Sensitivitätsanalyse Des Wasserhaushaltsmodells LARSIM Für Das Einzugsgebiet Des Oberen Mains
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Sensitivitätsanalyse des Wasserhaushaltsmodells LARSIM für das Einzugsgebiet des Oberen Mains Wissenschaftliche Arbeit zur Erlangung des Grades B.Sc. an der Fakultät für Bau, Geo, Umwelt der Technischen Universität München. Betreut von Prof. Dr. Markus Disse M.Sc. Iris Konnerth Lehrstuhl für Hydrologie Eingereicht von Michelle Härder Adlzreiterstraße 31 80337 München Eingereicht am München, den 06.09.2017 Kurzfassung Die vorliegende Arbeit führt eine Sensitivitätsanalyse des Wasserhaushaltsmodells LARSIM im Einzugsgebiet des Oberen Mains durch. Dabei wird getestet, wie empfindlich das Modell auf interne gebietsabhängige Kalibriergrößen reagiert. Im ersten Schritt der Arbeit wurde ein Grundverständnis für die wichtigsten Begriffe geschaf- fen: Sensitivität und Wasserhaushalt (Kapitel 2). Darauf aufbauend wurde die Funktionswei- se des auf Sensitivität zu untersuchenden Wasserhaushaltsmodells LARSIM innerhalb des Einzugsgebiets des Oberen Mains erläutert (Kapitel 4). Im nächsten Schritt wurden die Para- meter, deren Auswirkung auf LARSIM untersucht werden soll, hinsichtlich ihrer Funktion und ihrer Kalibrierung beschrieben. In diesem Kontext wurden die Wertebereiche, innerhalb derer sich die Eichgrößen im Untersuchungsgebiet bewegen, dargestellt (Kapitel 5). Die bisherige Arbeit basiert auf Literaturrecherche. Für die darauf folgende Umsetzung der Sensitivitäts- analyse wurde mit MATLAB ein Programm geschrieben, das die Analyse automatisch durch- führt. Zusätzlich wurde die Anwendung durch eine mit MATLAB GUIDE erstellte Oberfläche verfeinert. Sie ermöglicht eine individuelle Eingabe der Bedingungen, unter denen die Ana- lyse stattfinden soll, und quantifiziert die Ergebnisse (Kapitel 6). Schlussendlich konnte die Sensitivitätsanalyse unter verschiedenen Bedingungen durchgeführt und mit Excel graphisch aufbereitet werden. Zwölf der 27 zu untersuchenden Parameter konnten als deutlich und sehr sensitiv kategorisiert werden (Kapitel 7). Die Ergebnisse dieser Arbeit sind eine Benutzeroberfläche, mit der eine Sensitivitätsanalyse durchgeführt werden kann, sowie die Kategorisierung der einflussreichsten Parameter des Modells LARSIM innerhalb des Einzugsgebiets des Oberen Mains. i Inhaltsverzeichnis Zusammenfassung ............................................................................................... i Abbildungsverzeichnis.......................................................................................... iv Tabellenverzeichnis............................................................................................... vi 1 Einleitung .................................................................................................... 1 2 Theoretische Grundlagen ............................................................................. 2 2.1 Sensitivitätsanalyse........................................................................................ 2 2.1.1 Definition der Sensitivitätsanalyse .................................................................... 2 2.1.2 Zielsetzungen der Sensitivitätsanalyse ............................................................. 2 2.2 Wasserhaushaltsmodell .................................................................................. 3 2.2.1 Hydrologisches Modell.................................................................................... 3 2.2.2 Komponenten des Wasserkreislaufs ................................................................. 3 2.2.3 Klassifizierung der Wasserhaushaltsmodelle ..................................................... 5 3 Zielsetzung und methodisches Vorgehen...................................................... 7 3.1 Zielsetzung ................................................................................................... 7 3.2 Methodisches Vorgehen.................................................................................. 8 4 LARSIM im Einzugsgebiet Oberer Main......................................................... 9 4.1 Konzeption.................................................................................................... 9 4.1.1 Entwicklung und Anwendung ........................................................................... 9 4.1.2 Modelltheoretische Einordnung von LARSIM ..................................................... 9 4.2 Input und Output ............................................................................................ 10 4.2.1 Räumliche Daten ........................................................................................... 10 4.2.2 Meteorologische Daten ................................................................................... 11 4.2.3 Ergebnis ....................................................................................................... 