Was ist KOSTRA?
KOSTRA bedeutet Koordinierte Starkniederschlags-Regionalisierungs-Auswertung.Für KOSTRA-Niederschläge gibt es einen KOSTRA-Atlas, welcher vom DWD erstellt wird. Derzeit liegt KOSTRA-DWD-2000 vor, im Frühjahr 2015 soll KOSTRA-DWD-2010 bereitgestellt werden.
Für Niederschläge langer Dauerstufen von 12 Stunden bis 10 Tage gibt es REWANUS – Daten (Regionalisierte Extremwerte des Niederschlagsdargebotes aus Regen/Niederschlag und Schneeschmelze).
In Sachsen stellt die Landestalsperrenverwaltung des Freistaates Sachsen (LTV) Bemessungsniederschläge aus dem sogenannten STRASA – Atlas (Starkniederschlags-Regionalisierungs-Auswertung für Sachsen) bereit. Der STRASA-Atlas ist eine Weiterentwicklung des KOSTRA – Atlas für Sachsen.
Für KOSTRA-Niederschläge gibt es ein deutschlandweites KOSTRA-RASTER. Folgende Abbildung zeigt das KOSTRA-Raster für das Bundesland Sachsen-Anhalt / Modellgebiet Projekt Landesmodell Sachsen-Anhalt.
Für jede dieser Rasterzellen liegen die Niederschlagsummen für angegebene Dauerstufen und Jährlichkeiten vor. Die Dauerstufe (D) beschreibt wie lange der Niederschlag andauert, z.B. 5 min,10 min, 15 min, 1 Stunde, 3 Stunden, 10 Tage usw. Die Jährlichkeit (T) gibt an wie oft die angegebene Niederschlagssumme auftritt, z.B. aller 1, 2, 5, 10, 25, 50, 100, 200 Jahre.
Die Verfügbarkeit der Angaben, d. h. für welche Dauerstufen und Jährlichkeiten die Niederschlagsummen bereitgestellt werden, variert bei den Bearbeitungsgebieten und in den verschiedenen Bundesländern. Es kann nur die Angabe von T1 und T100 und D 5 min, 10 min, 15 min, 72 h erfolgen oder für alle Jährlichkeiten und alle Dauerstufen. Zudem gibt es auch in Sachsen Angaben von Grenzen mit 2 Werten je Dauerstufe und Jährlichkeit (obere und untere Grenze der Niederschlagsumme).
Ziel für eine KOSTRA-Simulation ist es, aus diesen Niederschlagssummen -> Niederschlagszeitreihen zu generieren. Hierbei kann die zeitliche Auflösung je nach Bearbeitungsgebiet 5 oder 15 Minuten betragen. Für die Erzeugung dieser Niederschlagszeitreihen steht das BAH interne Programm pi_gut.exe zur Verfügung.
KOSTRA – Simulation
Eine KOSTRA-Simulation ist eine Einzelereignisbetrachtung. Es werden statistische Einzelereignisse aus Niederschlagssummen für verschiedene Regendauern und Wiederkehrintervalle simuliert.
Dabei wird eine unzulässige Gleichsetzung der Wahrscheinlichkeiten für Bemessungsniederschlag u. Bemessungsabfluss z.B. T 100 -> HQ100 vorgenommen.
Die KOSTRA-Simulation liefert Bemessungsabfluss und Ganglinie, also den zeitlichen Verlauf der Welle und deren Scheitel (= Bemessungsabfluss) und Volumen. Die Vorfeuchte bzw. meteorologische Vorgeschichte wird nur bedingt berücksichtigt.
Abbildung: Sägezahnkurve und und maßgeblicher Niederschlag
Erzeugung und Aufbau von KOSTRA Niederschlagszeitreihen
Gemäß der DVWK-Empfehlung (DVWK, 1984) wird die Aufteilung der Niederschläge in 5 oder 15 Minutenintervalle empfohlen, wobei eine rechtsschiefe Verteilung angesetzt wird.
