1 Anwendungsbereich
Beschrieben wird ein Verfahren, mit dem auf einfache Art und Weise weitgehend automatisiert Abflusskaskaden und Kaskadensegmente ausgegrenzt werden können. Nutzt man diese für die Beschreibung der Konzentration des Landoberflächenabflusses zum Vorfluter, kann dieser Prozess wesentlich fundierter beschrieben werden als über eine teileinzugsgebietsbezogene Modellierung.
Voraussetzung für eine sinnvolle Anwendung der nachfolgend beschriebenen Methodik sind EFLs in Rasterform.
Die Erstellung der Kaskadensegmente erfolgt in 2 Arbeitsschritten:
Im ersten Arbeitsschritt ordnet man die Elementarflächen den Gewässerabschnitten zu, in die sie entwässern. Dabei entstehen Zwischengebiete. Unterteilt man nun diese Einzugsgebiete von Gewässerwässerabschnitten in einen von rechts und einen von links zufließenden Teil, so ergeben sich Abflusskaskaden. Für diese Zuordnung existiert ein ArcView-Tool (pos2poly.avx), das für jede Elementarfläche den nächst liegenden Gewässerabschnitt sucht, die Entfernung zu diesem und die ID des Gewässerschnittes in den Attributen Weg2FGW [m] und NextFgw im ElementarflächenCover speichert. Voraussetzungen für die Abarbeitung dieses Tools sind:
– das Fließgewässerthema ist das erste und das EFL-Thema das zweite aktive Thema im aktiven View,
– beide Themen haben über das Attribut TGID (exakt dieser Name!) eine Zuordnung zu einem Einzugsgebiet.
Mit letzterer Restriktion wird sichergestellt, dass die EFLs nur einem Gewässerabschnitt zugeordnet werden, der im selben Einzugsgebiet liegt. Damit wird ein bisschen die Einschränkung ausgeglichen, die sich aus der Zuordnung gemäß Luftlinienentfernung ergibt.
Neben der Zuordnung zu einem Gewässerabschnitt ermittelt das ArcView-Tool auch die relative Lage der Elementarfläche zum Gewässerabschnitt und speichert diese Information im Attribut SEITE (1 für rechts und 2 für links). Das Ergebnis dieser Analyse zeigt Abbildung 1.
Abbildung 1: Einzugsgebiete der Gewässerabschnitte (oben) und Abflusskaskaden über die Seitenzuordnung rechts / links
Im zweiten Arbeitsschritt werden unter Nutzung der ermittelten Fließwege die Fließzeiten für den Landoberflächenabfluss von den EFLs zu den Vorflutern ermittelt. Dazu kann ein kleines Hilfsprogramm IsoChrone verwendet werden, das ArcEGMO startet, wenn KASKADEN als Raumgliederung in der arc_egmo.ste angegeben sind, die entsprechenden Geometrien in der kas.sdf aber nicht gefunden werden. Erreicht wird dies durch das Auskommentieren der Eintrages KASEG_PAT.
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####### Steuer-Datei fuer die KaskadenSegmente ######
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###### Attribut-Tabellen ###########################
TESTDRUCK
*KASEG_PAT ASCII kaseg.txt
…
Abbildung 2: Auszug aus der kas.sdf
Das Programm IsoChrone greift nun auf die EFL.sdf zu und liest sich hier die Attribute aus, über die den Fließweg zum Vorfluter und den zugeordneten Gewässerabschnitt für jede Elementarfläche beinhalten.
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####### Steuer-Datei fuer die Elementarflaechen Saale ###
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###### Attribut-Tabelle ##################################
TESTDRUCK
EFL_PAT DBASE efl26.dbf
…
NaechsterVorfluter NextFgw
EntfernungZumVorfluter Weg2Fgw
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Abbildung 3: Auszug aus der efl.sdf
Sind diese Attribute nicht vorhanden, weil z.B. das ArcView-Tool (xxx.avx) nicht zur Verfügung stand, so wird diese Zuordnung programmintern durchgeführt, wobei entweder der Fließweg zum Schwerpunkt des Arcs oder wenn dieser nicht angegeben ist, zum unteren Knoten ermittelt wird.
