Scale and stream network structure in geostatistical hydrological analyses

Geostatistische hydrologische Analysen unter Berücksichtigung von Skalenaspekten und Gewässernetzstruktur

Wien

2007

236 S.

Ill., graph. Darst., Kt., zahlr. Lit. Ang.

Bandaufführung

13978-3-85234-091-3(falsch)

8736

136573

Für viele hydrologischen Aufgabenstellungen, wie etwa Risikoanalysen, die Bestimmung von Eingangsgrößen in hydrologische Modelle, und die Erstellung von Karten hydrologischer Größen, ist es notwendig, flächendeckend die räumliche Verteilung hydrologischer Variablen zu kennen. Zu diesen Variablen zählen der Niederschlag, Bodenfeuchte, Grundwasserstände, und die hydraulische Durchlässigkeit sowie der Abfluss aus Einzugsgebieten. Meist sind nur Punktmessungen bzw. räumlich aggregierte Messungen vorhanden und es ist deshalb notwendig, diese Variablen an Stellen ohne Messungen zu berechnen. Geostatistische Methoden stellen ein interessantes Instrumentarium dar, solche Variablen zu analysieren und zu bestimmen. Diese Analysen werden durch die Fehler in die Korrelationsstruktur beeinflusst, die in der Regel unbekannt sind. Auch wurde die Gewässernetzstruktur bislang in den vorliegenden Methoden kaum berücksichtigt. Ziel dieser Dissertation ist es, die systematischen und zufälligen Fehler der geostatistischen Schätzung zufolge der räumlichen Anordnung (Distanz zwischen den Messungen, Größe des gesamten abgedeckten Bereichs und Fläche einer Messung) zu bestimmen, und geostatistische Methoden zu entwickeln, die es erlauben, hydrologische Variablen auf dem Gewässernetz an Stellen ohne Daten zu schätzen. Die erste Zielsetzung wird in den Kapiteln 2-4 behandelt. Zufallsfelder werden generiert, aus denen Stichproben gezogen werden, um die räumliche Korrelationsstruktur zu schätzen und die Skaleneffekte auf die geschätzte Korrelationsstruktur zu bestimmen. Die Ergebnisse geben die Größe der systematischen und zufälligen Fehler als Funktion der räumlichen Anordnung an und geben Hinweise für die Interpretation der Daten und zur Korrektur der systematischen Fehler. Diese Ergebnisse werden in Kapitel 4 für die Analyse der charakteristischen Skalen von Niederschlag, Abfluss, Grundwasser und Bodenfeuchte in einer geostatistischen Variogrammanalyse verwendet. Die zweite Zielsetzung wird in den Kapiteln 5-7 ausgearbeitet. In den Kapiteln 6 und 7 wird eine als topologisches Kriging oder Top-kriging bezeichnete neue Methode entwickelt, die es ermöglicht, mit dem Abfluss in Zusammenhang stehende Kenngrößen für ein Gewässernetz zu schätzen. In Kapitel 6 wird Top-kriging verwendet, um die 100 jährlichen Hochwasserspenden in Österreich zu bestimmen einschließlich deren Unsicherheit. Sowohl die Schätzwerte der Spenden als auch die Schätzwerte der Unsicherheit sind genauer als vergleichbare Ergebnisse, die mit dem konventionellen Ordinary Kriging Ansatz erzielt werden können. In Kapitel 7 wird Top-kriging erweitert unter Verwendung der Ergebnisse aus Kapitel 5 und einem einfachen Wellenablaufmodell, um Zeitreihen des Abflusses mit hoher zeitlicher Auflösung für Einzugsgebiete ohne Abflussmessungen zu berechnen. Die mit Top-kriging erzielten Ergebnisse sind wesentlich genauer als die Ergebnisse des konventionellen Niederschlag-Abflussmodellansatzes, jeweils ausgedrückt durch die Modelleffizienzen.