Vergleichende Hydrologische Modellierung mit dem Modell PRMS unter Anwendung von Geographischen Informationssystemen

Inhaltsverzeichnis

1 Vorwort

2.1 Einleitung
2.2 Problemstellung
2.3 Zielsetzung und Methodik

3 Stand der Forschung
3.1 Die Modellierung in der Hydrologie
3.2 Die Anwendung von Geographischen Informationssystemen bei der hydrologischen Modellierung

4. Das Precipitation-Runoff Modeling System (PRMS)
4.1 Modellkonzeption und theoretische Entwicklung
4.2 Simulation der Evapotranspiration
4.3 Simulation der Bodenfeuchte
4.4 Simulation des Oberflächenab­fluß
4.5 Simulation des Interflows
4.6 Simulation des Grundwas­sers
4.7 Simulation von Schneeschmelzprozessen
4.8 Simulation des Gerinneabflußes

5 Das Datenbanksystem ANNIE

6 Untersuchte Einzugsgebiete
6.1 Physiographie des Deadhorse Creek Einzugsgebietes.­­
6.2 Physiographie des Bröl Einzugsgebi­etes
6.3 Vergleichende hydrologische Dynamik

7 Ergebnisse
7.1 Methodik und Anwendung der Geographischen Informations­systeme
7.1.1 Einsatz des GIS ARC/IN­FO
7.1.2 Einsatz des GIS SPANS
7.­1.3 Vergleich der angewendeten Geographischen Informationssysteme
7.2 Methodik der Modellsimulationen
7.2.1 Datenaufbereitung für ANNIE und PRMS
7.2.2 Initialisierung, Kalibrierung und Parameteraus­wahl
7.2.3 Optimierungsverfahren von Modellparametern
7.2.4 Modellvaliderung
7.2.5 Simulation des Abflußverhaltens vom Deadhorse Creek Ein­zugsgebiet
7.2.6 Simulation des Abflußverhaltens vom Bröl Einzugsgebiet

8 Abschließende Diskus­sion

9 Zusammenfassung/Summa­ry

10 Literatur

Anhang

1 Vorwort

Ziel der vorliegenden Untersuchung war es, mit Hilfe eines hydro­logi­schen Computersimulationsmodells unter Anwendung von Geogra­phischen Informa­tions­systemen den Wasserhaushalt und das Abfluß­geschehen im "Deadhorse Creek Einzugs­gebie­t", Colorado, USA, und des Bröl Einzugsgebie­tes, Rheini­sches Schie­fergebir­ge, zu simu­lieren. Die Studien hierfür wurden anfangs am College of Fore­stry and Natural Resour­ces der Colorado State Univer­sity, Fort

Col­lins, Colora­do, USA, durch­geführt und durch ein Fulbright-Stipen­dium getra­gen. Die Fort­führung der Untersuchung erfolgte im Rahmen des DFG-Sonder­for­schungs­berei­ches 350 " Wechselwirkungen kontinenta­ler Stoffsyste­me und ihre Modellierung" an der Univer­sität Bonn, Geogra­phische Institute, in der Abteilung für Geo- hy­drolo­gie.

Ich möchte ich mich hierbei bei Prof. Dr. F. M. Smith bedan­ken, der mir bei den Studien in Colorado als ständi­ger Berater zur Seite stand.

Mein besonderer Dank gilt Prof. Dr. W.- A. Flü­gel, Ab­teilung für Geohydrolo­gie der Universität Bonn, sowohl für die Über­nahme des Referates als auch für die ständige und tat­kräftige Unter­stützung sowie für die vielen nützlichen Diskus­sionen, die we­sent­lich zum Gelingen dieser Studie beitrugen. Als Koreferent der Arbeit darf ich mich bei Prof. Dr. Zakosek, In­stitut für Boden­kunde der Universität Bonn bedanken.

Mein Dank gilt auch Dr. G. H. Leavesley, U.S. Geological Survey für die großzügige Überlassung des Modells PRMS und Mrs. L. Stannard für die Unterstützung bei der Anwendung des Modells.

Dank gilt auch allen Mitarbeitern der Rocky Mountain Forest and Range Experiment Station des USDA Forest Services in Fort Col­lins, insbesondere Dr. Chuck Troendle und Dr. Todd Mowrer.

Allen Mitarbeitern der Abteilung Geohydrologie am Geographischen In­stitut, Universität Bonn, die am Gelingen der Untersuchung beitrugen, sei herzlich gedankt. Schließlich gilt mein Dank meiner Frau Barbara für ihre stetige Unter­stützung und Anteil­nahme bei der Erstellung dieser Unter­suchung.