Mit diesem Fließweg und der sich aus den lokalen Flächeneigenschaften ergebenden Fließgeschwindigkeit kann eine Fließzeit für den auf jeder EFL ermittelten Landoberflächenabflusses ermittelt werden. Verwendet wird der Ansatz der kinematischen Welle, in den die Rauhigkeit und das Gefälle der betrachteten EFL eingehen. Es wird also nicht eine mittlere Rauhigkeit oder ein mittleres Gefälle für den Fließweg bestimmt. Dies ist neben der schon beschriebenen Verwendung der Luftlinienentfernung die zweite große Einschränkung dieser Vorgehensweise.
Die sich ergebenden Fließzeiten werden in Klassen eingeteilt, die sich als Vielfache des Simulationszeitschrittes ergeben. Fasst man dann die Flächen gleicher Fließzeit(klasse) zusammen, erhält man die so genannten Isochronen.
Die Ergebnisse von IsoChrone werden im Parameterverzeichnis des aktuellen Ergebnisses in die Datei EFL_Isochrone.txt geschrieben.
Tabelle 1: Auszug aus der EFL_ Isochronen.txt
| Efl_ID | Rauh | L | Gef | peff | Tc | v | IsoChr |
| 1 | 0.225 | 9897.3 | 0.4063 | 20 | 1110.862 | 0.148 | 75 |
| 2 | 0.225 | 9896.4 | 0.2833 | 20 | 1237.702 | 0.133 | 83 |
| 3 | 0.225 | 9895.6 | 0.2367 | 20 | 1306.196 | 0.126 | 88 |
| 4 | 0.225 | 9894.8 | 0.1605 | 20 | 1467.59 | 0.112 | 98 |
| 5 | 0.225 | 9894.1 | 0.1168 | 20 | 1614.342 | 0.102 | 108 |
| 6 | 0.225 | 9893.4 | 0.0389 | 20 | 2245.053 | 0.073 | 150 |
| 7 | 0.225 | 9892.9 | 0.0389 | 20 | 2244.975 | 0.073 | 150 |
| 8 | 0.225 | 9892.3 | 0.055 | 20 | 2023.366 | 0.081 | 135 |
Die Tabelle muss für die weitere Bearbeitung nun wieder unter ArcView an die EFLs gebunden werden. Die folgende Abbildung zeigt eine daraus erstellte Visualisierung der Fließzeiten.
Abbildung 4: Fließzeiten zum Vorfluter
Die gesuchten Kaskadensegmente ergeben sich nun aus der Kombination der Abflusskaskaden und der Isochronen. Sie werden generiert, indem z.B. mit den XTools (Tabellenfunktion -à summarize multiple fields, dabei Isochronennummer, FGW-Zuordnung und Seite angeben) alle Kombinationen dieser 3 Attribute ermittelt werden. Die XTools schreiben diese Kombinationen gemeinsam mit den Werten der Ausgangsattribute und einer eindeutigen KaskadensegmentNummer (KASID) in eine DBase-Tabelle sum.dbf und hängen auf Wunsch diese Kaskadenzuordnung als weiteres Attribut an die EFL-Datei. Die folgende Abbildung zeigt die sich ergebenden Kaskadensegmente als Geometrien, die entstehen, wenn man über geeignete GIS-Operationen (merge) die EFLs entsprechend ihrer Kaskadenzuordnung zusammenfasst. Dieser Schritt ist aber nicht notwendig, u.U. sogar hinderlich, weil es durchaus sein kann, dass Kaskadensegmente aus mehreren Polygonen bestehen, was die Nutzung unter ArcEGMO nicht unterstützt, da pro Geometrie nur genau eine Zeile in der Attributtabelle ausgewertet wird.
Abbildung 5: Auszug aus der sum.dbf
Deshalb wird es als sinnvoller erachtet, nur die Ergebnistabelle sum.dbf weiter zu betrachten.