Zeitliche Verteilung des Niederschlages beim DVWK-Modellregen
Im neuen Arbeitsblatt DWA-A 531 „Starkregen in Abhängigkeit von Wiederkehrzeit und Dauer“ wird darauf hingewiesen, dass Varianten- und Proberechnungen mit verschiedenen Intensitätsverläufen sinnvoll sind. Analysen von SCHULTE, 2013 erbrachten, dass bei Starkregen die endbetonte (linksschief) und anfangsbetonte (rechtsschiefe) Verteilung etwa gleichwahrscheinlich sind (persönliche telefonische Mitteilung, Prof. Dr. Schumann, 08.10.2014).
Format Sachsen-Anhalt:
Für Sachsen-Anhalt liegt für das Projekt HYMO, welches mit dem Landesmodell rechnet, flächendeckend das KOSTRA-Raster vor.
Aus den Niederschlagssummen für alle angegebenen Dauerstufen und Wiederkehrintervalle werden Zeitreihen erzeugt.
Für die Erzeugung wird das Programm pi_gut.exe verwendet. Für die Anwendung in dieser Datenstruktur (-> es wird auf eine DBASE – Datei, welche im GIS – Verzeichnis liegen muss zugegriffen) muss das Programm in KOSTRA_HYMO.exe umbenannt werden. Danach kann aus dem Zeit.Dat\met_data\ – Verzeichnis die folgende Kostra_run.bat gestartet werden. Die Befehlszeile steht in der ersten Zeile der batch-Datei und die Erläuterungen folgen darunter.
KOSTRA_run.bat
| Kostra_HYMO.exe kostra_sel.dbf 0 5 0 rem Kostra_HYMO.exe ermittelt die kostrabasierten Klimareihen rem fuer die in einer DBASE-Tabelle angegebenen Raster. rem ——————————————————— rem Aufruf: Kostra_HYMO.exe <Datei> <Zeitraum> <DT> mit: rem rem Datei: Name der DBASE-Datei, welche drei Ebenen höher im rem GIS-Verzeichnis liegen muss rem rem Zeitraum: Laenge des Simulationszeitraumes pro Ereignis in [Tagen], rem bei Angabe 0 wird Dauerstufen.txt eingelesen rem rem DT: Laenge des Zeitschrittes in [Minuten], zulaessige Werte {5|15} rem Form der Verteilung: 0: rechtsschief oder default, 1: Blockniederschlag, 2: linksschief rem rem Wiederkehrintervalle.txt: wenn die Datei Wiederkehrintervalle.txt vorhanden ist, rem werden die Zeitreihen nur für die angegeben Wiederkehrintervalle erstellt rem ———————————————————- remgoto Ende:Ende |
dauerstufen.txt
| Dauerstufe[min] HW_Dauer[d] 5 3 10 3 15 3 20 3 60 3 90 3 180 3 1440 5 |
Wiederkehrintervalle.txt
| Wiederkehrintervalle[a] 2 5 10 20 25 50 100 |
Format T1_100:
Für die Betrachtung kleinerer Gebiete erstellt der DWD Gutachten für das entsprechende Gebiet. Es wird dann nur T1 und T100 für die entsprechenden Dauerstufen bereitgestellt.
Kostra_run.bat
| pi_gut.exe T1_100.PI 15 5 |
T1_100.PI
| D Einheit PI1 PI100 5 min 7.8 16.6 10 min 9.3 22.5 15 min 10.3 27.0 … 72 h 55.0 110.0 |
Format Schwarze Elster (Sachsen):
Für die Schwarze Elster in Sachsen sind nur für T 1 und T 100 und die Dauertstufen 15 min, 60 min, 12 h, 72 h ein unterer und oberer Wert der Niederschlagssumme angegeben. Die regelbasierte Erzeugung der Niederschlagszeitreihen erfolgt nach DWD, 2005. Die Datenbasis muss muss als Textdatei vorliegen. Dann kann die Batch-Datei Kostra_run.bat gestartet werden.
Kostra_run.bat
| rem inputfile Anzahl Tage pi_gut.exe kostra_dat.txt 15 15RNR RVL RVO GLA GBR UG15M001 OG15M001 UG15M100 OG15M100 UG60M001 OG60M001 UG60M100 OG60M100 UG12H001 OG12H001 UG12H100 OG12H100 UG72H001 OG72H001 UG72H100 OG72H100 |
STRASA-Atlas (Sachsen):
- Landestalsperrenverwaltung des Freistaates Sachsen (LTV) liefert Bemessungsniederschläge aus dem sog. STRASA (Starkniederschlags-Regionalisierungs-Auswertung für Sachsen) – Atlas bereitgestellt, der eine Weiterentwicklung des KOSTRA – Atlas für Sachsen ist.
