Innovative Frühwarnsystem
Modell Kaskade
System-Übersicht
Das gesamte System besteht aus den folgenden Elementen:
- Lokale Institutionen, die korrigierte Radardaten liefern;
- Das von der ZAMG betriebene Modell INCA, das Radardaten gemeinsam mit anderen Informationen zur Erstellung von Nowcasting-Karten verwendet;
- Das INADEF-EWS (Frühwarnsystem), das die Nowcasting-Karten zusammen mit anderen Eingabedaten verwendet, um Frühwarnkarten und Alarmmeldungen zu erstellen.
INADEF-EWS
Das INADEF-EWS-System besteht wiederum aus mehreren Subsystemen:
- Ein Server, der verantwortlich ist für:
- Empfangen und speichern die Nowcasting Daten von der ZAMG;
- Ausführung des Abflussmodelles ZEMOKOST des BFW;
- Ausführung des Auslösemodells der UNIPD;
- Ein DBMS (Datenbankmanagementsystem) mit räumlichen Erweiterungen zur Speicherung von Eingabe- und Ausgabedaten der Modelle.
- Ein Webserver zur Bereitstellung von Simulationsergebnissen (Karten, Tabellen, Berichte…).
Datenfluss
- Lokale Behörden (ARPAV, ZAMG) liefern Radardaten, die in das INCA Nowcasting-Modell einfließen;
- INCA erzeugt Nowcasting-Karten für Niederschlag, die an das INADEF-EWS weitergegeben werden;
- INADEF-EWS Stellt die Nowcasting-Daten zusammen mit anderen Informationen für das Modell ZEMOKOST bereit;
- INADEF-EWS stellt die Ergebnisse des ZEMOKOST-Modells für das Mur– Auslösemodell bereit;
- INADEF-EWS verarbeitet die Resultate des Auslösemodells und stellt nützliche Ergebnisse (Alarme, Warnungen) über das Web bereit.
INCA - ZAMG
INCA ist ein Multiparameter-Analyse- und Nowcasting-System, das vom Österreichischen Wetterdienst ZAMG entwickelt wurde. Es nutzt verschiedene Eingangsdaten wie Stationsmessungen, Radar, Satellitendaten und NWP-Hintergrundinformationen, um gerasterte Analyse- und Nowcasting-Felder von Niederschlag, Niederschlagsart, Temperatur, Feuchte, Wind, Bewölkung, Schneefallgrenze und vielen anderen meteorologischen Größen zu erzeugen.
INCA Nowcasting-Felder sind extrapolationsbasiert und können mit NWP-Vorhersagen verschnitten werden (blending). Dadurch entsteht eine nahtlose Kette von Vorhersageprodukten vom Zeitpunkt Null bis zu einigen Tagen im Voraus. Der INCA-Output kann als Input für Anwendungen in anderen Bereichen verwendet werden, wie z.B. in der hydrologischen Abflussmodellierung oder Murgangmodellierung.
INCA ist sehr effektiv, d.h. es ist in der Lage, Ausgabefelder innerhalb weniger Minuten nach Erhalt der Beobachtungen zu erzeugen und liefert Informationen zu einem Zeitpunkt, zu dem noch keine NWP-Informationen verfügbar sind. Da INCA ein beobachtungsbasiertes System ist, hängt die Qualität der resultierenden Produkte stark von der rechtzeitigen Verfügbarkeit und Qualität der Eingangsdaten ab.
- Domäne: 8,5°-17,7° E und 45,8°- 49,4° N, deckt Österreich und Teile der Nachbarländer (z.B. Teile Norditaliens) ab.
- Auflösung: 1 x 1 km (701 x 401 Gitterpunkte)
- 5min oder 15min Update und Vorhersagezeitschritt für Niederschlag
- 1h Update und Vorhersagezeitschritt für Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Wind, etc.
