Beregnung

Bei der Option Beregnung wird das Gelände mit einem vorgegebenen Niederschlagsverlauf flächig beregnet. Die Abflussbeiwerte, die Niederschlagsmenge und der Niederschlagsverlauf können räumlich und zeitlich variieren.

Die Simulation eines Niederschlag-, Starkregen- oder Dauerregenereignisses ist die typische Anwendung dieser Berechnungsoption. Die Dauer des Niederschlags kann frei gewählt werden. Welcher Anteil des Niederschlags auch zum Abfluss führt, kann über ein oder mehrere Abflussbeiwerts-Raster gesteuert werden. Über die räumlich und zeitlich variable Eingabe von Beregnungsganglinien und Abflussbeiwertsraster können reale Niederschlagereignisse auf Grundlage beispielsweise von Radardaten oder gemessenen Werten von Bodenstationen nachsimuliert werden.

Datenformate Beregnung

Benötigt wird:

• Digitales Geländemodell (GeoTIFF)

• Abflussbeiwertsraster (GeoTIFF in float)

• Niederschlags-Ganglinie (.txt)

• Optional: Datei für zeitlichen Veränderung des Abflussbeiwerts (.txt)

• Optional: Raster zur Unterteilung des Gebiets (GeoTIFF mit ganzen Zahlen ohne Vorzeichen)

Das Abflussbeiwertsraster gibt vor, wie viel Niederschlag oberflächig zum Abfluss kommt. Der Niederschlag wird über eine (oder mehrere) Modus Ganglinien in einer Textdatei definiert (in QM/S oder MM/H) und gilt für das gesamte Gebiet.

Die räumliche Variation kann erreicht werden, indem die Beregnungsmengen über die Rasterzellen im Abflussbeiwertsraster gewichtet werden. Das Produkt aus der Beregnungsmenge (in der Ganglinie) und dem Wert in dem jeweiligen Pixel des Rasters ergibt den effektiven Oberflächenabfluss.

Flächen, die nicht beregnet werden sollen, können im Raster eine ‚0‘ oder ‚NoData‘ enthalten (beides ist zulässig). Enthält das Abflussbeiwertsraster den Wert 0 oder NODATA, erfolgt in diesem Bereich keine Wasserzufuhr. Bei allen anderen Werten werden die Werte der Ganglinie (Niederschlag) mit dem entsprechenden Wert der Rasterfläche (Abflussbeiwert) multipliziert. Ist der Abflussbeiwert beispielsweise 0.5 bedeutet dies, dass die Hälfte des Niederschlags oberlächig abfließt. Hierdurch kann also eine gewichtete Eingabe erfolgen. Soll keine Modifikation der Ganglinie erfolgen, muss das Abflussbeiwertsraster überall die Zahl 1 enthalten. Es sollten keine negativen Werte im Raster enthalten sein.

Bemerkung

Am Rand des Gebiets kann es zum Aufstau des Oberflächenabflusses kommen. Dort wo das Digitale Geländemodell NoData hat, wird ein Fließhindernis simuliert. Daher wird empfohlen entweder das Simulationsgebiet großzügig zu wählen, oder einen Graben um das Geländemodell einzufügen (z.B. mit einer Tiefe von -999 - siehe auch die Datei dtm.tif in den Demodaten).

Beregnungsganglinie

Die Gangliniendateien kann extern mit einem beliebigen Editor erzeugt werden und muss im Textformat mit der Dateiendung „.txt“ vorliegen. Die Dateien müssen dem folgenden Format entsprechen:

Die erste Zeile ist auskommentiert (´#´) und enthält die Spaltennamen. In der ersten Spalte wird die Zeit in Stunden angegeben. Der Zeitraum muss mindestens der Simulationsdauer entsprechen. Es kommt zu Anmerkungn, wenn beispielsweise 3 Stunden simuliert wird, die Zeit aber nur bis 2 Stunden geht. Die zweite Spalte enthält die Niederschlagsganglinie in der Einheit mm/h (alternativ in m ³/s ). Die Niederschlagsmenge wird für jedes Zeitintervall angegeben (als positive Zahl). Zwischen den angegebenen Zeitschritten wird linear interpoliert.

Für die Volumenbilanz ist es wichtig, dass der Hydrograph eine ausreichende Menge an Niederschlag enthält. Wir verwenden das Bild eines Eimers, der von FloodArea mit dem Niederschlag ims Hydrographen gefüllt wird. Dieser Eimer mit Wasser wird nur in das System (die Ausgaberaster) gegossen, wenn 1 mm im Hydrographen erreicht ist. Dies ist numerisch notwendig, insbesondere um volumengetreu zwischen den Iterationsschritten zu arbeiten und gleichzeitig eine realistische Strömungsfeldausbreitung zu ermöglichen. Wenn der Hydrograph immer nur eine 1 (also 1 mm/h) für jeden Zeitschritt enthält, wird der Schwellenwert von 1 mm nur alle 60 Minuten erreicht und daher der „Eimer“ nur einmal pro Simulationsstunde in das Ausgangsraster gekippt.