- Die zeitliche Verteilung der Niederschläge wurde bis zum N100 gemäß DVWK-Regel, ab N200 gleich verteilt als Blockregen angesetzt. Für das zu ermittelnde seltene Hochwasserereignis (HQ extrem) werden die Niederschläge der Jährlichkeit 200 angesetzt.
flexibles Format:
Über Vorgabe einer dbf Datei mit der Spaltenkennung P = Dauerstufe und M = Wiederkehrintervall können sich beliebige Niederschlagszeitreihen mit einer der drei Niederschlagsverteilungen, analog dem Format für Sachsen-Anhalt, generiert werden.
Vorgabe einer Niederschlagsverteilung:
KOSTRA-HYMO wurde wie folgt ergänzt:
Das Programm muss HYMO heißen.
Dann kann als 3. Parameter (zur Kennzeichnung der zeitlichen PI-Verteilung) nun auch eine -1 übergeben werden.
Wenn -1, dann wird eine Datei „Zeitverteilung.txt“ eingelesen mit folgender Struktur:
zeitanteile wertsumme
0 0
0.48 8
1.42 18
2.3 36
3 58
3.18 71
5 82
6.42 89
7.3 92
8.18 95
10 100
Die Spaltenbezeichner in der erste Zeile sind fest vorgegeben und werden so erwartet..
Abgebildet mit den Werten in den einzelnen Zeilen wird die Summenlinie einer beliebigen, normierten Niederschlagsverteilung (im Beispiel Euler 2). Die Zeit- und die Wertanteile müssen kontinuierlich steigen, d.h. jeder Nachfolger muss größer sein als der aktuelle Wert. Die Zeitanteile können äquidistant oder nicht äquidistant sein. Sofern keine Normierung auf 1 vorliegt, werden die Endwerte jeder Spalte verwendet, um programmintern die Spaltenwerte auf den Bereich 0 bis 1 zu normieren.
Erzeugung aller Dauerstufen aus T1 und T100 – Dauerstufen (15 min, 60 min, 12 h, 72 h):
(funktioniert mit der pi_gut.exe ab 19.05.2016)
Bei Vorgabe einer Textdatei mit den oberen und unteren Grenzen für T1 und T100 und die Dauerstufen 15 min, 60, 12 h und 72 h können mit dem Programm pi_gut.exe die Niederschlagsummen für alle Wiederkehrintervalle und Dauerstufen erzeugt werden (die Formel für die Berechnung steht im Text weiter unten in dem Erläuterungstext „Das KOSTRA-Verfahren basiert auf folgendem Prinzip“).
In der Datei werden zu Beginn 5 Spalten erwartet, wobei die erste die ID enthalten muss. Nach den 5 Spalten folgen jeweils die unteren und oberen Grenzwerte für die Dauerstufen und Wiederkehrintervalle (siehe kostra_dat.txt).
Mit der batch-Datei (kostra.bat) wird das Programm pi_gut.exe aufgerufen. Die letzte Ziffer beim Programmaufruf gibt an, ob der Mittelwert oder der untere oder obere Grenzwert verwendet werden soll.
