1D-Modellierung der Donau

Blick auf die Donau von der steinernen Brücke in Regensburg

Das 1D-Modell ist für die folgenden Anwendungsfälle vorgesehen:

• operationelle Wasserstandsvorhersage im Niedrig- und Mittelwasserfall
• gewässerkundliche Beschreibung der Ist-Situation
• zukünftig: langfristige Prognosesimulationen im Rahmen der Klimafolgenforschung

Hydrotec und Deltares im Team

Im Frühjahr 2010 erhielt Hydrotec den Auftrag zur Erstellung und Kalibrierung eines solchen 1D-Modells der Donau von Neu-Ulm bis Jochenstein unter der Vorgabe der Verwendung der Software SOBEK-River (Deltares,Niederlande). Hydrotec bildete mit Deltares ein Projektteam, wie es sich bereits bei der Entwicklung von Hochwasservorhersagesystemen auf Basis von Delft-FEWS bewährt hatte. Die Herausforderungen des Projekts lagen vor allem in der Abbildung des außerordentlich langen Fließabschnitts sowie in der Handhabung großer, heterogener Datenmengen.

Der 500 km lange schiffbare Abschnitt der Donau war mit dem 1D-Modell SOBEK-River abzubilden.

Modellierung mit SOBEK, Datenauf- und -nachbereitung mit Jabron und ArcGIS

Hydrotec folgt in der hydraulischen Modellierung einer standardisierten Vorgehensweise für die Datenhandhabung. Während zur Modellierung der Donau SOBEK-River zum Einsatz kam, nutzten wir zur Datenhaltung, Datenaufbereitung, Prüfung sowie Ergebnisauswertung unser 1D-Wasserspiegellagenprogramm Jabron mit seinen Datenbankfunktionalitäten, ArcGIS for Desktop von Esri sowie die von uns entwickelten Jabron-Erweiterungen zu ArcGIS. Die Projektbearbeitung gestaltete sich dadurch effektiv und zielgerichtet.

Abgeleitete Profile erfordern GIS-Technologie

Als besondere Anforderung an die Datenaufbereitung und das GIS-Prozessing erwies sich die Erzeugung der Profildaten für das SOBEK-Modell. Diese sollten – abweichend von der üblichen Herangehensweise – nicht auf gemessenen Profilen basieren, sondern auf Profildaten, die von einem DGM abzuleiten waren. Die Modellprofile sollten einen regelmäßigen Abstand von 100 m aufweisen und sich an der Gewässerstationierung orientieren, die durch Hektometersteine entlang des Ufers markiert wird.

Dazu waren zunächst ein homogenes DGM entlang des Fließwegs der Donau sowie ein DGM des Flussschlauchs (DGM-FS) zu erstellen. Aus der Kombination dieser Modelle ließ sich ein DGM des Wasserlaufs (DGMW) generieren, aus dem sich schließlich die Informationen für die Modellprofile abgreifen lassen. Es zeigte sich, dass kommerzielle Werkzeuge zur Flussschlaucherzeugung bei der vorliegenden Modellgröße und Datenmenge an ihre Grenzen stoßen. Erst mit von uns entwickelten GIS-basierten Werkzeugen ließ sich der Prozess der Interpolation im GIS automatisieren.

DGM aus Rastermosaik

Zur Erstellung des DGM des Donauabschnitts und seiner Vorländer lagen sehr heterogene Daten vor, bestehend aus Rasterdaten (DGM1, DGM2, DGM5, DGM25), 3D-Bruchkanten und sonstigen Modelldatensätzen für den Talbereich. Diese wurden zu einem „intelligenten“ Mosaik zusammengefügt, das im Fall von Überlappungen bzw. Redundanzen die Daten in Abhängigkeit von der Auflösung bzw. der Aktualität priorisiert. Ein Referenzraster führt die Herkunft der Höheninformation für jedes Rasterelement mit. Jeder Mosaikvorgang wird überein Skript gesteuert, das sicherstellt, dass die Höheninformation und diezugehörige Metainformation eines Rasters jederzeit zusammenpassen.

