21.12.2016

Wie aggregiert man diese flächige Wasserstandsinformation über die Zeit zu Überflutungsdauern?

Wie aggregiert man diese flächige Wasserstandsinformation über die Zeit zu Überflutungsdauern?

http://r.bafg.de/shiny/WeberA/07-flood3/

Abfrage der nächstgelegenen Pegel

• https://pegelonline.wsv.de/gast/stammdaten?pegelnr=501490
• https://pegelonline.wsv.de/gast/stammdaten?pegelnr=502000

Wasserstände der angrenzenden Pegel

Lineare Interpolation

Einleitung

• FLYS3 ist kein hydraulisches Modell, sondern eine Plattform zur Ausgabe und Interpolation von Modellergebnissen
• FLYS3 stellt 30 stationäre Wasserspiegellagen für gleichwertige Abflusslängsschnitte von 0.5MNQ bis HQ500 aus 1d-SOBEK-Berechnungen bereit
• https://www.bafg.de/DE/5_Informiert/1_Portale_Dienste/FLYS/flys_node.html
• Quellcode verfügbar auf http://www.dive4elements.org

Verfügbare Wasserspiegellagen

Verfügbare Wasserspiegellagen

Ausgewählte Wasserspiegellagen

Interpolierte Wasserspiegellagen

Interpolierte Wasserspiegellagen

Interpolierte Wasserspiegellagen

Interpolierte Wasserspiegellagen

Interpolierte Wasserspiegellagen

Vergleich der Wasserspiegellagen

Zusammenfassung

• FLYS3 interpoliert stationäre Wasserspiegellagen abschnittsweise mit jeweils einem Bezugspegel
• Die Auswahl des Bezugspegels und dessen relativer Abfluss kann starken Einfluss auf die resultierende Wasserspiegellage haben
• Ungleichwertige Abflüsse großer Nebengewässer können Differenzen von mehreren Dezimetern zwischen mit FLYS3 abschnittsweise berechneten Wasserspiegellagen verursachen
• Sprünge, bzw. Diskontinuitäten an Abschnittsgrenzen sind daher unvermeidbar

Einleitung

• hyd1d ist als R-Paket programmiert und über CRAN unter der GPL2 veröffentlicht
• hyd1d integriert Paket-eigene Pegeldaten aus der WISKI7-Datenbank, aktuelle Pegeldaten von PEGELONLINE, und Wasserspiegellagen von FLYS3
• Pegel- und Wasserspiegeldaten werden so miteinander interpoliert, dass resultierenden Wasserspiegellagen auch über lange Strecken keine Diskontinuitäten aufweisen

Methodik

1. Bestimmung der relevanten Pegel für den Berechnungsort, bzw. die Berechnungsstrecke
2. Bestimmung der Wasserstände dieser Pegeln zum gewählten Zeitpunkt
3. Aufteilung der Berechnungsstrecke in Abschnitte, die von jeweils zwei Pegeln eingerahmt werden
4. Abschnittsweise Bestimmung, welche FLYS3-Wasserspiegellagen die Wasserspiegellagen an den beiden Pegeln einrahmen
5. Abschnittsweise, entfernungsabhängige Interpolation zwischen den einrahmenden FLYS3-Wasserspiegellagen

1. Streckenrelevante Pegel

2. Wasserstände

3. Aufteilung der Berechnungsstrecke

4. Einrahmende Wasserspiegellagen

5.1 Gewichtung an den Pegeln

5.2 Gewichtung entlang der Strecke

5.3 Interpolation der Wasserspiegellage

5.4 Interpolationen zusammengefasst

Vergleich der Wasserspiegellagen

Vergleich der Wasserspiegellagen

Vergleich der Wasserspiegellagen

Zusammenfassung

• hyd1d interpoliert stationäre Wasserspiegellagen von FLYS3 abschnittsweise mit Hilfe der umliegenden Pegel
• Die Interpolation wird mit allen für den Zeitpunkt und den Gewässerabschnitt verfügbaren Pegeldaten durchgeführt
• Ungleichwertige Abflüsse großer Nebengewässer werden durch die Pegel abgebildet.
• Sprünge, bzw. Diskontinuitäten werden durch das abschnittssweise Aufhängen der resultierenden Wasserspiegellage an den Pegeln unmöglich

Installation

• hyd1d ist über CRAN verfügbar. Zur Installation und zum Laden reicht:

install.packages("hyd1d")
library("hyd1d")

• Zur Installation der aktuellsten Entwicklungsversion von Github sind folgende Befehle nötig:

install.packages("devtools")
library("devtools")
install_github("bafg-bund/hyd1d")