- 0 (Mittelwert)
- 1 (MIN=unterer Grenzwert)
- 2 (MAX=oberer Grenzwert)
kostra.bat
pi_gut.exe kostra_dat.txt 15 0 0
rem 5 Spalten werden erwartet, dann immer obere und untere Grenzwert
rem letzter Wert 0 (Mittelwert) 1 (MIN=unterer Grenzwert) oder 2 (MAX=oberer Grenzwert)
rem ID
rem SPALTE_2
rem SPALTE_3
rem SPALTE_4
rem SPALTE_5
rem iN15m001 xN15m001
rem iN15m100 xN15m100
rem iN60m001 xN60m001
rem iN60m100 xN60m100
rem iN12h001 xN12h001
rem iN12h100 xN12h100
rem iN72h001 xN72h001
rem iN72h100 xN72h100
kostra_dat.txt
| ID | SPALTE_2 | SPALTE_3 | SPALTE_4 | SPALTE_5 | IN15M001 | XN15M001 | IN15M100 | XN15M100 | … |
| 40042 | 2 | 3 | 4 | 5 | 10.5 | 11 | 28 | 32 | |
| 40044 | 2 | 3 | 4 | 5 | 11 | 11.5 | 32 | 36 |
Im Ergebnis entsteht die Datei sumTD.txt welche die Werte für die Wiederkehrintervalle 1, 2, 5, 10, 20, 25, 50, 100, 200, 500, 1000 und die Dauerstufen 5 min bis 10 Tage enthält.
Mit dieser Datei kann dann wieder als *.dbf-Datei (Achtung nur ca. 256 Zeichen, nicht alle Spalten werden berücksichtigt -> T200, T500, T1000 löschen) im Format „Format Sachsen-Anhalt“ (siehe oben) weitergearbeitet werden.
sumTD.txt
| ID | P5M1 | P5M2 | P5M5 | P5M10 | P5M20 | P5M25 | P5M50 | P5M100 | P5M200 | P5M500 | P5M1000 | P10M1 | … |
| 40042 | 7.7 | 9.46 | 11.79 | 13.55 | 15.31 | 15.88 | 17.64 | 19.4 | 26.55 | 29.8 | 32.27 | 9.5 | |
| 40044 | 7.9 | 9.81 | 12.34 | 14.25 | 16.16 | 16.78 | 18.69 | 20.6 | 28.36 | 31.89 | 34.57 | 9.9 |
| Das KOSTRA-Verfahren basiert auf folgendem Prinzip:
Das KOSTRA-Verfahren basiert auf folgendem Prinzip: Mit Hilfe eines ausgewählten extremwertstatistischen Analyseverfahrens wird die Bewertung der innerhalb eines Messzeitraums ausreichender Länge zufällig aufgetretenen Ereignisse vorgenommen und eine Extrapolation auf sehr seltene Niederschlagsereignisse ermöglicht. Der extremwertstatistische Ansatz geht für jede Dauerstufe D von einer partiellen oder jährlichen Serie aus, die sich aus Reihen der registrierten oder gemessenen Niederschlagshöhe ergibt. Jeder Serie wird durch eine Regressionsrechnung die theoretische Verteilungsfunktion hN(D;T) = u(D) + w(D) · ln T angepasst, wobei T die Wiederkehrzeit (Jährlichkeit) ist. Die Verteilungsfunktion wird durch die Parameter u(D) und w(D) charakterisiert.
Die KOSTRA-Grundgleichung lautet: hN(D;T)=u(D)+w(D)·ln T Im Falle von T=1a ist ln1=0 und somit gilt: u(D)=hN(D;1)
Für D=15 min in o. g. Standort gilt: u(15)=11,0 Nach Umstellung der Grundgleichung folgt: w(D)=(hN(D;T)-u(D))/lnT Nach Einsetzen von T=100a folgt: w(D)=(hN(D;100)-u(D))/ln100
w(15)=(hN(15;100)-hN(15;1))/4,605 Für D=15min in o. g. Standort gilt: w(15)=(30,0–11,0)/4,605 bzw. w(15)=19,0/4,605=4,126
Ist nun bspw. die Starkniederschlagshöhe für D = 15 min bei T = 10 a gesucht, folgt aus den in die KOSTRA-Grundgleichung eingesetzten Werten: hN(15;10)=u(15)+w(15)·ln10=11,0+(4,126·2,302)=20,5 mm (bzw. 20,5 l/m²)
Wegen RN(D;T)=(166,67/D)·hN(D;T) ergibt sich die Niederschlagsspende RN(15;10)=(166,67/15)·hN(15;10)=11,111·20,5=227,8 l/(s·ha)
Wer sich auf diese Weise für alle 18 D die 18 Werte des Parameters w(D) berechnet, kann die KOSTRA-DWD-2010-Werte jede beliebige Wiederkehrzeit zwischen T = 1 a und T = 100 a bestimmen. |
Einstellungen bei der Simulation mit ArcEGMO:
Für eine Simulation mit den KOSTRA-Niederschlägen in ArcEGMO wird bevorzugt für jede Jährlichkeit / für die Berechnung jedes Bemessungsabflusses (z.B. HQ2, HQ5, HQ10, HQ25, HQ100) eine extra arc_egmo.ste – Steuerdatei angelegt, die wiederum auf die verschiedenen describe-Dateien verweist.
