METHODEN DER HYDROLOGISCHEN REGIONALISIERUNG IM ...

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Wiener Mitteilungen Band 164: Niederschlag-Abfluss Modellierung - Simulation und Prognose Zu der zweiten Kategorie zählen verschiedene geostatistische Methoden, insbesondere External Drift Kriging und Cokriging, bei der die Korrelationen zwischen der hydrologischen Größe und der Zusatzvariablen verwendet werden (z.B. Goovaerts, 2000). Während bei Cokriging die Korrelationen zwischen der hydrologischen Größe und der Zusatzvariablen direkt durch ein Kovariogramm formuliert wird (z.B. Kupfersberger and Blöschl, 1995), wird beim External Drift Kriging angenommen, dass die Zusatzvariablen perfekt mit der hydrologischen Größe korreliert ist. Dementsprechend wird beim External Drift Kriging die räumliche Struktur der Zusatzvariablen der interpolierten Fläche im Detail aufgeprägt. Ein Beispiel für die Verwendung von Zusatzinformation bei der Regionalisierung des mittleren Jahresniederschlag in Osttirol zeigt Abb. 6. Während die Regionalisierung in Abb. 6a durch Verwendung von Kriging (ohne Zusatzinformation) entstand, wurde bei Abb. 6b die Seehöhe als Zusatzinformation für External Drift Kriging verwendet. Abb. 6b zeigt die Feinstruktur mit geringen Niederschlagswerten in den Tälern und großen Werten in den Hochlagen. Diese räumliche Struktur (Abb. 6b) ist realistischer, als der ohne Zusatzinformation interpolierte Jahresniederschlag (Abb. 6a). Entscheidend bei allen Interpolationsverfahren, die Zusatzinformationen verwenden, ist die geeignete Wahl der Zusatzvariablen. Während geeignete Variablen die Interpolation verbessern (z.B. Abb. 6), können ungeeignete Variablen die Interpolation sogar verschlechtern (siehe z.B. Blöschl and Grayson, 2000). Die Eignung lässt sich aus Korrelationen und anderen statischen Gegenüberstellungen bestimmen. Auch Expertenwissen, das eine solche Eignung auf Basis vom grundsätzlichen Verhalten hydrologischer Größen ableitet, ist geeignet. Beispiele sind der Zusammenhang zwischen Niederschlagsintensität und Geländeneigung oder der Zusammenhang zwischen Bodenfeuchte und dem topographischen Bodenfeuchteindex (Beven and Kirkby, 1979). Von der Topographie abgeleitete Größen (wie die Seehöhe aber auch topographische Indizes, siehe Moore et al., 1991; Costa-Cabral and Burges, 1994) sowie mittels Fernerkundung bestimmte Größen kommen als Zusatzvariablen besonders in Frage, da sie meist in hoher räumlicher Auflösung vorliegen. Abb. 7 zeigt ein Beispiel, das verdeutlich, dass geeignete Zusatzinformation die Regionalisierung verbessert, ungeeigneter Information jedoch nicht. Abb. 7a zeigt die auf einem Raster von 2 * 2m gemessene Bodenfeuchte auf einer Wiese von 100 * 66 m Fläche. Dunkle Werte sind feuchte Flächen, helle Werte sind trockene Flächen. Dieses Muster wird als die richtige Verteilung angesehen. Für die meisten hydrologischen Modellanwendungen liegen die Messwerte jedoch mit einer viel schlechteren Auflösung vor. Deshalb wurden aus diesem Muster neun Messwerte auf einem Raster von 40 * 30 m entnommen (Abb. 7b). Diese neun Werte wurden dann für die Interpolation mit verschiedenen Methoden verwendet. Abb. 7e zeigt die Interpolation mittels Thiessen Methode, Abb. 7f die Interpolation mittels Ordinary Kriging (d.h. ohne Zusatzinformation. In beiden Fällen wird das richtige Muster nicht sehr gut wiedergegeben. Abb. 7g zeigt die Interpolation unter Verwendung geeigneter Zusatzinformation, und Abb. 7h die Interpolation unter Verwendung ungeeigneter Zusatzinformation. Die Verteilung in Abb. 7g ist wesentlich besser als die anderen 160
Wiener Mitteilungen Band 164: Niederschlag-Abfluss Modellierung - Simulation und Prognose Verteilungen, während die Verteilung in Abb. 7h ist genauso schlecht ist wie der Fall, in dem keine Zusatzinformation verwendet wurde (Abb. 7f). Für die Interpolation hydrologischer Größen mit und ohne Zusatzinformationen stehen zahlreiche Softwarepakete zur Verfügung. Zu diesen zählen Geographische Informationssysteme wie etwa ARC-Info (siehe z.B. DeMers, 2000) oder spezielle Programmsysteme wie etwa GSLIB (Deutsch and Journel, 1997). Ein einfaches und für die räumliche Interpolation sehr geeignetes Softwarepakete ist SURFER (Golden Software, 2001). Ein Beispiel der Softwareoberfläche von SURFER zeigt Abb. 8. 4. Ähnlichkeitsschlüsse Die oben diskutierten Verfahren der Interpolation mittels Zusatzinformationen können verwendet werden, wenn sowohl Daten der zu interpolierenden Variablen (z.B. Niederschlag) als auch Daten der Zusatzvariablen (z.B. Geländehöhe) im oder in der Nähe des Untersuchungsgebietes vorhanden sind. In vielen Fällen sind nur Daten der Zusatzinformationen vorhanden, und Messungen der eigentlichen (zu regionalisierenden) Variablen stehen nicht zur Verfügung. In diesem Fall werden verschiedene Arten von Ähnlichkeitsschlüssen verwendet. Diese Verfahren können mitunter aus ziemlich komplexen Modellen der regionalen Übertragung bestehen oder aus sehr einfachen qualitativen Analogieschlüssen. Zu den am häufigsten verwendeten Verfahren der regionalen Übertragung mittels Ähnlichkeitsschlüssen zählen Regressionsansätze zwischen den gesuchten Werten (meist Modellparametern) und breitenverfügbaren Gebietseigenschaften (wie etwa Bodenart und Landnutzung). Dabei werden diese Regressionsbeziehungen oft nicht für das Untersuchungsgebiet aufgestellt sondern aus der Literatur oder aus eigenen Daten in ähnlichen Gebieten übernommen. Zahlreiche Regressionsbeziehungen sind in der Literatur verfügbar, die in speziellen Studien bestimmt wurden. Allerdings ist die Übertragbarkeit für praktische Anwendungen nicht immer gegeben. Ein wichtiges Beispiel für solche Ansätze sind Pedotransferfunktionen (z.B. Romano and Santini, 1997; Elsenbeer, 2001). Bei Pedotransferfunktionen werden hydraulische Bodeneigenschaften (wie die Saugspannungskurve oder die hydraulische Leitfähigkeit) als Funktion des Bodentyps bzw. Korngrößenverteilung (ausgedrückt als Anteile von Sand, Schluff und Ton) angegeben (Abb. 9). Eine typische Pedotransferfunktion ist (Rawls et al., 1983): θ ( ) = a + b ⋅ Sa + c ⋅ Si + d ⋅Cl + e ⋅Om (4) hi i i i i i Dabei ist θ der volumetrische Wassergehalt (-), hi ist die Saugspannung (kPa), Sa ist der Gehalt an Sand, Si ist der Gehalt an Schluff, Cl ist der Gehalt an Ton, und Om ist der organische Anteil des Boden (jeweils in %). Typische Parameter dieser Pedotransferfunktion sind in Tabelle 1 angegeben. 161
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