FG Hydrologie
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Since Z3, the first automatic, programmable and operational computer, emerged in 1941, computers have become an unshakable tool in varieties of engineering researches, studies and applications. In the field of hydroinformatics, there exist a number of tools focusing on data collection and management, data analysis, numerical simulations, model coupling, post-processing, etc. in different time and space scales. However, one crucial process is still missing — filling the gap between available mass raw data and simulation tools.
In this research work, a general software framework for time series scenario composition is proposed to improve this issue. The design of this framework is aimed at facilitating simulation tasks by providing input data sets, e.g. Boundary Conditions (BCs), generated for user-specified what-if scenarios. These scenarios are based on the available raw data of different sources, such as field and laboratory measurements and simulation results. In addition, the framework also monitors the workflow by keeping track of the related metadata to ensure its traceability.
This framework is data-driven and semi-automatic. It contains four basic modules: data pre-processing, event identification, process identification, and scenario composition. These modules mainly involve Time Series Knowledge Mining (TSKM), fuzzy logic and Multivariate Adaptive Regression Splines (MARS) to extract features from the collected data and interconnect themselves. The extracted features together with other statistical information form the most fundamental elements, MetaEvents, for scenario composition and further time series generation. The MetaEvents are extracted through semi-automatic steps forming Aspects, Primitive Patterns, Successions, and Events from a set of time series raw data. Furthermore, different state variables are interconnected by the physical relationships derived from process identification. These MetaEvents represent the complementary features and consider identified physical relationships among different state variables from the available time series data of different sources rather than the isolated ones. The composed scenarios can be further converted into a set of time series data as, for example, BCs, to facilitate numerical simulations.
A software prototype of this framework was designed and implemented on top of the Java and R software technologies. The prototype together with four prototype application examples containing mathematical function-generated data, artificial model-synthetic hydrological data, and measured hydrological and hydrodynamic data, are used to demonstrate the concept. The results from the application examples present the capability of reproducing similar time series patterns from specific scenarios compared to the original ones as well as the capability of generating artificial time series data from composed scenarios based on the interest of users, such as numerical modelers. In this respect, it demonstrates the concept’s capability of answering the impacts from what-if scenarios together with simulation tools. The semi-automatic concept of the prototype also prevents from inappropriate black-box applications and allows the consideration of the knowledge and experiences of domain experts. Overall, the framework is a valuable and progressive step towards holistic hydroinformatics systems in reducing the gap between raw data and simulation tools in an engineering suitable manner.
In this first volume of the series ‘Ecosystem Development’, the geographic situation of the artificial catchment 'Chicken Creek', its construction and fundamental structures, as well as an outline of the comprehensive monitoring program are introduced. Established in autumn 2005 thanks to financial support from the Brandenburg University of Technology and the State of Brandenburg itself, the monitoring program was set up in order to document the highly dynamic development of this initial-phase system and describe the newly emerging structures both qualitatively and quantitatively. The data provided by the central monitoring project can also be used as the fundamental basis for a number of other scientific projects. The objective of this series is to document this important research site, including the changes occurring during the ongoing initial stages of ecosystem development. Whereas this volume presents the site itself and the general concept of the monitoring investigations, the following volumes in the series will present the results gathered during each phase of the investigative period.
This volume summarizes the monitoring activities and results at the ‘Chicken Creek’ catchment for the period 2005 to 2010. The development in all ecosystem compartments is assessed, classified, and compared to more mature systems with regard to functional relevance and succession stage. In a final synopsis, the whole catchment is evaluated with regard to ecosystem development and an outlook is given on the expected trends both in the short and the medium term.
This thesis focuses on computer modelling issues such as i) uncertainty, including uncertainty in parameters, data input and model structure, ii) model complexity and how it affects uncertainty, iii) scale, as it pertains to scaling calibrated and validated models up or down to different spatial and temporal resolutions, and iv) transferability of a model to a site of the same scale. The discussion of these issues is well established in the fields of hydrology and hydrogeology but has found less application in river water quality modelling. This thesis contributes to transferring these ideas to river modelling and to discuss their utilization when simulating river water quality.
In order to provide a theoretical framework for the discussion of these topics several hypotheses have been adapted and extended. The basic principle is that model error decreases and sensitivity increases as a model becomes more complex. This behaviour is modified depending if the model is being upscaled or downscaled or is being transferred to a different application site.
A modelling exercise of the middle and lower Saale River in Germany provides a case study to test these hypotheses. The Saale is ideal since it has gained much attention as a test case for river basin management. It is heavily modified and regulated, has been overly polluted in the past and contains many contaminated sites. High demands are also placed on its water resources. To provide discussion of some important water management issues pertaining to the Saale River, modelling scenarios using the Saale models have been included to investigate the impact of a reduction in non-point nutrient loading and the removal and implementation of lock-and-weir systems on the river.
