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Analyse von Oberflächenabfluss

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Präsentation zum Thema: "Analyse von Oberflächenabfluss"—  Präsentation transkript:

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2 Analyse von Oberflächenabfluss
Foto: Geomer

3 Einleitung

4 Lugitsch und Partner ZT GmbH
Zivilingenieurbüro: Generalplanung und Consulting 20 Mitarbeiter Standorte: Feldbach, Graz, Wien Arbeitsbereiche: Hochbau Projektmanagement Statik Umwelt Verkehr Siedlungs- und Industriewasserbau Konstruktiver Wasserbau / Hochwasserschutz

5 Zu meiner Person Mag. Christoph König Geograph im technischen Bereich
GIS Hydrologie Geländemodellierung hydraulische Modellierung Geodatenbereitstellung

6 Hangwasser: Problematik
Starkregen, Klimawandel, Bodenversiegelung, Siedlungsdruck, Bebauung von Hanglagen, Landwirtschaftliche Nutzung, Abschwemmung Diese Schlagworte sind weder zufällig gewählt noch eine vollständige Auflistung um das immer häufiger auftretende Phänomen und Problem zu beschreiben, worum es hier geht: Gefährdung durch Hangwasser Verschärfung des Problems: Zunehmende Starkniederschläge im Zuge des Klimawandels, wachsende Versiegelung durch Verbauung - häufig in kritischen Bereichen, Verdrängung von landwirtschaftlichen Nutzflächen in Hanglagen, bodenerosionsbegünstigende Kulturlandschaften usw. Das Ergebnis: Überflutungen durch Hangwasser werden immer häufiger. Schon jetzt entstehen rund 50% der Schäden bei Hochwasserereignissen nicht durch ausufernde Gewässer sondern durch Oberflächenabfluss, Grundwasseranstieg und Rückstau aus der Kanalisation. Vielfach könnten Schäden durch einfache Maßnahmen oder bereits durch eine bessere Standortwahl reduziert werden.  KENNTNIS ÜBER DEN OBERFLÄCHENABFLUSS

7 Hangwasser: Projekt Amt der Steiermärkischen Landesregierung, A14: Pilotprojekte zur Analyse von Hangwasser (Hangwasserkarten) Pilotprojekt: Großraum Feldbach (ca. 20 km²) Hangbereiche entlang des Raabtales und der Seitengräben Relativ geringe Höhenunterschiede (ca. 100m) Intensive Landwirtschaftliche Nutzung Auch in Hanglagen oberhalb von Siedlungen Lage im Südöstlichen Alpenvorland Niederschlagsmaximum im Sommerhalbjahr Konvektiver Charakter überwiegt Anfälligkeit für Starkregenereignisse

8 Untersuchungsgebiet Datenquellen: basemap.at, GIS Steiermark

9 Agrarflächen in Hanglage
Quelle: eigene Darstellung

10 Teileinzugsgebiet Aderbach
Charakteristische Landschaft im Untersuchungsgebiet, eigene Darstellung, Daten: GIS Steiermark

11 Status Projekt ist noch nicht vergeben
Vorbereitungs- bzw. Nachdenkphase Welche Lösungen gibt es?

12 Hangwasser: Analysen mit GIS
Frage: Welche Aussagen sind durch Analyse mit (Arc)GIS Werkzeugen möglich?

13 Methodik

14 Fachliche Einleitung Keine Rocket Science
Einsatz von verbreiterter GIS Technologie Hydrologie Erweiterung des verbreiteten Ansatzes der Fließpfade (z.B. GIS Steiermark, Stadt Graz)  POTENTIELLER ABFLUSS Quelle: Stadt Graz,

15 Phasen Projektphase 1: Projektphase 2: GIS basierte Auswertung
Abschätzung des Gefährdungspotentials Inhalt des Vortrags Projektphase 2: Hydrodynamische Berechnung Darstellung der Gefährdung mit Wassertiefen etc

