GIS in der wasserwirtschaftlichen Modelltechnik
(Hydrologie und Hydraulik)

In der wasserwirtschaftlichen Modelltechnik werden nat�rliche geographische Gebiete modellm��ig abgebildet, um Simulationsrechnungen durchzuf�hren. Ein geographisches Informationssystem eignet sich dazu, raumbezogene Daten f�r die Simulation aufzubereiten und Ergebnisse der Simulation r�umlich darzustellen. Die Analyse von Eingangsdaten und Ergebnissen wird durch Verwendung eines GIS erheblich erleichtert.

1. L�sungen f�r den Bereich der Niederschlag-Abflu�-Simulation (Hydrologie)

Im Bereich Hydrologie bietet es sich an, ein GIS zu verwenden, um die Vor- und Nachbereitung bzw. Auswertung von Daten f�r Simulationen mit einem Niederschlag-Abflu�-Modell zu unterst�tzen. Im folgenden werden ArcView-Erweiterungen beschrieben, die in Zusammenhang mit dem N-A-Modell NASIM entwickelt wurden.

ArcView-Erweiterung Nasim Verschneidung

Um der r�umlichen Variabilit�t eines Modellgebiets gerecht zu werden und gleichzeitig die Anzahl der Parameter m�glichst klein zu halten, wird das Gebiet in hydrologisch homogene Einheiten (Elementarfl�chen) aufgeteilt. Die ArcView-Erweiterung erm�glicht die �berlagerung der verschiedenen thematischen Karten (B�den, Teileinzugsgebiete, Landnutzungsfl�chen), um Elementarfl�chen zu erhalten.

Au�erdem stellt sie ein Werkzeug f�r die Aufbereitung von Bodendaten des Geologischen Landesamtes NRW zur Verf�gung. Boden-, Landnutzungs-, Elementarfl�chen- und Teilgebietskennwerte werden in Tabellen zusammengestellt und in das N-A-Modell importiert.

Funktionalit�ten der Erweiterung sind :

• Verschneiden der Themen B�den, Teilgebiete und Landnutzung zu einem neuen Thema Elementarfl�chen, Bereinigen der Elementarfl�chen anhand einer Mindestgr��e
• Import von nfk-Dateien des GLA NRW nach ArcView, Umwandlung in Bodentyp- und Bodenarttabelle, Berechnung von Bodentypkennwerten nLK, nFK und kf

ArcView-Erweiterung zur Darstellung von Nasim Ergebnissen in ArcView

Die ArcView-Erweiterung erm�glicht die Darstellung von aggregierten Simulationsergebnissen, die Teilgebieten zugeordnet sind, mit Hilfe von ArcView in einem Teilgebietsthema.

Bei Aufruf einer Ergebnis-Funktion (z. B. Oberfl�chenabflu�, Bodenfeuchte, Verdunstung, Exfiltration) werden aus der NASIM-Ergebnistabelle der Teilgebiete alle Spalten f�r einen angew�hlten Simulationsblock selektiert und an die Attribut-Tabelle des Teilgebietthemas gejoint. Damit k�nnen f�r jedes Teilgebiet die �ber einen Simulationszeitraum aggregierten Ergebnisse identifiziert und analysiert werden. Jedes Ergebnis wird durch abgestuftes Einf�rben in der Karte visualisiert.

Die Erweiterung erm�glicht au�erdem eine gleichzeitige Selektion von Teilgebieten in der Karte und Systemelementen im NASIM-Systemplan mit Hilfe einer DDE-Verbindung.

ArcView-Erweiterung Hydrologische Teilgebietsplots

Die ArcView-Erweiterung Teilgebietsplots visualisiert die von NASIM verwendeten Fl�chendaten und unterst�tzt den NASIM/ArcView-Anwender darin, Teilgebietsinformationen berichtsreif in einem ArcView-Layout darzustellen.

F�r jedes Teilgebiet werden zwei Layouts mit kartographischen Informationen zu Bodendaten und der Landnutzung erzeugt.

Ferner wird eine Rechenfunktionalit�t zur Verf�gung gestellt, um Bodenkennwerte f�r Durchl�ssigkeit und R�ckhalteverm�gen vertikal zu aggregieren.