Die Arbeit dokumentiert die Entwicklung von Algorithmen, mit denen auf mesoskaliger Ebene die Auswirkungen des Wassermanagements in grundwasserregulierten Niederungen auf deren Wasserrückhalt abgeschätzt werden können, ebenso wie damit verbundene Änderungen der Nährstoffeinträge in Fließgewässer. Dies geschieht auf der Grundlage breitenverfügbarer Gebietsinformationen, die in dem Geographischen Informationssystem ARC/INFO verarbeitet werden. Den zeitlichen Bezug bilden langjährige Monatsmittel. Die Algorithmen wurden auf das ca. 1900 km² große Einzugsgebiet des Rhin im Nordwesten des Landes Brandenburg angewendet. Dazu wurde eine Grundvariante entwickelt, für die sich die Grundwasserhaltung aus der Landnutzungsverteilung der 1990er Jahre ableitet. Weitere fünf Szenarien folgen möglichen zukünftigen Zielstellungen der Land- und der Wasserwirtschaft. Der auch auf andere Gebiete des nordostdeutschen Tieflands übertragbare Modellansatz reagierte auf sämtliche Eingabeparameter plausibel. Ein Szenarienvergleich ergab eine Minderung des Gebietsabflusses um 45% zur Grundvariante, was einer Minderung von Stoffeinträgen in die Gewässer von bis zu 177 t N/a und 11 t P/a entspricht.
Optimierung des Mitteleinsatzes für Hochwasserschutzmaßnahmen an Fließgewässern im urbanen Raum
(2009)
Die Ausarbeitung von wirtschaftlichen Hochwasserschutzmaßnahmen an Fließgewässern stellt insbesondere im urbanen Raum aufgrund vieler Randbedingungen eine anspruchsvolle Aufgabe dar. Darüber hinaus ist die Variantenstudie mit hydraulischer Modellierung und belastbarer Kostenermittlung ein zeit- und kostenintensiver Prozess. Aus vielen herkömmlichen Variantenstudien gehen Planungen hervor, ohne alle Einsparpotenziale auszuschöpfen. Mit dieser Arbeit wird ein Planungswerkzeug zur computergestützten automatischen Optimierung von Hochwasserschutzmaßnahmen an Fließgewässern entwickelt. Dafür wird die Variantenstudie automatisiert, indem die Variantenbildung, die hydraulische Berechnung und die Variantenbewertung in einem Optimierungssystem miteinander verknüpft werden. Nach entsprechender Konfiguration bewertet das Optimierungssystem automatisch verschiedenste Varianten in iterativer Vorgehensweise. Damit die Suche nach der Vorzugsvariante zielorientiert erfolgt, wird das System von einem heuristischen Optimierungsalgorithmus gesteuert. Das entwickelte Planungswerkzeug bietet eine substanzielle Unterstützung bei der Beantwortung gestalterischer Fragestellungen im Wasserbau und der Kostenoptimierung von Hochwasserschutzmaßnahmen an Fließgewässern. Zur Berechnung der Wasserspiegellage und anderer für die Bewertung einer Variante relevanter hydraulischer Parameter kommt das Programm WSPR2007 der Firma PSW-Knauf, Jugenheim zum Einsatz. Die Einbindung von anderen Programmen wäre nach der Entwicklung entsprechender Schnittstellen zum Datenaustausch zwischen hydraulischem Modell und Optimierungssystem möglich. Für die Variantenbildung sind zunächst die Freiheitsgrade bei der Planung von Hochwasserschutzmaßnahmen zu definieren. Um den Hochwasserschutz zu verbessern, werden Ufererhöhungen, Veränderungen der Gerinnebreiten sowie Veränderungen der Sohlenhöhen und des Sohlengefälles untersucht. Zudem kann wahlweise die Anhebung von das Gewässer kreuzenden Brücken bei der Optimierung berücksichtigt werden. Im Rahmen dieser Arbeit gilt ein Planungsziel als erfüllt, wenn der Bemessungsdurchfluss ohne Ausuferungen abfließt. Bei der Automatisierung der Variantenstudie ist die Vorgabe des Optimierungsalgorithmus zu beachten, dass eine Variante über eine begrenzte Anzahl Entscheidungsvariablen abzubilden ist. Um dem gerecht zu werden, werden Parametrisierungsansätze entwickelt, die die Schnittstelle zwischen dem Algorithmus und dem hydraulischem Modell bilden. Zur Parametrisierung werden Bézierkurven verwendet, mit denen die Gewässergeometrie nachgeformt wird. Über die Veränderung der entsprechenden Bézierpunkte können verschiedenste Geometrien gebildet und hydraulisch untersucht werden. Für den Optimierungsalgorithmus stellen die Bézierpunkte die Entscheidungsvariablen dar. Wahlweise können durch eine entsprechende Programmoption für den Planzustand Mittel- und Niedrigwasserrinnen im Gewässer vorgesehen werden. Zur Variantenbewertung werden die Kosten für Hochwasserschutzmaßnahmen kalkuliert, die anfallen, um das Bemessungshochwasser schadlos abzuleiten. Hierfür werden Kostenfunktionen für technische Hochwasserschutzmaßnahmen im Detaillierungsgrad einer Entwurfsplanung entwickelt. Um die Leistungsfähigkeit des entwickelten Optimierungssystems zu beurteilen, wird es an einfach nachvollziehbaren