2.1 Einleitung

Genaue Kenntnisse über den Wasserkreislauf auf der Landoberfläche sind nicht nur für wasserwirtschaftliche Planungen von großem Interesse, sondern auch für Fragen der Wassergüte aufgrund der immer mehr zuneh­men­den Beeinträchtigungen des Roh­stoffes Wasser. Der Verbrauch von Wasser für Landwirtschaft, Industrie und Haus­halt steigt ständig und wird für das Jahr 2000 auf 6 * 1012 m3 ansteigen (BAUMGARTNER & LIEB­SCHER, 1990). Die gesamte im hydros­phärischen Kreis­lauf der Erde zirku­lie­rende Was­ser­menge wird auf 1 380 000 * 1012 m3 geschätzt (HÖLTING, 1989). Davon ist jedoch nur ein Bruchteil, nämlich nur 1.94 % als Süß­wasser verfügbar (SCHWO­ERBEL, 1977).

Einen neuen bedeutenden Weg zur Erkennung und Beurteilung wichti­ger Prozesse des Wasserkreislaufes einer Landschaft bieten hydro­logische, wasser­wirtschaftliche Computer-Modelle. Computer-Simu­lierung von hydrologischen Prozessen mittels dafür entwi­kelter Modelle hat in den letzten Jahren einen beträchtlichen Auf­schw­ung erfahren und ist bedeu­tender Bestandteil innerhalb der Hydrolo­gie und Wasserwirtschaft gewor­den (DOOGE, 1973). Mit Hilfe von hydro­logi­schen Modellen ist es möglich, das Abflußgeschehen und den Wasserhaushalt einer Landschaft zu simulie­ren, ohne jedoch mit aufwendigen Messungen die gesam­ten Wasserflüsse be­stimmen zu müssen.

Ein Großteil der heute verwendeten Modelle verlangt Daten über die zu beschreibende Landschaft, die oft gleichzeitig Ein­gaben in die hydro­lo­gi­schen Modelle darstellen. In den letzten Jahren haben sich hierbei Geogra­phische Informa­tions­systeme (GIS) als äußerst nützlich erwie­sen, flächenhaft ver­teilte Daten einer Land­ober­fläche auf­zunehmen, zu ver­arbeiten und zu analysie­ren (MOORE et al., 1988; STUEBE et al., 1990; MAIDMENT, 1991).

Die ersten Kon­zeptio­nen von Geogra­phi­schen Informa­tions­systemen liegen bereits mehr als 20 Jahre zurück, doch hat erst die enorme Entwicklung der Computer­techno­lo­gie ihren endgültigen Durch­bruch innerhalb der Inge­nieur- und Geowis­sen­schaften ermöglicht

(GOOD­CHILD, 1992).

Die Verknüpfung eines hydrologischen Modells mit Geogra­phi­schen Infor­mationssystemen ist Bestandteil der vorliegenden Untersu­chung.

2.2 Problemstellung

Innerhalb der Hydrologie werden seit längerer Zeit hydrologische Simu­lationsmodelle mit den unterschiedlichsten Zielsetzungen eingesetzt (ASAE, 1988; NCGIA, 1991). Vergleichenden Untersuchun­gen bei der Anwen­dung eines Modells auf zwei unter­schied­lich große Ein­zugs­gebiete in Hoch- und Mittelgebirge sind nach meiner Kenntnis bisher noch nicht durchgeführt worden. Von zuneh­menden Interesse bei der Model­lie­rung hydrolo­gi­scher Prozeße ist es aber, Kenntnisse über Eigen­schaften und Sensitivi­tät einzelner Modellparameter zu erlangen. Da­durch wird es dem Anwend­er u.a. ermöglicht, das Verständnis und die Modellierung einzel­ner hydro­lo­gischer Proze­ße zu verbessern.

Die für die vorliegende Untersuchung ausgewählten Einzugsgebiete des Dead­horse Creek und der Bröl unterscheiden sich sowohl klima­tolo­gisch als auch in ihrer Größe. Sie stellen zudem ­Landschafts­räume dar, die vom Men­schen in unter­schied­lich­ster Weise genutzt wer­den. Bei Anwendung des­selben Modells auf die beiden Einzugs­gebie­te lassen sich dadurch Rück­schlüsse auf die Anwendbarkeit des Modells auf größenunter­schiedliche Untersuchungsgebiete gewinnen. Ebenso kann der Frage der Über­tragung (Regionali­sie­rung) der Ergebnisse auf andere Standorte nachgegangen werden.

Über die Anwendung und Verknüpfung eines hydrologischen Modells mit einem Geographi­schen Informa­tionssystem (GIS) gibt es einige Untersuchungen (HORD et al., 1976; HODGE et al., 1986; WELCH et al., 1989). Ziel dieser Untersuchun­gen war es eine Abgrenzung und Fest­setzung von hydro­logischen Teilge­bieten mit Hilfe des GIS zu durch­zuführen. In der vorlie­gen­den Unter­suchung wurde jedoch der Versuch unter­nommen, gleich­zeitig rele­vante Ein­gabepara­meter für das verwende­te Modell mit Hilfe des GIS zu bestimmen, die erst durch die GIS-Analy­se erfaßt werden konnten.

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