NASIM-Optimierer löst komplexe Optimierungsaufgaben
28.04.2016
NASIM-Einsatzbereiche – ein Überblick
28.04.2016

NASIMN-A-Modelle flächendifferenziert kalibrieren und simulieren

Erweiterte Kalibriermethode für N-A-Modelle berücksichtigt die ökologische Bodenfeuchte und kalibriert Parameter auf Ebene der Elementarflächen

Hydrotec entwickelt Ansätze und Methoden der hydrologischen Modellierung kontinuierlich weiter. Dazu nutzen wir Verbesserungen im hydrologischen Prozesswissen sowie inzwischen verfügbare Geo-Grundlagendaten und setzen GIS-Techniken und Skripting-Methoden ein, um Massendaten zu verarbeiten. Wir stellen Ihnen hydrologische und technische Ansätze vor, die es erlauben, Abflussbildungsprozesse differenzierter zu modellieren als bisher. Sie steigern das Verständnis für die hydrologischen Zusammenhänge eines Einzugsgebiets und führen durch die Identifizierung von Abflussbildungsschwerpunkten zu verbesserten Bemessungsgrundlagen.

Berechnung der Abflussbildung in NASIM

Das hydrologische Modell NASIM simuliert kontinuierlich den Feuchtegehalt der ungesättigten Bodenzone über die Prozesse Infiltration, Exfiltration, Evapotranspiration usw. Die Intensität dieser Prozesse ist gleichzeitig eine Funktion der aktuellen Bodenfeuchte. Im Modell wird die Abflussbildung für den aktuellen Niederschlag als Oberflächenabfluss (falls die aktuelle Infiltrationsleistung überschritten ist) oder als Sättigungsabfluss (falls die Aufnahmekapazität erreicht ist) berechnet.
NASIM nutzt ein Modell, das konzeptionelle, physikalisch begründete Parameter verwendet und erlaubt es somit, dass Modellierer ihre Vorstellungen von den Abhängigkeiten des Parameters (= Hypothese) in die Parameterschätzung einfließen lassen.

Kalibriermethode für N-A-Modelle

Infiltrationsraten im Einzugsgebiet der Inde – links: Abschätzung nach Holtan (abhängig von der Landnutzung), rechts: Abschätzung nach einer neuen Infiltrationshypothese (abhängig von der Bodenfeuchte)

Hypothese berücksichtigt ökologische Bodenfeuchtebedingungen.

Eine häufig genutzte Hypothese (z. B. nach Holtan) definiert die maximale Infiltrationsrate als Funktion von Bodenart bzw. Bodenkennwert. Ein davon abweichender Ansatz berücksichtigt den Zusammenhang zwischen der Abflussbildung und den ökologischen Feuchtebedingungen – langfristig feuchten Standorten werden demnach geringere Infiltrationsraten zugewiesen:

Max. Infiltration = f (Feuchte)

Unsere Beobachtungen aus N-A-Studien, in denen es in benachbarten Gebieten trotz homogener Böden und Landnutzungen zu sehr unterschiedlicher Abflussbildung kommt, unterstützen diese Hypothese.

Kalibrierungsparameter auf Ebene der Elementarflächen

Bei der konventionellen Kalibrierung werden die Prozessraten für die Simulation mit Faktoren linear vergrößert oder verkleinert, bis am Pegel eine Übereinstimmung zwischen Modell- und Pegeldaten erreicht wird.

Diese Anpassung geschieht einheitlich für alle Elementarflächen eines Einzugsgebiets bis zum nächsten Pegel. Diese Verallgemeinerung kann zur Über- bzw. Unterschätzung der Abflussbildung innerhalb des Gebiets führen, was beim Abgleich mit Zwischenpegeln erkennbar wird. Zusätzlich zum Zusätzlich zum Ansatz nach Holtan entwickelten wir ein verfeinertes Kalibrierungsverfahren. Es ermöglicht, den Elementarflächen spezifische Kalibrierfaktoren zuzuordnen, abhängig von den verwendeten Elementarflächeneigenschaften.

Elementarflächen-Kalibrierung erprobt am Einzugsgebiet Inde/Vicht

Die beschriebenen Hypothesen und das verfeinerte Kalibrierungsverfahren untersuchten wir für das Einzugsgebiet der Inde (ca. 360 km2) im Auftrag des Wasserverbandes Eifel-Rur (WVER). In einem Einzugsgebiet mit gleichen oder ähnlichen Bodenarten wurden trockeneren Bereichen (gemäß Bodenfeuchteklassen der Bodenkarte NRW) gegenüber feuchteren Bereichen unterschiedliche Infiltrationsraten zugeordnet.

