
gewährleistet.
Kalibrierung / Validierung
Manuelle (Try and Error) oder
(teil)automatisierte Optimierung mit
Hilfe von Optimierungsprogrammen.
Lösungsschema des HEC-HMS Programms.
Studentenbeiträge:
Berechnung des Abflusses mittels UH-Verfahren
Angaben:
Einzugsgbietsfläche: 2,3 km2
Eingabedatei (NS, Q): z.B. mai91.txt
Wichtig: Komma als „Punkt“ eingeben !!!
Studentenbeiträge:
Berechnung des Abflusses mittels UH-Verfahren
Angaben:
Einzugsgbietsfläche: 2,3 km2
Eingabedatei (NS, Q) im Verzeichnis „input“: z.B. mai91.txt
Ergebnis:
Outputdatei (NS, Nseff, Qsim, Qobs) im Verzeichnis „output“:
Es sind von jeder Studentengruppe 4 Ereignisse zu berechnen
Kalibrierung 3 Ereignisse
Validierung 1 Ereignis
Alle Angaben werden in das Verzeichnis der Lehrveranstaltung
(BOKUOnline) gestellt.
Anwendung von N-A Modellen (UH-Verfahren)
Bei fehlenden Beobachtungsdaten:
(1) Ermittlung der EZG-Fläche
(2) Festlegung der Konzentrationszeit (Kritische Fliesszeit)
(3) Festlegung der Einheitsganglinie (z.B. SCS, Triangular UH)
(4) Festlegung des Bemessungsniederschlags
(5) Festlegung der Verlustratenparameter
(6) Berechnung des Abflusses
unter Berücksichtigung der Parameterunsicherheit
(evtl. Variation der Parameter und der Niederschlagsintensitätsverteilung)
Aus Bemessungsniederschlägen (statistische Auswertung)
Quelle: DVWK: Arbeitsanleitungen zur Anwendung von Niederschlags- Abfluss Modellen (Analyse ( Synthese). Teil I, II
Aus Bemessungsniederschlägen
z.B. statistische Auswertungen (z.B. Skoda/Lorenz, Schimpf)
Quelle: Abteilung VII/3 – Wasserhaushalt (14.04.2009), www.wassernet.at/filemanager/download/45416/
Quelle: Abteilung VII/3 – Wasserhaushalt (14.04.2009), www.wassernet.at/filemanager/download/45416/
Quelle: Abteilung VII/3 – Wasserhaushalt (14.04.2009), www.wassernet.at/filemanager/download/45416/
eHYD: siehe gis.lebensministerium.at/eHYD
0
10
20
30
40
50
Variation der Modellparameter (Anfangsverlust, Abflussbeiwert, Niederschlagsverteilung, UH-Form)
10
20
30
40
50
0
5
10
15
20
25
30
0
0
10
20
30
qmax
40
50
60
Aus Bemessungsniederschlägen (statistische Auswertung)
Quelle: Bretschneider et al., Taschenbuch der Wasserwirtschaft
Aus Bemessungsniederschlägen (statistische Auswertung)
Quelle: Bretschneider et al., Taschenbuch der Wasserwirtschaft
Aus Bemessungsniederschlägen (statistische Auswertung)
Quelle: Niederschlagshöhe, herausgegeben vom DWD (Deutschen Wetterdienst)