Das Geographische Informationssystem als Werkzeug für wasserwirtschaftliche Planungsaufgaben

Untersuchungen zur Koppelung mit 2d-Abflußmodellierungen am Beispiel der Rahmenuntersuchung Salzach

»Kurzfassung«

Innsbrucker Geographische Studien Band 30


Das Geographische Informationssystem (GIS) hat sich zu einem wichtigen Instrument der wasserwirtschaftlichen Planung entwickelt. Seine Rolle als Werkzeug zur Eingabe, Verwaltung, Analyse und Darstellung großer Mengen räumlicher Daten wird durch die Koppelung mit mathematischen Modellen erheblich erweitert. Im Rahmen dieser Arbeit werden die Schwerpunktthemen des GIS-Einsatzes in Verbindung mit Digitalen Geländemodellen (DGM) als Planungsgrundlage sowie mit einem instationären hydraulischen zweidimensionalen Abflußmodell als Planungsinstrument am konkreten Beispiel der Wasserwirtschaftlichen Rahmenuntersuchung Salzach untersucht.

Bei der Wasserwirtschaftlichen Rahmenuntersuchung Salzach wurde das Geographische Informationssystem ARC/INFO eingesetzt. ARC/INFO ist aufgrund seiner integrierten DGM-Subroutinen gut zur Verwaltung Digitaler Geländemodelle und der Ableitung von DGM-Folgeprodukten wie der Bestimmung von Geländeprofilen, Höhenschichten, Hangneigungen und Exposition, der Volumenberechnung und vielem mehr geeignet. So ist beispielsweise die Ableitung von Eingangsdaten für mathematische Modellierungen effizient möglich. Bei Planungsmaßnahmen an der Salzach stellte sich insbesondere die Volumenberechnung im Flußbau mittels GIS als wertvolle Hilfe für flußmorphologische Bilanzierungen heraus.

Im Gegensatz zur Verwaltung eines DGM erweisen sich DGM-Bearbeitungen mit Hilfe eines GIS aufgrund seiner im Vergleich zu reinen DGM-Programmen anders gelagerten Schwerpunkte als problematisch. In der vorliegenden Arbeit werden am Beispiel der Glättung von Bachlängsprofilen Methoden einer kombinierten DGM-Bearbeitung im GIS ARC/INFO und im Tabellenkalkulationsprogramm EXCEL aufgezeigt. Für die Abflußmodellierung sollten Fließgewässerlinien nicht durch plötzliche Erhöhungen unterbrochen sein, wie sie im Rahmen der Meßungenauigkeit oder bei Rasteraggregierungen der Meßdaten vorkommen können. ARC/INFO verfügt - wie die meisten GIS - nicht über die Möglichkeit einer dreidimensionalen Vektordatenhaltung, die eine Korrektur von Einzelpunkten einer Bruchlinie ermöglichen würde. Die flächenhaften Korrekturmöglichkeiten von ARC/INFO genügen dem Anspruch der Erzeugung stetig fallender Gewässerlinien nicht, ohne die gesamten Geländehöhen der Umgebung erheblich zu verändern. Zur Lösung des Problems wurde eine kombinierte DGM-Bearbeitung aus der Glättung von Raumkurven mit Hilfe des Programms EXCEL und dem Wiedereinbau in ein DGM-Raster im ARC/INFO-Modul GRID entwickelt.

Die Möglichkeiten des GIS-Einsatzes bei der Abflußmodellierung werden am Beispiel der Koppelung von ARC/INFO mit dem 2d-Abflußsimulationsmodell FLOODSIM dargestellt. FLOODSIM ist ein an der Universität der Bundeswehr München entwickeltes Simulationsmodell zur Berechnung von tiefengemittelten instationären Strömungen in Flüssen und deren Vorländern, insbesondere geeignet für Hochwasser- und Dammbruchsituationen. Die Koppelung besteht aus der Entwicklung von Methoden zur GIS-basierten effizienten

  • Datenaufbereitung für die Modellierung (Preprocessing),
  • Präsentation (Darstellung) von Modellierungsergebnissen (Postprocessing),
  • Analyse der Modellierungsergebnisse,
  • Erstellung von Berechnungsnetzen für die 2d-Modellierung.
D ie Darstellung von Simulationsergebnissen eines 2d-Abflußmodells im GIS ARC/INFO kann in Form von flächenhaften Abbildungen der Überflutungsflächen, Wassertiefen, der Überflutungsdauer oder von Schubspannungsparametern erfolgen. An den Berechnungsknoten lassen sich Strömungsvektoren nach Geschwindigkeit und Richtung abbilden. Ferner sind Profildarstellungen und tabellarische Ausgaben möglich. Ein interaktives Demonstrationsprogramm wurde entwickelt, um die Simulationsergebnisse anschaulich am Bildschirm präsentieren zu können.