Von Gewässerprofilen zum DGM

Die Eingangsdaten zur Generierung des DGM stammten ebenfalls aus unterschiedlichen Quellen. Während Flächeninformationen wie Peilungsdaten und Modelldaten aus 2D-Modellen relativ einfach im GIS interpoliert werden können, erfordert die korrekte Integration von Vermessungsdaten umfangreiche GIS-Operationen, wie die Erzeugung von Profilspuren und die Generierung von Uferlinien. Die Ermittlung der Uferlinien erfolgte GIS-basiert über ein Skript, das für jedes Profil den Übergang von Wasser zu Land am linken und rechten Ufer ermittelt. Im DGM wurden diese Punkte zu Uferlinien verbunden.

GIS-gestützte Entwicklung der Uferlinie, der Profilspuren und der Profile

Nach der Einordnung der Profildaten in das DGM erfolgte die Ableitung des DGM-FS auf Basis einer Interpolation zwischen zwei Profilen. Dazu wurden beide Profile äquidistant diskretisiert und die dadurch entstandenen Stützstellen unter Berücksichtigung der Uferlinien zu 3D-Linien verbunden. Heterogene Verläufe der Uferlinien erforderten stellenweise die Unterteilung eines Profils in bis zu drei Bereiche. Im Rahmen der Interpolation nicht erfasste Mündungsbereiche wurden abschließend von Hand ergänzt.

JabPlot dient zur Validierung des DGM-W

JabPlot dient zum Abgreifen und zur Darstellung von Quer-und Längsprofilen aus dem DGM.

Zur Validierung des DGM-W wurden allen Grundlagendaten mit Höheninformation die lagegenauen Höhenwerte aus dem DGM-W gegenübergestellt. Dazu kam JabPlot zum Einsatz, das Hydrotec zur Generierung von Längs- und Profilschnitten in 2D-Netzen entwickelt hat.

Damit ließen sich zum einen die originären Querprofile dem Profilverlauf aus dem DGM-W gegenüberstellen. Zum anderen konnten Längsschnitte auf Basis des DGM-W generiert und mit den Längsschnitten auf Grundlage der Vermessungsdaten verglichen werden.

Generierung der Modellprofile

Die im GIS generierte Verbindung der gegenüberliegenden Hektometerstein-Punkte bildeten die Profilspuren für den Flussschlauchbereich. Die Funktionen „Abknickhilfe erzeugen“ und „Profile verlängern“ wurden anschließend herangezogen, um die generierten Profilspuren beidseitig in die Täler zu verlängern. Den Profilen wurden abschließend die Höhenwerte aus dem DGM-W zugeordnet, sodass yz-Profile für den gesamten Modellabschnitt zur Verfügung standen.

Fließzonen und Profilspuren des SOBEK-RIVER-Modells für die Donau

Zur Modellierung mit SOBEK wurden die yz-Profile in tabulierte Profile überführt. Dies erfolgte unter Verwendung der ArcGIS-Erweiterung ArcSOBEK92, die im Rahmen des BfG-Auftrags: „Erstellung des eindimensionalen Feststofftransportmodells für die Elbe“ durch die ARGE SOBEK Elbe (bestehend aus Björnsen Beratende Ingenieure GmbH und DELTARES) erstellt und von Hydrotec angepasst wurde. Sämtliche modellspezifischen Informationen wie Modellgrenze, Deiche, Uferseite, durchströmte Flächen, Seen, Fließzonen, Buhnen etc. wurden im Vorfeld generiert und gingen in die ArcGIS-Erweiterung ArcSOBEK92 ein.

Fazit

Der Einsatz von GIS-Tools erlaubt effektive und nachvollziehbare Handhabung großer und heterogener Datenbestände. Die in Jabron implementierten Datenbankfunktionalitäten machen die Modellierung eines so langen Gewässerabschnitts erst möglich. Die von Hydrotec entwickelten GIS-Erweiterungen unterstützen den Anwender optimal bei allen Teilschritten der Modellierung.

Der BfG steht mit Projektabschluss ein SOBEK-Modell der Donau zur Verfügung, mit dem sich in den kommenden Jahren vielfältige Fragestellungen bearbeiten lassen.

Dr.-Ing. Alpaslan Yörük, Dr.-Ing. Ellen Trübger