Einstellungen in den Steuerdateien:
Bei der Erzeugung der Niederschlagszeitreihen mit dem Programm pi_gut.exe wird auch die potentielle Verdunstung erzeugt. In der modul.ste muss die Verdunstungsberechnung auf gegeben eingestellt werden und die Zeitschrittweite angepasst werden. Die meteologische Vorgeschichte spielt eine große Rolle und kann hier variert werden.
modul.ste
VERDUNSTUNGS_BERECHNUNG 0 /* 0 GEGEBEN */
MET_VORGESCHICHTE 0.85 /* 0. fuer trocken bis 1.0 fuer feucht */
ZEITSCHRITTWEITE 300. /* Q_Modell in Sekunden (5 Minuten) */
In der meteor.ste ist der DATEN_FAKTOR auf 0.1 einzustellen, da die vom pi_gut.exe Programm erzeugten Niederschläge in 1/10 mm angegeben sind.
meteor.ste
DATEN_FAKTOR 0.1 /* Faktor, falls Daten z.B. in 1/10 mm gegeben */
In der results.ste ist auf die entsprechende Zeitaggregation bei der Ausgabe zu achten.
results.ste
ZEITAGGREGATION 5 /* 0 Tag, 1 Monat, 2 Jahr, 3 Stunden */
In der met_stat.sdf ist das Raster anzugeben. Hier muss die HOEHE angegeben werden. Das DATENZEITINTERVALL ist korrekt auf 5 oder 15 min einzustellen und über die Stationskennung muss auf die korrekten Zeitreihennamen verwiesen werden.
met_stat.sdf
###### Meteorologie ##################
Testdruck
MET_STAT dBase Kostra.dbf
STATIONSKENNUNG T5
STATIONSTYP TYP
DATENZEITINTERVALL DTD
RECHTSWERT X_Coord
HOCHWERT Y_Coord
HOEHE Hoehe
+++++++++++++++++++++++++++++++++++
#####################################
In der met_data.sdf muss die Zuweisung wie folgt angegeben erfolgen.
met_data.sdf
###### Meteorologie ########################
MET_DATEN ASCII
TAG D
MONAT M
JAHR Y
STUNDE h
MINUTE min
NIEDERSCHLAG pt
POTENTIELLE_VERDUNSTUNG EP
++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
##############################################
Rechnungsauswertung:
Aus den berechneten Zeitreihen wird der maximale Abfluss ermittelt. Dieser ist dann der ermittelte Berechnungsabfluss für die berechnete Jährlichkeit.
Es kann auch die komplette Zeitreihe dargestellt werden. Siehe oben in Abbildung: Sägezahnkurve und maßgeblicher Niederschlag. Die Zuordnung zu welchem Datum welche Dauerstufe gehört, kann über das Datum im Vergleich mit der in der Spalte „Dauer“ in den erzeugten Niederschlagzeitreihen angegeben Dauerstufe erfolgen.
Literatur:
DVWK (1984): DVWK-Regel 113 Niederschlags-Abfluss Modelle in kleinen Einzugsgebieten. Deutscher Verband für Wasserwirtschaft und Kulturbau e.V. Berlin.
DWA (2012): Arbeitsblatt DWA-A 531 Starkregen in Abhängigkeit von Wiederkehr und Dauer. Deutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall e. V., Hennef.
DWD (2005): KOSTRA-DWD-2000. Starkniederschlagshöhen für Deutschland (1951-2000) – Grundlagenbericht). Offenbach am Main.
Schulte, M., Oppel, H., Schumann, A. (2013): Analyse und Simulation der zeitlichen Verteilung des Niederschlages innerhalb von Starkregenereignissen, Korrespondenz Wasserwirtschaft Heft 5/13, 255-261.