S4-Klasse WaterLevelDataFrame

• Eine S4-Klasse auf Basis der S3-Klasse data.frame
• In diesem wird intern die Wasserspiegellage abgelegt
• 8 weitere Slots beinhalten alle weiteren berechnungs- und darstellungsrelevanten Informationen

S4-Klasse WaterLevelDataFrame

## 'data.frame':    51 obs. of  6 variables:
## Formal class 'WaterLevelDataFrame' [package "hyd1d"] with 9 slots
##   ..@ .Data                   :List of 6
##   ..@ river                   : chr "Elbe"
##   ..@ time                    : POSIXct, format: "2016-12-21"
##   ..@ gauging_stations        :'data.frame': 4 obs. of  27 variables:
##   ..@ gauging_stations_missing: chr 
##   ..@ comment                 : chr "Computed by waterLevel()."
##   ..@ names                   : chr  "station" "station_int" "w" ...
##   ..@ row.names               : chr  "1" "2" "3" ...
##   ..@ .S3Class                : chr "data.frame"

S4-Klasse WaterLevelDataFrame

##   station station_int     w section   weight_x  weight_y
## 1   257.0      257000 55.35       1 0.06557377 0.1833680
## 2   257.1      257100 55.33       1 0.05737705 0.1845542
## 3   257.2      257200 55.31       1 0.04918033 0.1857403
## 4   257.3      257300 55.29       1 0.04098361 0.1869264
## 5   257.4      257400 55.27       1 0.03278689 0.1881126
## 6   257.5      257500 55.25       1 0.02459016 0.1892987

S4-Klasse WaterLevelDataFrame

## 'data.frame':    4 obs. of  27 variables:
##  $ id                : int  13 14 15 16
##  $ gauging_station   : chr  "VOCKERODE" "ROSSLAU" "DESSAU" ...
##  $ uuid              : chr  "ae93f2a5-612e-4514-b5fd-9c8aecdd73c7" "e97116a4-7d30-4671-8ba1-cdce0a153d1d" "1edc5fa4-88af-47f5-95a4-0e77a06fe8b1" ...
##  $ km                : num  246 258 261 275
##  $ km_qps            : num  246 258 261 275
##  $ river             : chr  "ELBE" "ELBE" "ELBE" ...
##  $ longitude         : num  12.4 12.2 12.2 12.1
##  $ latitude          : num  51.9 51.9 51.9 51.9
##  $ mw                : num  2.35 2.11 2.27 2.15
##  $ mw_timespan       : chr  "2000-11-01 - 2010-10-31" "2000-11-01 - 2010-10-31" "2000-11-01 - 2010-10-31" ...
##  $ pnp               : num  55.9 53.8 52.9 50.2
##  $ w                 : num  152 137 165 150
##  $ wl                : num  57.5 55.2 54.6 51.7
##  $ n_wls_below_w_do  : int  NA 3 4 4
##  $ n_wls_above_w_do  : int  NA 27 26 26
##  $ n_wls_below_w_up  : int  3 3 4 NA
##  $ n_wls_above_w_up  : int  27 27 26 NA
##  $ name_wl_below_w_do: chr  NA "0.5MQ" "0.5MQ" ...
##  $ name_wl_above_w_do: chr  NA "a" "0.75MQ" ...
##  $ name_wl_below_w_up: chr  "0.5MQ" "0.5MQ" "a" ...
##  $ name_wl_above_w_up: chr  "a" "0.75MQ" "0.75MQ" ...
##  $ w_wl_below_w_do   : num  NA 55.1 54.2 51.7
##  $ w_wl_above_w_do   : num  NA 55.4 54.8 51.9
##  $ w_wl_below_w_up   : num  57.4 55.1 54.5 NA
##  $ w_wl_above_w_up   : num  57.7 55.7 54.8 NA
##  $ weight_up         : num  0.0481 0.1 0.2654 NA
##  $ weight_do         : num  NA 0.193 0.646 0.173

waterLevel…()-Funktionen

• waterLevelFlut1()
• waterLevelFlys3()
• waterLevelFlys3InterpolateX()
• waterLevelFlys3InterpolateY()
• waterLevel()
• waterLevelPegelonline()

Einleitung

• hydflood ist als R-Paket programmiert und über CRAN unter der GPL2 veröffentlicht
• hydflood dient der Berechnung von Überflutungsflächen und -dauern, äquivalent zum INFORM-Modul Flut 3.
• Wasserspiegellagen, die mittels hyd1d berechnet wurden, werden über Querprofilflächen in die Aue extrapoliert und mit digitalen Geländemodellen (DGM’s) verglichen