Testfällen angewendet. Mit den Anwendungsbeispielen – die auf Daten der Vereinigten Weißeritz im Stadtgebiet von Dresden basieren – wird das Optimierungssystem zur Lösung praxisnaher Problemstellungen eingesetzt. Mit dem angesetzten Bemessungsdurchfluss werden Hochwasserschutzmaßnahmen erforderlich. Es wird untersucht, wie sich Sohleneintiefungen gegenüber Brückenanhebungen verhalten und welche Auswirkungen Gerinneaufweitungen auf die Kosten haben. Im Vergleich zu Lösungen, die in herkömmlicher Vorgehensweise ausgearbeitet wurden, zeigt sich die gute Leistungsfähigkeit des Optimierungssystems. Bei den verschiedenen Anwendungsbeispielen wird stets der richtige Lösungsansatz erkannt, und die Feinabstimmung ermöglicht die Ausarbeitung sehr detaillierter und kostenoptimierter Vorzugsvarianten. Aufgrund der Automatisierung der Variantenstudie wird es möglich, nach der Konfiguration des Systems ohne viel Aufwand des Ingenieurs, die Auswirkungen von verschiedenen Bemessungsgrößen wie Durchfluss und Freibord auf die Kosten zu ermitteln. Die Ergebnisse der automatischen Optimierung sind gut nachvollziehbar, weil eine transparente Aufbereitung der kalkulierten Kosten möglich ist. Darüber hinaus liegt von jeder optimierten Vorzugsvariante der Geometriedatensatz des hydraulischen Modells vor, so dass die Möglichkeit zur Prüfung der hydraulischen Berechnungen gegeben ist. Die im Rahmen dieser Arbeit untersuchten Fragestellungen können ohne Anpassungen am Optimierungssystem auf andere Fließgewässer angewendet werden. Es sind lediglich die für die Planung relevanten Randbedingungen über Schnittstellen einzupflegen.
Virtuelle Forschungsumgebungen (VRE), sind Plattformen auf Basis von Informations- und Kommunikationstechnologien (engl. ICT) mit ganzheitlichem Ansatz, die das wissenschaftliche Arbeiten im Team und insbesondere dessen Kommunikation und Organisation unterstützen sollen. Sie haben zum Ziel, schneller und besser zu nachvollziehbaren Ergebnissen zu gelangen, als bisher. Projekte in der ökologischen Langzeitforschung (engl. long-term ecological research, im Folgenden als L-TER bezeichnet) sind durch den Langzeitaspekt und Raumbezug in der Regel umfangreiche Projekte mit mittleren und großen Datenmengen (Medium Data und Big Data) sowie interdisziplinären, örtlich verteilten Forschungsgruppen. Sie sind daher prädestiniert für den Einsatz von VREs. Die vorliegende Arbeit untersucht die spezifischen Aspekte und Anforderungen an virtuelle Forschungsumgebungen von L-TER Projekten im Kontext der Umweltinformatik. Dazu wird der Begriff „L-TER VRE“ eingeführt. Grundlage hierfür ist der Stand des Wissens zu allgemeinen VREs, Datenmanagement und ICT, die interdisziplinär in Verbindung gebracht werden mit den Zielen, Methoden und Daten der L-TER (z.B. Analyse von Zeitreihen). Es zeigt sich, dass sich die Anforderungen an L-TER VREs – aufgrund ihres Einsatzbereiches für langfristige L-TER Projekte – in der Nachhaltigkeit durch ihre Persistenz (Daten, Infrastruktur), Flexibilität (projektspezifische Rahmenbedingungen), der eingesetzten ICT und vom Faktor „Mensch“ mit seinem gesellschaftlichen Umfeld von VREs für andere Aufgaben unterscheiden. Aus den Erkenntnissen wird ein innovatives Baukastenkonzept mit dem Namen „Rapid L-TER VRE“ zur Planung, dem Aufbau und Betrieb von L-TER VREs vorgestellt. Es basiert auf Open-Source-Software und kann durch die gemeinsame Basis der Bausteine auch für allgemeine VREs Verwendung finden. Da VREs oder ähnliche ICT-Infrastrukturen im Rahmen von „e-Science“ als Rückgrat für die Organisation der Projekte prädestiniert sind, ist der Aufbau solcher Infrastrukturen oft schon zur Voraussetzung bei der Antragstellung von Projekten geworden. Ein Prototyp sollte daher bereits vor oder bei der Antragstellung existieren. Spätestens zum Projektbeginn muss eine Produktivumgebung zur Verfügung stehen. Vor diesem Hintergrund ist das Konzept „Rapid L-TER VRE“ speziell für eine schnelle (engl. rapid) Entwicklung von VRE Prototypen mit einer kurzen Übergangsphase in den Produktivbetrieb ausgelegt. Das Baukastenkonzept wird auf verschiedene existierende Projekte im Umfeld des Fachgebietes „Environmental Informatics“ und der Fakultät „Umwelt und Naturwissenschaften“ der BTU Cottbus-Senftenberg konzeptionell, sowie in der Form von Prototypen angewendet und dessen Anwendbarkeit allgemein bewertet. Aus den Erkenntnissen werden allgemeine Schlussfolgerungen in Bezug auf den Einsatz von Technologien und die Nachhaltigkeit für den erfolgreichen Betrieb von L-TER VREs gezogen – dabei steht der Mensch als „maßgeblicher“ Faktor im Mittelpunkt.
