SCS-Method: Difference between revisions

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'''<big>Ereignisspezifischer Abflussbeiwert in Anlehnung an das Verfahren des Soil-Conservation-Service (SCS)</big>'''
'''<big>Event specific run-off coefficient on the basis of the Curve-Number-Method (CN-Method)of the Soil-Conservation-Service (SCS)</big>'''
__TOC__
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==Theorie==
==Theory==
Das in BlueM verwendete Verfahren ist eine Weiterentwicklung nach {{:Literatur:Zaiß_1989}} der ursprünglichen ''Curve Number Method'' ({{:Literatur:USDA_1964}}).
The Method applied in BlueM is a further development of the CN-Method ({{:Literatur:USDA_1964}}) by {{:Literatur:Zaiß_1989}}
 
 
 
[[Bild:Theorie_Abb36.gif|thumb|Abbildung 36: Dependency of the run-off coefficient on previous history]]
By supplying a soil type and land use dependent CN
(refer to{{:Literatur:DVWK_1991}}) an antecedent dependent initial loss as well as an antecedent dependent relationship of the run-off coefficient on the accumulated amount of rain up to a desired point in time can be determined. This results in an increasing run-off coefficient due to the accumulating rain amount in the course of a rainfall event.


[[Bild:Theorie_Abb36.gif|thumb|Abbildung 36: Abhängigkeit des Abflussbeiwertes von der Vorgeschichte]]
Bei Angabe eines vom Bodentyp und der Bodennutzung abhängigen CN-Wertes (siehe {{:Literatur:DVWK_1991}}) lässt sich ein vorgeschichtsabhängiger Anfangsverlust sowie eine vorgeschichtsabhängige Beziehung des Abflussbeiwertes von der bis zum betrachteten Zeitpunkt akkumulierten Niederschlagshöhe formulieren; d.h. der Abflussbeiwert wächst mit zunehmendem Niederschlag im Verlauf des Ereignisses an.


In Abhängigkeit von der auf diese Weise quantifizierten Vorgeschichte kann unter Verwendung der gebietsspezifischen und für mittlere Vorfeuchteverhältnisse gültigen CN-Werte ein aktueller Abflussbeiwert berechnet werden. In [[:Bild:Theorie_Abb36.gif|Abbildung 36]] ist für unterschiedliche CN-Werte dargestellt, wie sich der aktuelle Abflussbeiwert in Abhängigkeit von der Vorgeschichte verändert.
In Abhängigkeit von der auf diese Weise quantifizierten Vorgeschichte kann unter Verwendung der gebietsspezifischen und für mittlere Vorfeuchteverhältnisse gültigen CN-Werte ein aktueller Abflussbeiwert berechnet werden. In [[:Bild:Theorie_Abb36.gif|Abbildung 36]] ist für unterschiedliche CN-Werte dargestellt, wie sich der aktuelle Abflussbeiwert in Abhängigkeit von der Vorgeschichte verändert.

Revision as of 02:42, 28 February 2013

{{#hierarchy-top:}} Event specific run-off coefficient on the basis of the Curve-Number-Method (CN-Method)of the Soil-Conservation-Service (SCS)

Theory

The Method applied in BlueM is a further development of the CN-Method (USDA (1964)[1]) by Zaiß (1989)[2]


Abbildung 36: Dependency of the run-off coefficient on previous history

By supplying a soil type and land use dependent CN (refer toDVWK (1991)[3]) an antecedent dependent initial loss as well as an antecedent dependent relationship of the run-off coefficient on the accumulated amount of rain up to a desired point in time can be determined. This results in an increasing run-off coefficient due to the accumulating rain amount in the course of a rainfall event.


In Abhängigkeit von der auf diese Weise quantifizierten Vorgeschichte kann unter Verwendung der gebietsspezifischen und für mittlere Vorfeuchteverhältnisse gültigen CN-Werte ein aktueller Abflussbeiwert berechnet werden. In Abbildung 36 ist für unterschiedliche CN-Werte dargestellt, wie sich der aktuelle Abflussbeiwert in Abhängigkeit von der Vorgeschichte verändert.

Abbildung 37: Abhängigkeit des Abflussbeiwertes von der kumulierten Niederschlagssumme

Da sich im Verlaufe eines Regenereignisses durch die Durchfeuchtung des Bodens die Abflussbereitschaft eines Einzugsgebiets verändert, wird ebenfalls eine Anpassung des Abflussbeiwertes während eines Ereignisses als Funktion der kumulierten Niederschlagshöhe vorgenommen. In Abbildung 37 ist dieser Zusammenhang für unterschiedliche CN-Werte dargestellt.

Vorsicht
Das SCS-Verfahren wurde für Simulationen von Einzelereignissen auf Tagesbasis konzipiert, für kontinuierliche Simulationen mit kleineren Zeitschritten ist eine Weiterentwicklung in Bearbeitung (siehe Bug 23 und Diskussion)

Berechnung

Einmalig berechnete Parameter

Eingangsgröße: CNII

Die Umrechnung von CNII in CNI bedeutet, dass davon ausgegangen wird, dass das Gebiet zu Beginn der Simulation trocken ist?!