- Nowcast-Bereich: 1-4 Stunden für Niederschlag und 6-12 Stunden für andere Parameter
- Nach dem Nowcasting-Bereich werden die Felder zu NWP-Vorhersagen mit einem Vorhersagebereich von bis zu 48 Stunden verschnitten
ZEMOKOST-BFW
Zemokost ist ein konzeptionelles Niederschlags- Abfluss-Modell für unbeobachtet Wildbacheinzugsgebiete. Die zwei wichtigsten Eingabeparameter sind:
- Räumliche Beschreibung des Einzugsgebiets
- Niederschlag
Räumliche Informationen: das Gerinne, beschrieben durch Fließlänge, Gefälle sowie Fließwiderstand, wird durch Knotenpunkte untergliedert. Zu jedem Knotenpunkt wird das hydrologische Einzugsgebiet benötigt (Teileinzugsgebiet). Für jedes Teileinzugsgebiet ist die Information zu Rauhigkeits- und Abflussbeiwert sowie weitere Geländeparameter (Hangneigung, Fläche etc.) erforderlich.
Der Niederschlag wird in dieser Modellkette aus den INCA Daten bezogen. INCA bietet viertelstündlichen Niederschlagsdaten mit der Auflösung von 1*1 km. Die für ZEMOKOST notwendigen Minutenwerte werden durch Interpolation gewonnen. Über die Verschneidung der Niederschlagspixel mit den (Teil)Einzugsgebieten werden die Niederschläge ermittelt, die Gewichtung erfolgt dabei entsprechend des Flächenanteiles jedes Pixels an der Einzugsgebietsfläche.
Für jedes Teileinzugsgebiet wird der Oberflächenabfluss in Form eines Hydrographen an dem entsprechenden Knoten ermittelt und in das darunter liegende Teileinzugsgebiet weitergeleitet, bis der letzte Knoten in der räumlichen Beschreibung erreicht wird. Nach der Modellierung liegt für jeden Knotenpunkt ein Abflusshydrograph (m³/s) in Minutenauflösung vor.
Das Auslösemodell
Das Auslösemodell, das einerseits überprüft, ob eine Mure ausgelöst wird und anderseits den Hydrographen des fest-flüssig Gemischs ermittelt ist das von Gregoretti et al. (2019) vorgeschlagene und von Bernard et al. (2019) verwendete Modell.
Es beruht auf der Abschätzung des zum Murgang beitragenden Abflussvolumens, auf dem Spitzenabfluss des fest-flüssig Gemischs und auf der Sedimentmenge, die dieses Volumen transportieren kann.
Sowohl das zum Murgang beitragende Abflussvolumen als auch der Spitzenabfluss des fest-flüssig Gemischs werden auf Grundlage des Abflusshydrographen, der morphologischen Eigenschaften (Neigung und Breite der Gerinnesohle) und der physikalischen Eigenschaften der Sedimente (Korngröße und abgelagerte Sedimentkonzentration) in der Auslösungszone bestimmt.
Die Feststoffmasse oder das Volumen, das durch die Mure transportiert wird, ist jenes welches entlang der Fließstrecke mitgerissen wird. Diese hängt sowohl von der Erosionsrate als auch von der Neigung und Länge des Abschnitts zwischen der Auslösungszone und dem Punkt, an dem der Hydrograph des fest-flüssig Gemischs ermittelt werden soll ab.
Der Maximalwert des Sedimentvolumens, der transportiert werden kann, entspricht einer durchschnittlichen Sedimentkonzentration von 0,9 c*, wobei c* der abgelagerte Feststoffgehalt ist.
Im Fall von granularen Murgängen weist der Unterschied zwischen dem DEM (Digital Elevation Model) vor und nach einem Ereignis im Murkanal des Rovina di Cancia darauf hin, dass der Sohlneigungswinkel von größer oder kleiner 15 für den dominierenden Prozess, Erosion oder Ablagerung, entscheidend ist (Simoni et al., 2020).
Dies bedeutet, dass wenn der Punkt, an dem der Hydrograph des fest-flüssig Gemischs bestimmt wird, eine Neigung kleiner 15 aufweist, muss auch eine Phase von Sedimentablagerung für die Schätzung des vom Murgang transportierten Sedimentvolumens berücksichtigt werden.
