Simulation und Prognose des Schmelzwasserabflusses sowie Bestimmung des regionalen Schneewasseräquivalents unter Zuhilfenahme von Satellitenbilddaten

Zürich

1991

126 S.

33 Abb., zahlr. Lit. Ang.

Bandaufführung

108270

Schnee stellt in den Alpen eine wichtige Ressource dar. Die Einflüsse reichen vom Schnee als willkommener natürlicher Rohstoff (Energiequelle) bis zum Schnee als potentielle Gefahr. Folgende Ziele sollten mit dieser Arbeit erreicht werden: (a) Das Anlegen eines Schneekartierungs-Kataloges für das Einzugsgebiet Rhein-Felsberg und Teilgebiete (b) Die Bestimmung und der Vergleich von Wasseräquivalenten nach regionalen und saisonalen Aspekten sowie deren kartographische Aufbereitung (c) Zurverfügungstellung eines Werkzeuges, welches über Menge und Zeitpunkt des zu erwartenden Wasserabflusses Auskunft gibt (kurzfristige und saisonale Abflussprognosen) Methodik/Vorgehen. Um die genannten Ziele zu erreichen, musste vorerst die Wahl eines geeigneten Abflussmodells getroffen werden. Die Wahl fiel auf das "Snowmelt Runoff Model" (SRM) von MARTINEC. Als Eingabevariablen verlangt dieses Modell Temperatur-, Niederschlags- und Schneeflächenwerte. Für die grossräumige Bestimmung der Schneefläche drängte sich der Einsatz von Satellitenbildern auf. Insgesamt wurden 16 Landsat-MSS-Szenen aus den Jahren 1982/85/ 87/88 mit den Methoden der digitalen Bildverarbeitung ausgewertet.
Verschiedene Vorverarbeitungsschritte kamen zur Anwendung: Durch die Bestimmung von Abbildungsparametern mit Hilfe der Passpunktmethode transformierten wir die Satellitenbilder auf das Koordinetennetz der Schweizerischen Landeskarte. Gleichzeitig wurden die Landsat-Pixel in Rastereinheiten von 100 m x 100 m uberführt. Durch überwachte Klassifikation erfolgte die eigentliche Schneeflächenbestimmung. Vorerst wurde eine Maske erstellt, in welcher die auszuwertenden Bildpixel der sonnenzu- bzw. der sonnenabgekehrten Exposition zugeordnet wurden. Jeden der beiden Bildteile klassifizierten wir für sich mit dem eindimensionalen PPD im MSS-Kanal-2. Die Versuche zeigten, dass sich dieselbe Genauigkeit wie mit dem aufwendigeren Verfahren der überwachten Klassifikation nach der Maximum-Likelihood-Methode erreichen lassen. Als Klassifikationsresultate erhielten wir die drei Hauptkategorien Schnee-, Übergangs- und Aperzone. Diese Zuordnung wurde für jedes Pixel vorgenommen und erfolgte aufgrund der Kenntnis der Lage (aus der geometrische Korrektur) und der Höhe (aus dem DGM) unter Zuhilfenahme von Kriterien der Statistik.
Die Auswertung der Schneeflächenanteile, aufgelistet nach Regionen und Zonen, ermöglichte die Beurteilung neuer Schneesituationen. Aufgrund von Vergleichen des neuen mit historischen Bildern durch visuelle Kriterien entfiel der Weg über die digitale Klassifikation. Ein Schneekartierungs-Kotalog mit 16 Satellitenbildern konnte erstellt und seine Verwendbarkeit nachgewiesen werden.
Für die auswertbaren Jahre 1982/85/88 - es muss je ein Datensatz mehrerer Schneeflächenbestimmungen der Ausaperungsperiode existieren - konstruierten wir für jede Zone jeder Region je eine Schneebedeckungskurve des Sommerhalbjahres. Simulation und Prognose. Es wurden Wasserabflussimulationen für die Einzugsgebiete Sedrun und Tavanasa durchgeführt. Diese beiden Gebiete werden zur hydroelektrischen Energiegewinnung besonders intensiv genutzt. Es standen alle notwendigen Kontrollwerte zur Verfügung. Die Resultate für die Erhebungsjahre zeigten eine Volumendifferenz des gemessenen gegenüber dem berechneten Abflusswert von weniger als 10 X, und auch die Simulationsgüte erreichte R2-Werte zwischen 0.72 und 0.86. Anhand von zwei Beispielen zeigten wir die Möglichkeit von Tagesabflussprognosen auf. Ein Verfahren zur Erstellung von Saisonprognosen wurde ebenfalls vorgeschlagen.
