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.
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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
Zielsetzung & Themen
Die Studie zielt darauf ab, den Wasserhaushalt und das Abflussverhalten zweier geografisch und klimatologisch unterschiedlicher Einzugsgebiete (Deadhorse Creek, USA und Bröl, Deutschland) mithilfe eines hydrologischen Simulationsmodells (PRMS) zu charakterisieren. Dabei wird untersucht, wie Geografische Informationssysteme (GIS) zur effizienten Parametrisierung und Unterteilung der Einzugsgebiete in hydrologisch reagierende Einheiten (HRU) eingesetzt werden können.
- Hydrologische Modellierung mit dem Precipitation-Runoff Modeling System (PRMS).
- Integration von Geografischen Informationssystemen (GIS) in den hydrologischen Modellierungsprozess.
- Vergleichende Analyse der Abflussdynamik und Wasserbilanz.
- Untersuchung der Sensitivität von Modellparametern bei unterschiedlichen Einzugsgebietsgrößen.
- Einfluss von Landnutzungsänderungen (Holzeinschlag) auf das Abflussverhalten.
Auszug aus dem Buch
Die Modellierung in der Hydrologie
Der Einsatz von Modellen innerhalb der Hydrologie und Wasserwirtschaft wird immer mehr erforderlich, da traditionelle Methoden zur Beurteilung hydrologischer und wasserwirtschaftlicher Maßnahmen nicht mehr ausreichen (DVWK, 1987; MAIDMENT, 1991). Zum einen sind die Arbeitsbereiche innerhalb der Wassermengen und -gütewirtschaft und des Wasserbaus komplexer geworden. Zum anderen haben die Auswirkungen anthropogener Einflüsse auf verschiedene Komponenten des Wasserkreislaufs gezeigt, daß grundlegende Kenntnisse des hydrologischen Prozeßgefüges vorhanden sein müssen (BRETSCHNEIDER et al., 1982).
Betrachtet man die hydrologische Modellierung als eine mathematische Formulierung des Wasserflußes auf und unter der Landoberfläche, so wird die Modellierung hydrologischer Prozesse seit mehr als 150 Jahren betrieben. Bereits im Jahre 1856 erstellte der französische Naturwissenschaftler DARCY seine fundamentalen Gleichungen über das Fließen von Grundwasser. In seinen Aufsätzen beschreibt er Laborversuche, mit denen er die Versorgung der Stadt Dijon mit Grundwasser zu simulieren versuchte (FREEZE et al., 1979).
Die erste Gleichung, die den instationären Abfluß von Wasser in offenen Gerinnen beschreibt, wurde mit der St. Venant-Gleichung im Jahre 1871 verwirklicht (CHOW et al., 1988). In den darauffolgenden Dekaden folgte die mathematische Formulierung des stationären Fließens im Vorfluter. Der Transport von Verunreinigungen in natürlichem Wasser wurde nicht vor den 50er Jahren aufgegriffen und beschrieben (THOMANN & MUELLER, 1987).
Die ersten hydrologischen Computermodelle finden sich in der Literatur Mitte der 60er Jahre aus US-amerikanischen Veröffentlichungen. Diese Untersuchungen betreffen Oberflächenwasser und Sedimenttransport, später dann in den 70er Jahren werden die Bereiche Grundwasser und qualitative Aspekte des Oberflächenwassers beschrieben.
Zusammenfassung der Kapitel
1 Vorwort: Danksagung und Vorstellung des Rahmens der Arbeit innerhalb des DFG-Sonderforschungsbereichs.
2 Einleitung und Problemstellung: Begründung der hydrologischen Modellierung angesichts zunehmender Wasserknappheit und Vorstellung der Forschungsziele für die Einzugsgebiete Deadhorse Creek und Bröl.
3 Stand der Forschung: Historischer Rückblick auf die hydrologische Modellierung und Klassifizierung verschiedener Computermodelle.
4 Das Precipitation-Runoff Modeling System (PRMS): Detaillierte Beschreibung der theoretischen Entwicklung, der Modulstruktur und der mathematischen Grundlagen von PRMS.
5 Das Datenbanksystem ANNIE: Erläuterung der Funktionen zur Verwaltung und Analyse meteorologischer Eingabedaten für PRMS.
6 Untersuchte Einzugsgebiete: Beschreibung der physiographischen Bedingungen und der hydrologischen Besonderheiten der Testgebiete.
7 Ergebnisse: Dokumentation der GIS-gestützten Modellierung, Kalibrierung, Validierung und Vergleich der Ergebnisse.
8 Abschließende Diskussion: Evaluierung der GIS-Methodik und Bewertung der Modellgüte für beide Einzugsgebiete.
9 Zusammenfassung/Summary: Zusammenfassende Darstellung der wichtigsten Ergebnisse der Dissertation.
Schlüsselwörter
Hydrologische Modellierung, PRMS, Precipitation-Runoff Modeling System, Geographische Informationssysteme, GIS, Wasserhaushalt, Einzugsgebietsmodellierung, Hydrological Response Units, HRU, Bodenfeuchte, Evapotranspiration, Kalibrierung, Validierung, Deadhorse Creek, Bröl.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in der Arbeit grundsätzlich?
Die Arbeit untersucht die Anwendung des hydrologischen Modells PRMS auf zwei unterschiedliche Einzugsgebiete unter Nutzung von GIS zur besseren räumlichen Parametrisierung.
Was sind die zentralen Themenfelder?
Die Themen umfassen hydrologische Computersimulation, GIS-Technologien in der Geowissenschaft, Wasserbilanzierung und die Analyse von Abflussprozessen.
Was ist das primäre Ziel der Arbeit?
Das Hauptziel ist die Charakterisierung des Abflussgeschehens und der Wasserhaushalte von Deadhorse Creek und Bröl mittels PRMS und GIS, um Rückschlüsse auf die Modellanwendbarkeit und Regionalisierung zu ziehen.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Es wird eine deterministische, verteilte und modulare Modellierung (PRMS) angewendet, ergänzt durch die GIS-gestützte Einteilung in "Hydrological Response Units" (HRU).
Was wird im Hauptteil behandelt?
Der Hauptteil behandelt die Modellstruktur von PRMS, die GIS-basierte Einzugsgebietsanalyse, die Kalibrierung und Validierung der Modellparameter sowie die spezifische Simulation von Landnutzungsänderungen.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Die Arbeit ist durch Begriffe wie Hydrologische Modellierung, PRMS, GIS, HRU, Abflussdynamik und Wasserbilanz charakterisiert.
Wie beeinflusst der Holzeinschlag das Modell im Deadhorse Creek?
Der Holzeinschlag wird durch die Definition eines neuen HRU (Nummer 10) mit angepassten Parametern zur Vegetationsdichte und Landnutzung in das Modell integriert.
Warum unterscheiden sich die Ergebnisse bei unterschiedlicher HRU-Einteilung im Bröl-Einzugsgebiet?
Die HRU-Einteilung basiert auf Relief- und Bodeneigenschaften; die Wahl des primären Faktors (Hangneigung vs. Hangrichtung) beeinflusst die hydrologische Differenzierung des Raumes und somit die Modellgüte.
- Quote paper
- Thomas Lüllwitz, Dr. (Author), 1993, Vergleichende Hydrologische Modellierung mit dem Modell PRMS unter Anwendung von Geographischen Informationssystemen, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/5957