Diese Feldergebnisse werden durch Laborversuche von Lanzoni et al. (2017) zur Entstehung und Ablauf von Muren bestätigt, wo sich granulare Murgänge nur bei einem Sohlgefälle von mehr als 15 ° entwickeln.
Unterhalb der Auslösungszone nimmt die Gnaglnie des fest-flüssig Gemischs eine dreieckige Form an beginnend mit erhöhter Feststoffmasse/Fließhöhe (Simoni et al., 2020), wie der von Gregoretti et al. (2016a) beobachtete Abfluss-Hydrograph am Fuße einer Felswand.
Folglich kann, unter Annahme eines annähernd vertikalen Anstiegs von Null bis zum Spitzenwert und bei Kenntnis des zum Spitzenabfluss beitragenden Abflussvolumens, sowie der Spitzenabfluss des fest-flüssig Gemischs und der Feststoffmenge, die dreieckige Fläche des Hydrographen gemeinsam mit der Dauer bestimmt werden.
Die Methode zur Bestimmung des zum Murgang beitragenden Abflussvolumens (1) des Spitzenabflusses des fest-flüssig Gemischs (2) und des fest-flüssig Volumens (3) ist nachstehend ausführlich dargestellt.
Das Volumen des Oberflächenabflusses, der den Murgang auslöst, ist der Teil des Oberflächenabflusshydrographen, der größer ist als der spezifische kritische Oberflächenabfluss für die Bildung eines Murganges (Abbildung 1). Dieses Konzept wurde erstmals von Bennet et al. (2014) entwickelt und in Gregoretti et al. (2016b) erneut aufgegriffen. Der kritische Oberflächenabfluss ist der flüssige Abfluss, der in der Lage ist, die großen Ablagerungsmengen zu bewegen und mitzureißen, die für die Bildung eines Fest-Flüssig-Stroms erforderlich sind (Abbildung 2) und wurde ursprünglich von Tognacca et al. (2000) durch einen empirischen Bericht, der auf Untersuchungen zur Bildung von Murgängen in einem Versuchskanal basiert, vorkalkuliert:
qCRIT= 4 dM1.5 tanϑ-1.17
(1)
dabei ist qCRIT die spezifische kritische Durchflussrate pro Breiteneinheit, dM der durchschnittliche Durchmesser der Ablagerungen und ϑ der Sohlneigungswinkel. Gregoretti und Dalla Fontana (2008) haben einen ähnlichen Zusammenhang vorgeschlagen, basierend auf Untersuchungen im Laborkanal wo anfangs hohe Sedimentraten in einen Wasserstrom eingebracht werden:
qCRIT = 0.78 dM-1.5 tanϑ-1.27
(2)
Diese Gleichung (1) entspricht einem Murgang, der sich auf kurzer Strecke bildet, während Gleichung (2) die kritische Grenze zeigt, wo sich aufgrund der steigenden Sedimenterosionsrate ein Murgang ausbilden kann. Aus diesen Gründen sind die qCRIT -Werte gemäß Gleichung (1) viermal höher als diejenigen gemäß Gleichung (2). Darüber hinaus verglichen Gregoretti und Dalla Fontana (2008) die Schätzungen des kritischen Abflusses gemäß Gleichung (2) mit den simulierten Werten des Spitzenabflusses aus etwa 30 Murgangereignissen in den Dolomiten im Zeitraum von 1993-2006. Abbildung 3 zeigt, dass Gleichung (2) in dimensionsloser Form einen unteren Grenzwert für alle simulierten Spitzenwerte darstellt. Kürzlich haben Pastorello et al. (2020), ähnlich wie Tognacca et al. (2000) und Gregoretti und Dalla Fontana (2008), einen Zusammenhang vorgeschlagen, welcher den erforderlichen kritischen Oberflächenabfluss für die Auslösung eines Murgangs größeren Ausmaßes beschreibt.
