operational discharge and flooding predictions in head catchments
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OPAQUE - |
Operationelle Abfluss- und Hochwasservorhersage in
Quellgebieten operational discharge and flooding predictions in head catchments |
Local rainfall measurements are planned for the upper Weisseritz catchment. Data from the National Meteorological Service of Germany, the Deutscher Wetterdienst (DWD) provides the main source of rainfall measurements. Local rainfall measurements will be combined with radar measurements in working package 2.
Abbildung 1: A: Messanordnung des S-TDR im Feld; B:
Dreistabsonde, Fotos: Bauer, 2006.
Mit Hilfe der Bodenfeuchte können elementare Erkenntnisse über den Zustand hydrologischer Systeme getroffen werden, die gerade im Hinblick auf die Gefahr durch Hochwasser von immenser Bedeutung sein können. Die räumlich verteilte Bodenfeuchte kann bei der Abschätzung der Hochwassergefahr eine sehr gute Aussage darüber treffen, ob das System in der Lage ist als Rückhalteraum für Niederschläge dienen zu können oder ob der Niederschlag größtenteils abflusswirksam wird.
Zur Aufzeichnung der Bodenfeuchtedynamik bieten sich nichtinversive TDR-Systeme (Time Domaine Reflectometry) an, die gute Datenqualität in feiner zeitlicher Auflösung liefern können. Abbildung 2 verdeutlicht die Möglichkeiten, die sich mit TDR-Systemen ergeben. Es ist dargestellt, wie das Anwachsen einer Sättigungsfläche durch einen Sonden-Cluster in zwei Zeitschritten wiedergegeben wird.
Abbildung 2: Anwachsende Sättigungsfläche an
Quellgebieten gemessen mit einem S-TDR. A: trockener
Zustand; B: feuchter Zustand. Der Querschnitt entlang
der schwarzen Linie wird in Abbildung 4 dargestellt,
(Becker, 2002, verändert).
Das durch Becker (2004) entwickelte System S-TDR (Spatial Time Domain Reflectometry) hat die Vorzüge, durch räumlich verteilte Messung mit bis zu 40 TDR-Sonden pro Messeinheit eine gute räumliche Aussage der Bodenfeuchte, in einer hohen zeitlichen Auflösung zu treffen. Eine schematische Darstellung der technischen Details des S-TDR findet sich in Abbildung 3. Ein im Feld aufgebautes System und der verwendete Sondentyp werden in Abbildung 1 gezeigt.
Zusätzlich zur räumlichen Information, kann durch den Inversionsalgorithmus von Schläger (2002) eine Profilinformation der Bodenfeuchte im untersuchten Bodenvolumen berechnet werden.
Die S-TDR Messung basiert auf den Maxwell-Gleichungen. Es handelt sich um ein hochfrequentes elektromagnetisches Messverfahren im Bereich größer 100 kHz. Die Geschwindigkeit, die eine elektromagnetische Welle benötigt, für die Durchquerung eines Raumes ist bedingt, durch elektromagnetischen Eigenschaften des zu durchdringenden Mediums. Beim TDR-Verfahren wird ein Signal durch die in den Bodenkörper gesetzte Sonde geschickt. Die Reflektion des Signals am Sondenende wird aufgezeichnet und gibt eine integrale Aussage über die Dielektrizitätszahl des Messvolumens. Aus der bestehenden Korrelationsbeziehung zwischen Dielektrizitätszahl und Bodenfeuchte kann letztere abgeleitet werden (Topp et al. 1980). Durch die Verbindung von TDR-Sonde und Inversionsalgorithmus (Schläger, 2002) ist im homogenen Bodenkörper eine Tiefenaussage möglich. Ein Beispiel hierfür ist das Querprofil in Abbildung 4 in dem die Berechnung der Profilbodenfeuchte dargestellt ist.
Abbildung 3: Prinzip des TDR-Systems, nach Becker,
2004, verändert.
Abbildung 4: Querschnitt durch die ungesättigte Zone
entlang der markierten Transekte in Abbildung 2, nach
Becker (2004), verändert.
Der Algorithmus setzt sich aus drei Teilbereichen zusammen: einer inversen Rekonstruktion der Tiefenverteilung von Kapazität und Konduktivität auf Basis der Telegraphengleichung, einer Umrechnung der Kapazität in die Dielektrizitätszahl und deren Umrechnung in die Bodenfeuchte.
Im OPAQUE-Projekt wird das S-TDR zur Untersuchung der Kopfeinzugsgebiete der Weißeritz betrieben. Die Information soll genutzt werden um die verwendeten hydrologischen Modelle mit dem Datensatz zu verbessern.
Links: http://www.smg.uni-karlsruhe.de
Figure 4: Snow Pillow at the
research station Oberbärenburg
Prediction of spring floods requires good knowledge of the state of the snow pack. In addition to existing snow cover measurement networks, data is collected in hourly intervals at selected sites. A combination of snow weight, snow height and surface temperature is used to improve the calibration of a snow melting model.
Snow weight is measured using a snow pillow as shown in Figure 4. The pillow is filled with non-freezable fluid (a water-ethylenegylcol-mixture). The snow cover sitting on the pillow increases the preassure inside which is measured with a pressure gauge and logged.
Snow surface temperatur is measured using a infrared sensor. Measurements are corrected for the temperature difference between sensor and snow surface. Snow hight is measured with a ultra sonic sensor which measures distance to ground. As the thickness of the snow cover increases, the distance to the ground decreases correspondingly.
Last updated Feb 05 2007. Contact Information