12 5 Gebietsabhängige Parameter........................................................................ 13 5.1 Einordnung der Parameter in LARSIM .............................................................. 13 5.2 Funktion der Parameter .................................................................................. 13 5.3 Kalibrierung der Parameter im Einzugsgebiet des Oberen Mains ......................... 18 5.4 Parametergrenzwerte des Einzugsgebietes....................................................... 19 6 Umsetzung der Sensitivitätsanalyse ............................................................. 21 6.1 Automatisierung der Sensitivitätsanalyse .......................................................... 21 6.1.1 Grundgedanke............................................................................................... 21 6.1.2 MATLAB-Funktionen....................................................................................... 21 6.1.3 Anwendung - Erstellung einer Benutzeroberfläche ............................................. 22 6.1.4 Abspeicherung und Kontrolle ........................................................................... 23 6.1.5 Beurteilung.................................................................................................... 24 6.2 Quantifizierung der Sensitivität ........................................................................ 25 6.2.1 Vergleich hinsichtlich Fläche und Steigung ........................................................ 25 6.2.2 Formel zur Quantifizierung der Sensitivität ........................................................ 25 ii 6.2.3 Kategorisierung der Sensitivität........................................................................ 27 6.2.4 MATLAB-Funktionen....................................................................................... 28 7 Auswertung der Sensitivitätsanalyse ............................................................ 32 7.1 Ergebnisse.................................................................................................... 32 7.1.1 Kemmern - fünf Jahre ..................................................................................... 32 7.1.2 Ködnitz - fünf Jahre ........................................................................................ 33 7.1.3 Ködnitz - ein Jahr ........................................................................................... 35 7.1.4 Separate Auswertung des Parameters KBoFeu.................................................. 37 7.2 Vergleiche der Ergebnisse............................................................................... 38 7.2.1 Ortsabhängige Auswertung ............................................................................. 38 7.2.2 Zeitabhängige Auswertung .............................................................................. 39 7.3 Zusammenfassung und Interpretation der Ergebnisse ........................................ 40 7.4 Diskussion .................................................................................................... 44 8 Zusammenfassung und Ausblick .................................................................. 45 Literaturverzeichnis .............................................................................................. 46 Anhang................................................................................................................. 48 iii Abbildungsverzeichnis Abbildung 1 Komponenten des Wasserkreislaufs [Ostrowski, 2009] ............................ 4 Abbildung 2 Klassifizierung des Wasserhaushaltsmodells LARSIM, verändert nach [o.V., 2016] ........................................................................................ 9 Abbildung 3 Schematische Struktur des Wasserhaushaltsmodells LARSIM, verändert nach [o.V., 2016]................................................................................. 10 Abbildung 4 Eichgrößen des LARSIM internen Schneemodells .................................. 15 Abbildung 5 Eichgrößen des Bodenspeichers, der Abflussbildung und der Abfluss- konzentration im Gerinne, verändert nach [o.V., 2016] ............................. 17 Abbildung 6 Übersicht über Funktion und Wertebereich der Eichgrößen...................... 20 Abbildung 7 Benutzeroberfläche für eine automatisierte Sensitivitätsanalyse des Was- serhaushaltsmodells LARSIM .............................................................. 23 Abbildung 8 Graphische Darstellung der Wirkung des Nenners auf die Sensitivität ...... 26 Abbildung 9 Differenzierung der Sensitivität im Hoch- und Niedrigwasser.................... 27 Abbildung 10 Benutzeroberfläche mit Tool zur Quantifizierung für eine automatisierte Sensitivitätsanalyse des Wasserhaushaltsmodells LARSIM ..................... 29 Abbildung 11 Schwachstelle