Datengrundlagen

• Querprofilspuren aus den SOBEK-Modellen für FLYS3, umgerechnet zu Querprofilflächen (qpf)
• Wasserspiegellagen von hyd1d
• Digitale Geländemodelle (dgm)

flood3()-Funktion

• Berechnung der Wasserspiegellage
• Übertrag der Wasserspiegellage über das Join-Feld station_int auf die Querprofilflächen (qpf)
• ufd[qpf > dgm] = ufd[qpf > dgm] + 1
• gegebenenfalls Wiederholung über eine Sequenz von Zeitschritten

21.12.2016

2002

2016

Vergleich von Überflutungsdauern

• Es fehlt ein Vergleich zwischen den Überflutungsdauern nach flood3 und einem instationären 2D- oder 3D-Hydraulik-Modell und realen Messdaten

Zusammenfassung

• hydflood verwendet interpolierte Wasserspiegellagen von hyd1d, um mittels der Funktion flood3() Überflutungsflächen und -dauern zu berechnen
• Vorteile:
  • wenige, bereits vorhandene Eingangsdatensätze (DGM, Querprofilspuren, Pegeldaten)
  • hohe räumliche und zeitliche Auflösung
  • kachelweise parallelisierbare, schnelle und großflächige Berechnung
• Nachteil:
  • kein physikalisches Modell, auch Flächen ohne Zufluss werden überflutet

Installation

• hydflood ist über CRAN verfügbar. Zur Installation und zum Laden reicht:

install.packages("hydflood")
library("hydflood")

• Zur Installation der aktuellsten Entwicklungsversion von Github sind folgende Befehle nötig:

install.packages("devtools")
library("devtools")
install_github("bafg-bund/hydflood")

hydSpatRaster

• Ein Objekt auf Basis der S4-Klasse SpatRaster
• Beinhaltet Layer des digitalen Geländemodells (dgm) und der Querprofilflächen (qpf)
• eigene Datensätze sind verwendbar, ansonsten stehen Paket-eigene Querprofilfächen und downloadbare digitale Geländemodelle (dgm) zur Verfügung
• für diese automatisierte Erstellung eines SpatRaster müssen nur die Ausdehnung (ext) und das Koordinatensystem (crs) angegeben werden

hydSpatRaster

• Initialisierung des hydSpatRaster mit Nutzer-eigenen Datensätzen

x <- hydSpatRaster(filename_dem = "data-raw/raster.dem.tif",
                   filename_csa = "data-raw/raster.csa.tif")

• mit extent(x) und CRS(x) SpatRaster initialisieren und Daten herunterladen

ext <- extent(x)
crs <- CRS(x)
x <- hydSpatRaster(ext = ext, crs = crs)

hydSpatRaster

## S4 class 'SpatRaster' [package "terra"]

flood3()

# Initialisierung von x mit eigenen Datensätzen
x <- hydSpatRaster(filename_dem = "data-raw/raster.dem.tif",
                   filename_csa = "data-raw/raster.csa.tif")

# Sequenz des Berechnungszeitraums
seq <- seq.Date(from = as.Date("2017-01-01"),
                to = as.Date("2017-12-31"),
                by = "day")

# Berechnung der Überflutungsdauer
ufd <- flood3(x = x, seq = seq)

hyd1d

• OpenSource-Package auf CRAN
• Dokumentationswebseite
• beinhaltet eine Veröffentlichung von FLYS3-Wasserspiegellagen und WISKI7-Pegeldaten
• vorberechnete 1d-Wasserspiegellagen für Rhein und Elbe vom 01.01.1990 bis gestern
• Shiny-Services waterLevel() und waterLevelPegelonline()
• Einbettung der Shiny-Services in FLYS3 3.3

hydflood

• OpenSource-Package auf CRAN
• Dokumentationswebseite
• beinhaltet eine (Wieder-)Veröffentlichung der DGM-W’s und der Querprofilflächen
• jährliche Überflutungsdauerraster von 1990 bis 2019
• langjährig aggregierte Überflutungsdauerraster
• WMS-Dienste der jährlichen und aggregierten Überflutungsdauerraster
• Shiny-Services flood3daily und flood3wms
• Einbettung der WMS-Dienste in FLYS3 3.3
• Einbettung der Shiny-Services in FLYS3 3.3

Danke

• Z2: Klaus Reuter, Kai Schramm
• M1: Wilfried Wiechmann und das Team der Datenstelle M1
• M2: Wolfgang Stürmer, Markus Promny, Bastian Klein
• M3: Marcel Reiss
• M4: Torsten Fay, Thomas Recknagel
• M5: Lars Schumann
• U3: Peter Horchler, Elmar Fuchs, Uwe Schröder