Umrechnung zwischen m ³ /s und mm/h:

In vielem entsprechen sich die beiden Ganglinienoptionen (d.h. punktuelle Einspeisung bzw. Beregnung). Gibt man bei der flächigen Einspeisung einen Rasterlayer mit nur einer einzelnen Rasterzelle an, ergeben sich die identischen Ergebnisse wie bei einer punktuellen Eingabe an dieser Koordinate. Jedoch müssen dazu die Einheiten der Ganglinie in mm/h umgerechnet werden. Zu beachten ist, dass die Umrechnungsfaktoren von der Rasterweite abhängig sind, die Einspeisung der in der Ganglinie angegebenen Menge erfolgt pro Rasterzelle. Hier einige ausgewählte Werte:

Dem Zufluss von 1 m ³ /s entspricht dabei den folgenden Intensitäten:

Diese Umrechnung erfolgt automatisch, wenn der Schalter Zuflussmenge in m ³/s aktiv ist. Bei der Einspeisung in m ³/s wird die in der Gangliniendatei angegebene Wassermenge auf alle Rasterzellen des Beregnungsflächen-Rasters verteilt. Zellwerte in diesem Raster werden als Gewichtung verwendet, die Gesamtmenge des zugeführten Wassers wird jedoch nicht modifiziert.

Abflussbeiwert zeitlich verändern

Abflussbeiwerte verändern sich über die Zeit während eines Niederschlagereignisses. Um dies abzubilden, können mehrere (beliebig viele) Abflussbeiwertsraster nacheinander in die Simulation geladen werden.

Der zeitliche Austausch der Abflussbeiwertsraster wird in einer Textdatei definiert. Diese kann extern mit einem beliebigen Editor erzeugt werden und muss im Textformat mit der Dateiendung „.txt“ vorliegen. Die Dateien muss dem folgenden Format entsprechen:

Die erste Zeile ist auskommentiert (´#´) und enthält die Spaltennamen. In der ersten Spalte wird die Zeit in Sekunden angegeben (Achtung: bei den meisten anderen Dateien sind es Stunden). Die zweite Spalte enthält die Pfade zu den Abflussbeiwertsrastern. Da das erste Abflussbeiwertsraster direkt angegeben wird, werden hier nur die darauf folgenden Abflussbeiwertsraster angegeben.

Niederschlag räumlich variieren

Um inhomogenen Gebietsniederschlag zu simulieren, können mehrere Ganglinien in die Simulation eingespeist werden. Sollen also anhand gesammelter Daten mehrerer Niederschlagsmessstationen ein reales Regenereignis nachsimuliert werden, ist dies so einfach zu realisieren.

Dazu wird ein Raster zur räumlichen Unterteilung des Beregnungsgebiets, sowie mehrere Ganglinien in der Gangliniendatei benötigt. Das Raster zur räumlichen Unterteilung des Gebiets enthält nur die ID der Ganglinie, mit ganzen Zahlen ohne Vorzeichen.

Die Ganglinien werden analog zu der ersten Ganglinie angegeben und in die darauf folgenden Spalten geschrieben. Die Reihenfolge der Ganglinien muss mit der Reihenfolge der ID’s im Raster übereinstimmen, da nicht die ID’s selber, sondern nur die Reihenfolge eingelesen wird.

Die ID’s im Unterteilungsraster und in der Ganglinien-Textdatei müssen identisch sein, mit 1 beginnen und aufeinander folgen (1, 2, 3, …).

Folgen die Zahlen nicht aufeinander, kommt die Anmerkungmeldung Exit-Code [-602]; Subarea rainfall index is out of range. Wenn die räumlich unterschiedliche Beregnung aktiviert wird, in der Gangliniendatei jedoch nur eine Ganglinie eingetragen ist, wird keine Anmerkungmeldung ausgegeben. Überall dort, wo keine Subarea-ID definiert ist im Raster, wird die erste Ganglinie im Hydrograph verwendet (solange es dort einen Abflussbeiwert gibt).

Testdaten Beregnung

Die Testdaten für diese Option sind folgende:

• DischargeIndex_Abflussbeiwert.tif (4 Raster)

• RainstormSubdomains_BeregnungsTeilgebiete.tif

• RainfallHydrograph_Beregnungsganglinie.txt

• RainfallHydrographSubareas_BeregnungsganglinieTeilgebiete.txt

• RainfallSwitchTimes_BeregnungWechselzeitpunkte.txt