16 Software ArcGIS – Basic Lizenz Spatial Analyst ArcHydro Tools
HecGeoHMS Python

17 Daten Laserscan (GIS Steiermark):
Raster 1x1m DGM Orthophotos und DKM (GIS Steiermark): Landnutzungsauwertung Vermessungsdaten Durchlässe Digitale Bodenkarte Bemessungsniederschlag Quelle: eigene Darstellung

18 Arbeitsschritte

19 1) DGM Preprocessing Hydrologisch korrektes DGM erstellen / Senken beseitigen Spatial Analyst ArcHydro Tools HecGeoHMS Ausweisung von Senken Retention Durchlässe, Brücken modellieren „Durchstiche“ bei linearen Strukturen (z.B. Straßendämme)

20 2) Ermittlung des Abflussbeiwertes für jeden Punkt
Überlagerung mehrerer Parameter Ergebnis: Raster mit Abflussbeiwert Boden Klassifikation nach Durchlässigkeit Außerhalb versiegelter Flächen Landnutzung: Klassifikation des Abflussbeiwertes nach MARKART & KOHL

21 Abflussbeiwertraster
Oberfläche mit unterschiedlichen Abflussbeiwerten, eigene Darstellung, Daten: GIS Steiermark

22 3) (Gewichtetes) Einzugsgebiet für jeden Punkt
Hydrologische Auswertung des DGM Flow Direction Flow Accumulation Gewichtung mit Abflussbeiwert Entspricht der Fläche des Einzugsgebietes

23 Flow Direction SFD oder D8 Algorithmus MFD Algorithmus ArcGIS
Quelle:

24 Flow Accumulation SFD / D8 Algorithmus MFD Algorithmus
Quelle: Stadt Graz, Quelle: eigene Darstellung

25 Flow Accumulation: mit oder ohne Gewichtung
Quelle: eigene Darstellung

26 4) Berechnung der Anstiegszeit für jede Zelle
Definition: Zeit die Niederschlagswasser zum beobachteten Punkt benötigt  Scheitel der Abflusswelle Abhängig v.a. von Länge und Gefälle Ermittlung der Fließlänge für jede Zelle Flow Length Ermittlung des Höhenunterschiedes für jede Zelle PhytonScripting Es gibt zahlreiche Formeln Formel nach Kirpich: TC = 𝑎∗( 𝐿 𝐼 ) 𝑏 a= 0,07, b= 0,77 Berechnung mittels MapAlgebra Ausdruck Nach den Gesetzmäßigkeiten des hydraulischen Abflusses ist die Geschwindigkeit des Abflusses proportional zur Wurzel des Gefälles a=

27 Fließlänge für das Einzugsgebiet jeder Zelle
Anstiegszeit ∆h für das Einzugsgebiet jeder Zelle Fließlänge für das Einzugsgebiet jeder Zelle Quelle: eigene Darstellung Quelle: eigene Darstellung

28 Anstiegszeit Quelle: eigene Darstellung

29 5) Abflussfracht Bemessungsniederschlag www.ehyd.gv.at
10 jährliches Ereignis, Niederschlagsdauer entsprechend Anstiegszeit (10min) 𝐴𝑏𝑓𝑙𝑢𝑠𝑠𝑓𝑟𝑎𝑐ℎ𝑡 𝑚 3 =𝐹𝑙ä𝑐ℎ𝑒∗𝐴𝑏𝑓𝑙𝑢𝑠𝑠𝑏𝑒𝑖𝑤𝑒𝑟𝑡∗𝐵𝑒𝑚𝑒𝑠𝑠𝑢𝑛𝑔𝑠𝑛𝑖𝑒𝑑𝑒𝑟𝑠𝑐ℎ𝑙𝑎𝑔