Die Analysemöglichkeiten der Ergebnisse erstrecken sich von einfachen bis hin zu komplexeren Analysen. Unter einfachen Analysen werden z.B. die Erstellung von Bilanzen der Überflutungsflächen, der Retentionsvolumina und der Überflutungsdauer bei diversen Planungszuständen verstanden. Weiterhin sind Profildarstellungen des Geländes einschließlich der simulierten Hochwasserstände oder die Ermittlung von Wasserstandsganglinien an beliebigen Punkten im Gelände möglich.

Komplexere Analysen setzen Berechnungen im GIS, unter Umständen mit speziell entwickelten Routinen (aml-Programmen), voraus. Aufgezeigt werden hydrologische, flußmorphologische und ökologische Analysen sowie ein Vergleich von Ergebnissen der 2d-Modellierung mit der 1d-Modellierung. Im Rahmen der hydrologischen Analysen wurde ein Programm entwickelt, mit dessen Hilfe an beliebigen Querschnitten im Berechnungsgebiet der Durchfluß ermittelt werden kann. Die flußmorphologischen Analysen befassen sich mit der GIS-internen Berechnung von Schubspannungsparametern aus Simulationsergebnissen zur Beurteilung der Sohlbelastung und Erosionsgefährdung im Fluß und in den Vorländern bei Hochwasserereignissen. Unter dem Stichwort ökologische Analysen wird untersucht, ob sich die mit dem 2d-Modell ermittelten Überflutungshäufigkeiten in den Auen in Verbindung mit dem räumlichen Vorkommen bestimmter Vegetationsgesellschaften, hier der Frühjahrsgeophyten, setzen lassen. Durch Flächenverschneidung konnte ein statistischer Zusammenhang zwischen dem Vorkommen verschiedener Pflanzenarten und der Überflutungshäufigkeit nachgewiesen werden.

Weiterhin werden Berechnungsergebnisse von 1d- und 2d-Simulationen miteinander verglichen. Die eindimensionale Abflußmodellierung beruht auf der Berechnung von Fließgeschwindigkeit und Wasserstand, die jeweils über ein gesamtes Talquerprofil gemittelt sind. Mit GIS-Methoden können die so berechneten Wasserstände an den Profilen auf die Fläche interpoliert und mit einem DGM verschnitten werden, um Überschwemmungsgrenzen zu bestimmen. Da bei der 1d-Modellierung zum einen sämtliche Querkomponenten der Fließbewegung und der Wasserstandsentwicklung unberücksichtigt bleiben und zum anderen mit geringer räumlicher Auflösung - an der Salzach 200 m Profilabstand - gearbeitet wird, werden an der Salzach mit ihren morphologisch stark differenzierten Vorländern und komplexen Strömungsbedingungen erhebliche Differenzen zwischen den Modellierungsergebnissen festgestellt.

Im letzten Abschnitt wird untersucht, wie sich das GIS ARC/INFO zur Generierung eines Berechnungsnetzes für 2d-Modelle einsetzen läßt. Es konnte ein Programm konzipiert werden, mit dem halbautomatisch unter Einhaltung grundlegender Netzeigenschaften ein Berechnungsnetz aus kombinierten Vierecks- und Dreieckselementen erstellt werden kann. Während andere Gittergenerierungsprogramme auf der Interpolation von Vierecks- oder Dreiecksnetzen aufgrund der Vorgabe bestimmter Interpolationsränder beruhen, besteht das Konzept des entwickelten GIS-basierten Netzgenerierungsprogramms GISNETZ auf der Konstruktion von sich kreuzenden Gitterlinien, die erst nachträglich an den Kreuzungspunkten zu Knoten eines Vierecksnetzes transformiert werden. In einem weiteren Schnitt kann das Netz an hydraulisch relevante morphologische Strukturen angepaßt werden, indem die Knoten automatisch auf im Hintergrund liegende Strukturen verschoben werden. Hierbei können benachbarte Knoten zusammenspringen, wodurch Dreieckselemente entstehen. Weiterhin wurden Tools zur Netzkontrolle und zur Aufbereitung für die 2d-Abflußsimulation entwickelt. Besonders hervorzuheben sind die Vorteile der Netzbelegung mit Geländehöhen und Rauheitsbeiwerten, die mit GIS-Routinen effektiv vorgenommen werden kann.

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