Umrechnung von CNII in CNI:

[math]\displaystyle{ CN_I = \frac{CN_{II}}{(2.3340 - 0.01334 \cdot CN_{II})} }[/math]

Maximaler Gebietsrückhalt (Speichervermögen) Smax [mm]:

[math]\displaystyle{ S_{max} = \frac{25400}{CN_I} - 254 }[/math]

Gebietsspezifischer Anfangsverlust Ia [mm]:

[math]\displaystyle{ I_a = a \cdot S_{max} }[/math]
mit
a = Konstante, ursprünglich mit 0,2 angenommen[1], in BlueM für europäische Verhältnisse angepasst an 0,05[3]

Krümmungsparameter CVW:

Laut Sartor[4], der die selbe Gleichung verwendet, stammt dieser Ansatz aus der Dokumentation von SMUSI 3.0

[math]\displaystyle{ CVW = \frac{-100.}{\ln(\frac{0.5}{I_a})} }[/math]
entspricht b1 in Gl. 4.5b in Zaiß (1989)[5]
laut Zaiß:

Eine Abhängigkeit des "Krümmungsparameters" b1 von Gebietskenngrößen konnte im Rahmen dieser Arbeit nicht gefunden werden. Sie läßt sich nach den hier aufgeführten Zusammenhängen lediglich über Regressionsanalysen mehrerer N-A-Ereignisse für das jeweils betreffende Einzugsgebiet ermitteln.

kontinuierlich berechnete Parameter

Vorgeschichte

Die Quantifizierung der Vorgeschichte erfolgt über den 21-Tage-Vorregenindex VN:

[math]\displaystyle{ V_N = \sum_{j=0}^{21} C(j)^j \cdot h_{N,j} }[/math]
Gl. 2.1 in Zaiß (1989)[6]
mit
hN,j = Niederschlagshöhe des j-ten Vortags (j = 0 ist aktueller Tag)
C(j) = Faktor, der den Einfluss des j-ten Vortags beschreibt

Der Einfluss der Jahreszeit wird durch einen Jahresgang des Faktors C wiedergegeben.

[math]\displaystyle{ C = 0.85 \cdot \sin\left(\frac{2 \pi}{365}\right) (i + 0.75 ) + 0.85 }[/math]
Quelle? bei Zaiß finden sich nur so ähnliche Formeln (2.2 & 2.3)
mit
i = lfd. Tag des Abflussjahres

Damit schwankt der Wert C zwischen 0,8 < C < 0,9. Hierdurch wird erreicht, dass bei gleichem Vorregen zu unterschiedlichen Jahreszeiten unterschiedliche Vorregenindizes berechnet und damit eine veränderte Abflussbereitschaft in Rechnung gestellt wird.

Ereignisspezifischer Anfangsverlust

[math]\displaystyle{ h_{va} = I_a \cdot e^{-\frac{V_N}{CVW}} }[/math]
Gl. 4.5b in Zaiß (1989)[7]

Abflussbeiwert

Abhängigkeit von ψ zu hva und hNE (mit Av = 0.05)
[math]\displaystyle{ \psi = \begin{cases} 0, & h_{va} \ge h_{NE} \\ 1 - \left(\frac{h_{va}}{A_v \cdot h_{NE} + (1 - A_v) \cdot h_{va}}\right)^2, & h_{va} \lt h_{NE} \end{cases} }[/math]
Gl. 4.4 in Zaiß (1989)[8]
mit
Av = Verlustverhältnis = 0,05
hNE = ereignisbezogene Summe des Niederschlags [mm]

Literaturangaben

  1. ↑ 1.0 1.1 U.S. Department of Agriculture, Soil Conservation Service (1964): National Engineering Handbook, Section 4 Hydrology, Washington
    (überarbeitete Fassung von 2004: NEH Part 630 Ch. 10)
  2. ↑ Zaiß, H. (1989): Simulation ereignisspezifischer Einflüsse des Niederschlag-Abfluß-Prozesses von Hochwasserereignissen kleiner Einzugsgebiete mit N-A-Modellen. Technischer Bericht des Instituts für Ingenieurhydrologie und Hydraulik, TH Darmstadt, Nr. 42
  3. ↑ 3.0 3.1 DVWK (1991): Beitrag zur Bestimmung des effektiven Niederschlags für Bemessungshochwasser aus Gebietskenngrößen. Ergebnis einer vergleichenden Untersuchung durch den DVWK-Fachausschuß "Niederschlag-Abfluß-Modelle", Materialien, Heft 2
  4. ↑ Sartor, J. (1999): Einsatz der Langzeit-Seriensimulation für kleine Einzugsgebiete, In: Berichte des Fachgebietes Wasserbau und Wasserwirtschaft der Universität Kaiserslautern, Heft 9 (PDF)
  5. ↑ Zaiß, H. (1989): Simulation ereignisspezifischer Einflüsse des Niederschlag-Abfluß-Prozesses von Hochwasserereignissen kleiner Einzugsgebiete mit N-A-Modellen. Technischer Bericht des Instituts für Ingenieurhydrologie und Hydraulik, TH Darmstadt, Nr. 42
  6. ↑ Zaiß, H. (1989): Simulation ereignisspezifischer Einflüsse des Niederschlag-Abfluß-Prozesses von Hochwasserereignissen kleiner Einzugsgebiete mit N-A-Modellen. Technischer Bericht des Instituts für Ingenieurhydrologie und Hydraulik, TH Darmstadt, Nr. 42
  7. ↑ Zaiß, H. (1989): Simulation ereignisspezifischer Einflüsse des Niederschlag-Abfluß-Prozesses von Hochwasserereignissen kleiner Einzugsgebiete mit N-A-Modellen. Technischer Bericht des Instituts für Ingenieurhydrologie und Hydraulik, TH Darmstadt, Nr. 42
  8. ↑ Zaiß, H. (1989): Simulation ereignisspezifischer Einflüsse des Niederschlag-Abfluß-Prozesses von Hochwasserereignissen kleiner Einzugsgebiete mit N-A-Modellen. Technischer Bericht des Instituts für Ingenieurhydrologie und Hydraulik, TH Darmstadt, Nr. 42

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