Kartierung der regionalen Wasseräquivalente
Hier wurde die während der Wintersaison akkumulierte Schneemenge in Form von Wasseräquivalents-Werten regionenweise bestimmt und gegenseitig verglichen. Ais Untersuchungsgebiet wählten wir das Einzugsgebiet des Rheines bis Felsberg bei Chur. Anhand klimatologisch/geographischer Kriterien teilten wir das Gebiet in neun (bzw. zehn) Regionen auf. Jede dieser Regionen wurde im weiteren in Abhängigkeit der Höhenlage untersucht. Es kamen je nach höhenmässiger Ausdehnung drei bis fünf Höhenzonen zum Einsatz.
Unter Einbezug der Temperatur und des Niederschlages sowie mehrerer Parameter errechneten wir modifizierte Schneebedeckungskurven. Durch Anwendung der Grad-Tag-Methode wurde die Schneeschmelze von der zeitlichen Komponente unabhängig dargestellt. Dieser Umstand ermöglichte die gesuchten regionalen und saisonalen Unterschiede der Region des gesamten Einzugsgebietes Rhein-Felsberg aufzuzeigen.
Der Vergleich der definierten Regionen bezog sich ausschliesslich auf die drei untersuchten Jahre 1982/85/88: * Für alle drei Jahre war eine Schneeabnahme von West nach 0st festzustellen. Bei detaillierter Betrachtung erkannten wir ein Maximum im Nordwesten des Untersuchungsgebietes Rhein-Felsberg.
* Auch unsere Messungen bestätigten, dass das Jahr 1982 ein Maximaljahr darstellte. Sowohl for den Westen wie auch für den Osten konnten fur dieses Jahr die grössten Schneemengen gemessen werden. * In Jahren mit überdurchschnittlichen Südwetterlagen traten ebenfalls hohe Wasseräquivalente im Sodwesten und Süden auf. Das Jahr 1985 zeigte für diese Lagen Werte annähernd so hoch wie die Maximalwerte des Westteiles des Einzugsgebietes. Grundsätzlich kann folgendes gesagt werden: * Die Bestimmung der Wasseräquivalente für ausgewählte Regionen und Höhenzonen war durch die periodische Kartierung der Schneebedeckung während der Schmelzsaison durch Satellitenaufnahmen möglich.
* Die Resultate zeigen die regionale Schneeverteilung, die Hohenabhängigkeit der Schneeakkumulation und die Variation der Verteilung in verschiedenen Jahren. Durch Vergleich der Wasseräquivalente aus den durchschnittlichen Flächenwerten gegenüber Punktmessungen wurde es möglich, die Repräsentanz der Messstation fur die betreffende Lokalitat einzuschätzen.
* Die regionale Schneeverteilung wurde ohne Kalibrierung aber Anpassung an Bodenmessungen bestimmt. Daraus folgt, dass die Methode auch in Gebieten mit ungenügendem oder gar fehlendem Schneemessnetz möglich ist. Die Simulation der saisonalen Schneebedeckung verschiedener Szenarien eines geänderten Klimas ist denkbar. Operationelle Bestimmung des Abflussvolumens Folgende Probleme sind bis zum gegenwärtigen Zeitpunkt noch nicht zur vollen Zufriedenheit lösbar: * Schneekartierung: Es müssen Satellitenbilder verfügbar sein, die den geforderten Qualitatsansprüchen genügen und zudem in den geforderten Zeitlimiten beim Auswerter eintreffen. * Meteorologische Daten: Fur Kurzfristprognosen sind zuverlässige Prognosewerte für die Temperatur und für die Niederschläge erforderlich. * Historische Vergleichsdaten: Saisonprognosen bedingen für die Extrapolation Vergleichsdaten von mindestens fünf ausgewerteten Schneeschmelzperioden. Schlussbemerkung Die gesteckten Hauptziele konnten erreicht werden: * Ein Schneekartierungs-Katalog steht bereit. * Die untersuchten Regionen sind aufgrund der Wasseräquivalente regional und saisonal vergleichbar. Die absolute und die relative Schneebedeckung wurde kartographisch aufbereitet. * Mit den beschriebenen Varaussetzungen ist der Schneeschmelzwasser-Abfluss quantitativ und temporal prognostizierbar.