ArcView-Erweiterung Zeitfl�chenfunktion

Eine Zeitfl�chenfunktion beschreibt die Translation einer Welle auf der Oberfl�che, d.h. eine Verlagerung einer Welle in der Zeit ohne Retention. Die Funktion gibt f�r jeden Zeitpunkt wieder, wie gro� die Fl�che ist, die zum Oberfl�chenabflu� dieses Zeitpunkts bezogen auf den Gebietsausla� beitr�gt. Mit Konzentrationszeit wird die Zeit bezeichnet, die ben�tigt wird, um das gesamte Einzugsgebiet zu entw�ssern.

Die ArcView-Erweiterung Zeitfl�chenfunktion berechnet und visualisiert Flie�wege, Flie�geschwindigkeiten und Flie�zeiten f�r alle Teileinzugsgebiete mit Hilfe eines digitalen H�henrasters und erstellt automatisch eine Eingangsdatei f�r das N-A-Modell NASIM.

Digitale Datengrundlagen sind die Teilgebietsgrenzen und das H�henmodell. Optional k�nnen Gew�sser und Landnutzungsdaten (Rauheit) verwendet werden.

Die Erweiterung Zeitfl�chenfunktion stellt folgende Funktionen zur Verf�gung:

• Berechnung der lokalen Flie�geschwindigkeiten, Flie�richtungen und Flie�zeiten als Rasterthema auf Grundlage von digitalem H�henmodell und digitalen Teilgebietsgrenzen
• Erstellung einer NASIM-Eingabedatei mit den Zeitfl�chenfunktionen
• Ausgabe von Teilgebietskennwerten

2. L�sungen f�r den Bereich der Wasserspiegellagenberechnung (Hydraulik)

Im Bereich Hydraulik bietet es sich an, ein GIS zu verwenden, um vermessene Querprofile und berechnete Wasserspiegelbreiten darzustellen und �berschwemmungsfl�chen zu ermitteln.

ArcView-Erweiterung JabView

Die Steuerung von ArcView wurde in die neue graphische Oberfl�che von JABRON 6 (Modell zur Wasserspiegellagenberechnung) integriert.

Es ist m�glich, verschiedene Shapefiles zu erzeugen und in Views einzubinden. Dazu geh�ren Querprofile, Vermessungsbreiten, 'Nicht-abflusswirksame' Bereiche, der Flu�schlauch und die errechneten Wasserspiegel-Breiten.

Ermittlung von �berschwemmungsfl�chen

Umgestaltungsma�nahmen an Fl�ssen und Talauen sowie vorbeugender Hochwasserschutz ben�tigen immer umfangreichere Prognostizierungsmodelle in der Wasserwirtschaft. Klassische Ergebnisdarstellungen von Wasserpiegellagen in Tabellen und Pl�nen erschweren oftmals die Einsicht in die fl�chige Ausbreitung von Wasserspiegelfl�chen. Manuelle �bertragungen von Wasserstandsh�hen in Kartenwerke ist ein zeitaufwendiges Verfahren. Eine Alternative hierzu bieten hochaufl�sende digitale Gel�ndemodelle. Sie sind die Datengrundlage f�r Berechnungen von �berschwemmungsfl�chen in einem GIS.

Neben den aus hydraulischen Berechnungen lokal an Profilen ermittelten Wasserspiegellagen werden die durch die Landesvermessungs�mter zur Verf�gung gestellten digitalen H�henmodelle aus dem ATKIS genutzt. Zus�tzliche Informationen von Reliefstrukturen (z.B. Deichanlagen, Stra�end�mme etc.) bilden eine wichtige Erg�nzung des Gel�ndemodells. Diese in unregelm��igen Abst�nden abgelegten Raumkoordinaten k�nnen in das Gel�ndemodell integriert werden.

Die Gel�ndetopographie wird in GRID-Rastern abgelegt. Zur Belegung der GRID-Zelle mit einer gemittelten H�he wird zun�chst ein Oberfl�chenmodell durch ein Triangulated Irregular Network (TIN) angelegt.

In einem Folgeschritt wird die Wasserstandstiefe (m) als Differenz zur Gew�ssertopographie ermittelt. Die TIN-Technik erm�glicht die pr�zise�bertragung von gemittelten Wasserstandsh�hen (mNN) in die einzelnen GRID-Zellen, auch wenn nur wenige St�tzstellen der Wasserspiegellage bekannt sind. Die Umh�llende aller benetzten Zellen liefert die �berschwemmungsgebietsgrenze.

Eine Berechnung ist sowohl mit ArcINFO, als auch mit ArcView und der Esri-Erweiterung 3D-Analyst m�glich. An der Erstellung einer ArcView-Erweiterung wird gearbeitet.