Tabelle 2: Auszug aus der sum.dbf
| NEXTFGW | IsoChr | SEITE | COUNT | KASID |
| 737 | 1 | 1 | 5 | 2497 |
| 737 | 2 | 1 | 16 | 2498 |
| 737 | 3 | 1 | 20 | 2507 |
| 737 | 4 | 1 | 25 | 2518 |
| 737 | 5 | 1 | 23 | 2526 |
| 737 | 6 | 1 | 25 | 2548 |
| 737 | 7 | 1 | 15 | 2559 |
| 737 | 8 | 1 | 8 | 2570 |
| 737 | 9 | 1 | 2 | 2582 |
| 737 | 1 | 2 | 7 | 2495 |
Diese Tabelle entspricht schon weitgehend dem angestrebten Ziel dieser Bearbeitung, einer Tabelle, die Kaskadensegmente als Raumgliederungsebene für die Modellierung beschreibt.
Eine letzte Bearbeitung ist abschließend unter Excel durchzuführen. Hier ist einmal das Attribut AREA (Produkt aus Rasterzellgröße EFL-Anzahl Count) anzulegen. Außerdem ist für die spätere Ableitung der Unterlieger in ArcEGMO hier eine Sortierung durchzuführen, die garantiert, dass alle Segmente (Isochronen) einer Kaskade nacheinander und in aufsteigender Folge angeordnet sind.
Abbildung 6: Sortierung unter Excel
Anschließend muss noch die Rangfolge (Kas_rang) festgelegt werden. Die Rangfolge muss für jedem FGW und jede Seite mit 1 beginnen und stetig ansteigen. Sie wird für die Zuordnung der Unterliegenden Kaskade benötigt. An dieser Stelle kann auch die Isochrone verwendet werden, dabei muss aber gewährleistet sein, dass für jeden Gewässerabschnitt und jede Seite eine Isochrone von 1 vorhanden ist, anderenfalls endet die Rechnung mit der Fehlerausschrift:
„Error 44: falsche Zuordnung `fehlerhafte Kaskadendatei, ohne Angabe des Unterliegers ist aufsteigende Numerierung zwingend erforderlich!!!’
Abbildung 7: Festlegung der Rangabfolge der Kaskaden
Diese sortierte Tabelle kann dann als Ascii-Datei im Verzeichnis GIS\ASCII.PAT abgelegt werden.
Die folgende Abbildung demonstriert, wie über die kas.sdf der Zugriff auf die Kaskadensegmente organisiert wird.
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####### Steuer-Datei fuer die KaskadenSegmente ########################
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###### Attribut-Tabellen ###########################################
TESTDRUCK
*KASEG_PAT ASCII kaseg.txt
KASEG_FLAECHE AREA
KASEG_IDENTIFIKATION KASID
KASEG_Rang Kas_Rang /*ISOCHR nur wenn diese jeweils mit1 beginnt*/
*UNTERLIEGER_KASEG ULIEGER /* bezieht sich auf KASEG_ID */
*TG_ZUORDNUNG TG-ID
FGW_ZUORDNUNG FgwID
FGW_SEITE Seite /* 0 Links, 1 Rechts oder 2 oben */
*X_WERT_KASEG X-COORD
*Y_WERT_KASEG Y-COORD
*MITTLERE_HOEHE HOEHE
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Abbildung 8: Auszug aus der kas.sdf
2 Weiterführende Literatur
Dooge, J.C. (1985): Hydrological Modelling and the Parametric Formulation of Hydrological Processes on a Large Scale. WCP- Publ. Ser. No. 96, WMO/TD-No. 43, Geneva
Gupta, V.; Sinclair,P. (1976) : Time of concentration of overland flow; Journal of Hydraulics Division, ASCE, Jg. 102, HY 4
Preißler, G. (1978) : Grundlagen der Hydraulik für Bauingenieure. 2. Lehrbrief für das Hochschulstudium, VEB Verlag Technik Berlin
Ross, B.; Contractor, D.; Shanholth, V. (1979) : A finite-element model of overland and channel flow for assessing the hydrology impact of landuse change; Journal of Hydrology, Amsterdam Jg. 41 H 1 und 2
Willgoose, G.; Bras, R.F.; Rodriguez-Iturbe, I. (1991) : A coupled channel network growth and hillslope evolution model. Water Resources Research, Vol. 27, No 7, pp 1671 – 1684