There is an increased focus on interdisciplinary research in hydroinformatic related projects for applications such as integrated water resources management, climate change modelling, etc. The solution of common problems in interdisciplinary projects requires the integration of hydroinformatic models into hydroinformatic systems by coupling of models, enabling them to efficiently share and exchange information amongst themselves.
Coupling of models is a complex task and involves various challenges. Such challenges arise due to factors such as models required to be coupled together lacking coupling capabilities, different models having different internal data formats, lack of a coupling mechanism, etc. From the perspective of physics, different models may use different discretisations in space and time, operate on different scales in space and time, etc.
A model coupling concept using a coupling broker, that is independent from the coupled models, has been developed in this work and been implemented as a prototype for a software framework for coupling hydroinformatic models. It is based on the approach of tensor objects and the ideas of the OpenMI standard for model coupling. Tensor objects are a complete representation of physical state variables including dimensions, units, values, coordinate systems, geometry, topology and metadata. They are autonomous entities that can adapt themselves to the requirements of coupled models through operations such as scaling, mapping, interpolation in space and time, etc. The central entity in coupling is the Tensor Exchange Server, which acts as the coupling broker. It is responsible for defining the coupling mechanism, brokering the communication between the models and adapting the information to the requirements of the coupled models by taking advantage of the functionality provided by tensor objects. By fulfilling these roles in coupling, the coupling broker concept goes one step further than tools such as the OpenMI standard and facilitates the task of coupling models since each coupled model doesn't individually need to be adapted to be able to perform these tasks on its own.
The usefulness of the coupling broker concept for coupling models is demonstrated with the help of three application examples: firstly, a subsurface-flow model coupled with a model simulating metabolism in the hyporheic zone, secondly, a subsurface-flow model coupled with a surface-flow model and finally, an information management system presenting the results of a hydrodynamic simulation of a section of the river Rhine. These examples demonstrate the extensibility and flexibility of the presented coupling concept, which can be used to couple multiple hydroinformatic models in hydroinformatic systems.
This report introduces the monitoring installations of the artificial catchment 'Chicken Creek' and summarizes results of the measurement in the period 2005-2008, covering various aspects and compartments from meteorology and hydrology, soil and soil solution chemistry, vegetation and soil fauna to limnology and surface patternsfor the period 2005 to 2008. This volume is the beginning of a series with results of the ongoing Chicken Creek monitoring program.
Die zeitliche Variabilität des Niederschlages auf Skalen von Jahren bis hin zu Ereignissen ist von wesentlicher Bedeutung für die Untersuchung hydrologischer Prozesse. Langjährige Reihen von Niederschlagsdaten mit einer hohen zeitlichen Auflösung stehen nur selten zur Verfügung. Eine Möglichkeit, die Einflüsse der Variabilität von Niederschlägen auf die hydrologischen Prozesse dennoch zu quantifizieren, ist es, stochastisch generierte Reihen als Eingangsdaten für hydrologische Modelle zu nutzen. In dieser Arbeit wurde ein stochastischer Niederschlagsgenerator der aus zwei Stufen besteht, entwickelt. Zunächst erfolgt die Generierung von Niederschlagsereignissen durch ein Poisson-Rectangular-Pulse (PRP) Modell, anschließend werden diese Ereignisse durch eine mikrokanonische multiplikative Zufallskaskade disaggregiert. Die Methodik wurde in die frei zugängliche Software R implementiert.