In der Karte wird erkennbar, dass das neue Verfahren die Abflussbildung räumlich stärker differenziert und andere Abflussschwerpunkte liefert. Plausibel erscheint, dass die Gewässerverläufe in der Karte rechts deutlich erkennbar werden (dunkelblaue Flächen mit geringster Infiltrationsrate).

Elementarflächen – kleinste räumliche Einheiten

Um Parameter für die Abflussbildung abzuschätzen, sind Grundlagendaten wie Bodenarten, Flächennutzung und Geländehöhen auszuwerten. Durch Verschneidung dieser Eigenschaften wird das Einzugsgebiet in kleinste räumliche Einheiten aufgeteilt, die homogene für die Abflussbildung relevante Eigenschaften besitzen. Diese Einheiten werden z. B. als Elementarflächen, Hydrotope oder Hydrologic Response Unit (HRU) bezeichnet.

Abflussbildung nach Eigenschaften räumlich differenziert

Zwei im Gewässerverlauf der Vicht (NG der Inde) aufeinanderfolgende Pegel (Mulartshütte und Platenhammer) liegen laut Feuchtekarte in sehr unterschiedlichen Bereichen, während die Bodenarten recht ähnlich sind. Das südliche Einzugsgebiet besitzt größere Anteile an feuchten Flächen, während das nördliche Gebiet größere Anteile an trockenen Flächen aufweist.

Feuchteklassen Kalibriermethode für N-A-Modelle

Feuchteklassen im Einzugsgebiet der Vicht – trotz ähnlicher Bodenarten besitzt das nördliche Pegeleinzugsgebiet mehr trockene Flächen als das südliche.

In früheren Modellstudien (1990) wurde das gesamte Gebiet anhand des im Norden liegenden Pegels Platenhammer kalibriert. In der in 2010 erstellten Modellierung standen zusätzlich Messwerte eines Zwischenpegels (Mulartshütte) zur Verfügung, sodass eine separate Kalibrierung der beiden Pegeleinzugsgebiete und ein Vergleich mit dem Alt-Modell möglich waren. Dadurch konnten wir bestätigen, dass die Abflussbildung bei der ursprünglichen Kalibrierung mit einem pauschalen Eichparameter für das gesamte Gebiet im südlichen Teilgebiet eher unterschätzt und im nördlichen Teilgebeit eher überschätzt wurde, um einen stimmigen Abgleich für den Pegel Platenhammer zu erreichen.

Die aktuelle feuchteabhängige Parameterschätzung und die selektive Kalibrierung sorgen dafür, dass die Abflussbildung in beiden Abschnitten zutreffender modelliert wird. Der bereits für Einzelereignisse kalibrierte Modelldatensatz konnte so für eine Langzeitsimulation verbessert werden.

Technische Umsetzung mit Python

Die Verwendung von Funktionsgleichungen oder Stützpunktkurven ermöglicht es, die beschriebene Hypothese für Massendaten umzusetzen, sodass im GIS für jede der Elementarflächen/Hydrotope die Prozessrate (max. Infiltrationsrate) berechnet wird. Dazu kommen Python-Skripte zum Einsatz. Sie lesen die Attribute aus den Datenbank-Tabellen der GIS-Dateien direkt aus, rechnen sie anhand der Funktionsgleichung um und schreiben sie in eine XML-Datei. Über die XML-Schnittstelle in NASIM können die geänderten Werte selektiv zum bestehenden Modelldatensatz hinzugeladen werden.

Weitere Untersuchungen folgen

Das beschriebene Verfahren bietet viele Freiheitsgrade und Möglichkeiten für Modellierer, aber auch ein gewisses Risiko für die Modellqualität. Die Anwendung sollte daher nur erfahrenen Modellierern überlassen bleiben. Eine sorgfältige und nachvollziehbare Dokumentation der verwendeten Parameter und der erzielten Ergebnisse sollte selbstverständlich sein.

Dieses Projekt konzentrierte sich auf einen einzigen Aspekt der Abflussbildung. Eine umfassende Überprüfung weiterer Ansätze, die z. B. den Faktor Gefälle aufgreifen, ist erforderlich, sodass sich sinnvolle und verlässliche Hypothesen für die praktische Arbeit ableiten lassen.

Hydrotec unterstützt die Untersuchung und Entwicklung dieses Ansatzes z. B. durch die Co-Betreuung von entsprechenden Abschlussarbeiten an Hochschulen.

M.A. Geogr. Manfred Dorp, Dr.-Ing. Oliver Buchholz

Veröffentlicht am 28.04.2016