30 6) Ermittlung der Abflussspitze
Annahme einer dreieckigen Ganglinie Gesamtabflussdauer: 3 x Anstiegszeit Dreiecksfläche = Abflussfracht 𝐴𝑏𝑓𝑙𝑢𝑠𝑠𝑓𝑟𝑎𝑐ℎ𝑡 𝑚 3 = 𝐺𝑒𝑠𝑎𝑚𝑡𝑧𝑒𝑖𝑡∗𝐴𝑏𝑓𝑙𝑢𝑠𝑠𝑠𝑝𝑖𝑡𝑧𝑒 2 𝑨𝒃𝒇𝒍𝒖𝒔𝒔𝒔𝒑𝒊𝒕𝒛𝒆 𝒎 𝟑 = 𝟐∗𝑨𝒃𝒇𝒍𝒖𝒔𝒔𝒇𝒓𝒂𝒄𝒉𝒕 𝑮𝒆𝒔𝒂𝒎𝒕𝒛𝒆𝒊𝒕 Berechnung mittels MapAlgebra Ausdruck Quelle: eigene Darstellung

31 Potentieller Abfluss in m³/s
Quelle: eigene Darstellung

32 Ausblick und resumee

33 Resumee Sind die Ergebnisse hydrologisch gesehen vertretbar?
Evaluierung der Ergebnisse vor Ort und anhand der hydrodynamischen Berechnungen Keine Berücksichtigung des Fließverhaltens Ausuferungen Rückstau Überströmung Wassertiefe, Fließgeschwindigkeit Welche Schlüsse kann man daraus ziehen? Aufzeigen sensibler Bereiche Gefährdungspotential und Maßnahmen für Experten lokal abschätzbar Dateninput für hydrodynamische Berechnung Der Aufwand ist überschaubar Kann man auf GIS Basis weitere Aussagen treffen?

34 2. Phase: Hydrodynamische Berechnung
SMS – HydroAS 2D oder FloodArea ArcGIS Aufsatz Fa. Geomer DGM auf Rasterbasis Im Gegensatz zu Phase 1: Aufwändige Modellierung Zeitintensive Rechenvorgänge Wesentlich höhere Aussagekraft Keine Modellierung der Kanalisation  Probleme im urbanen Raum

35 SMS / HydroAS 2D Auszug aus einer Modellierung eines Gewässers
Unregelmäßiges Netz Hangwassermodellierung mit einem ausgedünnten Laserscan mit ca. 2x2m Raster  regelmäßiges Netz Quelle: eigene Darstellung

36 Flood Area: Starkregenkarte
Quelle: Geomer

37 Flood Area: Wassertiefen
Quelle: Geomer

38 Berechnungsmethode Iterative Berechnung der Wasserspiegelneigung und der daraus resultierenden Fließrichtung Strickler Formel 16 Richtungen Matrix auf Basis eines Raster Geländemodells

39 Flood Area Fläche: 20 km² Rasterzellen: bei 1x1m Auflösung  20 Mio.
Rechenzeit: Rechenkerne 20 Mio Zellen 16 Rechenkerne Rund 12h 4 Rechenkerne Rund 48h 1 Rechenkern Rund 192h

40 Evaluierung der GIS Modellierung
Evaluierung und Eichung der mit ArcGIS berechneten Ganglinien und Hochwasserspitzen mittels Durchflussganglinien aus der hydrodynamischen Modellierung Quelle: eigene Darstellung

41 Kopplung ABU und Hangwasser
Hydrologisches Modell Starkregengefahrenkarte Hochwassergefahrenkarte

42 Kopplung ABU und Hangwaser

43 Literatur, Quellen ArcGIS Hilfe Stadt Graz: FLIESSPFAD- KARTE GRAZ
Markart G., Kohl B., Sotier B., Schauer Th., Bunza G., Stern R. , 2006: Geländeanleitung zur Abschätzung des Oberflächenabflussbeiwertes bei Starkregen - Grundzüge und erste Erfahrungen. Wiener Mitteilungen, Wien, (197): Praktische Hydrologie, Wittenberg, 2011 hydroskript.de Grass Hilfe: Analyse und Evaluierung von gebräuchlichen empirischen Ansätzen zur Hochwasserabschätzung in Wildbächen, BFW Berichte, 137/2007

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