V 3

What happens to the rain?

Qualitative Antwort ist leicht: Aufteilung in

• Interzeption (auf Blattwerk, dann Verdunstung)

• Oberflächenabfluss → direkt zum Gewässer

• Infiltration in den Boden – Zwischenabfluss

  – Grundwasserabfluss

– Verdunstung (über Vegetation, Landflächen)

Quantitative Antwort ist schwierig: • Starke Variabilität hydrologischer Vorgänge!

• –  Meteorologie (Niederschlag, Temperaturen) variiert in Raum und Zeit

• –  Einzugsgebiet ist sehr heterogen bzgl. Boden, Geologie, Topographie und Vegetation

  Herausforderung für Ingenieurhydrologie:

  Der betrachtete Prozess ist - angepasst an die Aufgabenstellung - möglichst gut in einem mathematischen Modell nachzubilden!

1. Abflussbildung

Aufteilung des Gebietsniederschlages NG in den abflusswirksamen (effektiven) Niederschlag Neff und den "Gebietsrückhalt R", der nicht hochwasserwirksam ist (Interzeption, Versickerung ins Grundwasser oder Verdunstung)

2. Abflusskonzentration

Umwandlung des effektiven Niederschlages Neff in den Direktabfluss Qd, Überlagerung mit dem Basisabfluss Qbas

3. Ablaufen der Abflussganglinie im Fließgewässer (Flood Routing)

1. Black-Box Modelle:

Beschreibung über eine "Eingang-Ausgang-Beziehung": Input  Transformation  Output

N Übertragungsfunktion Q  Das "System", d.h. das Einzugsgebiet wird als undifferenzierte

Einheit - als "Black Box" - betrachtet

 Transformation von N in Q über algebraische Gleichungen ohne echten Bezug zur Physik

 Mesoskalig, geeignet für Praxis (grob)

2. Konzeptionelle Modelle:

 Teile des Systems (Einzugsgebiet) und des NA-Prozesses werden über physikalisch-basierte Gleichungen konzeptionell, d.h. vereinfacht wiedergegeben. Die Gleichungen enthalten "Modellparameter"

 Quantifizierung der Modellparameter durch Kalibrierung des Modells anhand beobachteter NA-Ereignissen über "Trial-and- Error"

 Flächendetailliert (Aufteilung des Gebiets in Teilgebiete), mesoskalig, geeignet für Praxis

3. Prozessorientierte Modelle (Benutzung detaillierter physikalischer Gleichungen):

 Verwenden von physikalischen Grundgleichungen der Wasserbewegung, insbesondere für den Versickerungsprozess und Transport im Bodenkörper

 Physikalisch interpretierbare und z.T. durch Messungen bestimmbare Kennwerte der Systemeigenschaften -> Kalibrierung des Modells nützlich, aber nicht unbedingt nötig

 Mikroskalig (z. B. "Hangmodell"), sehr aufwendig, primär in Wissenschaft genutzt

Grundlagen und Begriffe

• Abflussbeiwert 𝜳 (Runoff coefficient): gibt an, welcher prozentuale Teil des Niederschlags NG hochwasserwirksam zum Abfluss kommt (NG ist dabei historisch oder künstlich):

Im Gegensatz zum klassischen Einheitsganglinien-Verfahren (Gebiet wirdals „Black Box“ gesehen), das rein mathematisch aufgebaut ist, wird hierdas Einzugsgebiet durch eine Kaskade von gleich großen Speichern dargestellt. Der Durchfluss durch die Kaskade ist physikalisch- mathematisch exakt beschreibbar.

Die dazugehörenden Modellparameter werden meist aus Naturbeobachtungen (gemessene N-A-Ereignisse) ermittelt, z. B. nach der Methode der Momente

Elementarer Modellbaustein ist der "Einzelspeicher":

1. Klassische Einheitsganglinie

Bsp. in Übungen, Skriptum (Aufg. 3.3) und in ppt-Präsentation zu Kap. 3 (PC-Berechnungen)

2. Lineare Speicherkaskade (Nash)

Bsp. in Skriptum (Aufg. 3.4) und in ppt-Präsentation zu Kap. 3 (PC- Berechnungen)

3. Synthese: Berechnung einer Hochwasserganglinie für vorgegebenen Niederschlag mit verfügbarer Übertragungsfunktion

Bsp. in Skriptum (Aufg. 3.3) und in ppt-Präsentation zu Kap. 3 (PC- Berechnungen)

Gegeben:

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Testbach am Pegel P, AE = 141.5 km2 (aus Bsp. 1 und 2)

Übetragungsfunktion: Lineare Speicherkaskade mit n= 3.758 und K = 3.704 h (aus Bsp. 2 mit Programm UHSP)

Niederschlag: N50 für Dauer TD = 8 h: 62 mm (aus KOSTRA-Atlas) zeitliche Verteilung: 2 Varianten: endbetont und mittenverteilt

Abflussbeiwert ψ = 0.30 ( aus SCS-Verfahren für N = 62 mm) N-Versickerung nach exponentiellem Verlustansatz von Horton

Basisabfluss von 2 m3/s auf 3 m3/s ansteigend

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Gesucht:

Ganglinien des HQ50 für unterschiedliche zeitlichen Verteilungen des

Kapitel 3 – Einführung in die Niederschlag-Abfluss-Modellierung I Folie 67 Niederschlages