Die maximale Fest-Flüssig-Durchflussmenge wird nach der von Takahashi (1978, 2007) vorgeschlagenen und von Lanzoni et al. aktualisierten Formel berechnet. (2017) basierend auf einer systematischen Versuchsreihe in einem im Labor gebauten Kanal:
QP=0.75c*/(c*– cF ) QPL (3)
wobei QP die maximale Fest-Flüssig-Durchflussmenge, c* die ruhende volumetrische Konzentration des Sediments, cF die Sedimentkonzentration an der Fließfront und QPL der Spitzenwert des Oberflächenabflusses ist. Diese Beziehung basiert auf der Massenerhaltung und unter der Annahme eines Maximalwerts von 0,9 c* für cF (Takahashi, 2007) kann der Spitzenwert des Fest-Flüssig-Durchflusses auf das 7,5-fache des Spitzenwertes des Oberflächenabflusses ansteigen. Feldbeobachtungen zeigen, dass dieser Verstärkungsfaktor möglicherweise unterschätzt wird (Kean et al., 2016). In der Literatur gibt es einige Formeln zur Abschätzung von cF (Gregoretti und Degetto, 2012). Hier präsentieren wir die Formel von Takahashi (1978), aktualisiert von Lanzoni et al. (2017):
cF=tanϑ/((ρs/ρ-1)(tanφqs-tanϑ)) 4)
wobei φqs der quasi-haftische Reibungswinkel ist (das Verhältnis zwischen Tangential- und Normalspannung in der Schicht, die mit dem Boden in Kontakt steht).
Das Fest-Flüssig-Volumen VSL wird berechnet, indem das Volumen des Oberflächenabflusses VL (die blau gestrichelte Fläche in Abbildung 1) zum Sedimentvolumen VSED oder der durchschnittlichen Sedimentkonzentration c addiert wird. Bei gesättigtem Sedimentvolumen gilt:
VSL = VL + VSED = VL + VS/c* (5)
sonst:
VSL = VL + (1 – c*)SVS/c* (6)
wobei VS das Feststoffvolumen und S der Sättigungsgrad des Sediments im Bach ist. Die Gleichungen (5) und (6) können auch unter Verwendung der durchschnittlichen Sedimentkonzentration c (VS/VSL) geschrieben werden. Ersetzt man c VSL durch VS , so ergeben sich die Gleichungen (5) und (6):
VSL = VL /(1 – c/c*) (7)
VSL = VL /(1 – (1-S)c -cS/c*) (8)
Mit der Kenntnis von QP und VSL kann die Fest-Flüssig-Ganglinie bestimmt werden, da seine Dauer fixiert wird tI = 2 VSL/QP (Abbildung 4).
Der Wert von QP wird nach der Berechnung von QPL und cF in Kenntnis der Sedimenteigenschaften (c*, jqs) und der Morphologie (J) im Auslösegebiet bestimmt. Der Wert von VSL wird auch durch VS oder c geschätzt. Die letztgenannten Werte hängen von der Erosionsrate ab, die mit der Spitze des Oberflächenabflussganglinie und dem Gefälle zunimmt (Lanzoni et al. 2017), sowie von der Länge des Gerinneabschnitts zwischen der Frontbildung und dem Punkt, an dem das Fest-Flüssig-Ganglinie bestimmt werden soll. Im Fall von Rovina di Cancia können die VSED– und c-Werte anhand von Daten früherer Murgangereignisse (simulierte Oberflächenabflussganglinien und während der Ausbreitung erodierte und abgelagerte Sedimentvolumina) geschätzt werden. Unter der Annahme von S = 1 und c* = 0,62 (Gregoretti et al., 2019), führen die Daten zu den Sedimentmengen, die von der Höhe 1666 m ü. M. bis zur hohen flachen Formation auf 1344 m ü. M. erodiert wurden (siehe Beschreibung des Standorts Cancia), und die Schätzungen des Volumens des Oberflächenabflusses, der zum Abfluss für die Ereignisse vom 18.7.2009, 23.7.2015, 4.8.2015, 1.7.2020 und 29.8.2020 beiträgt, zu einem durchschnittlichen c-Wert von 0,5 (0,38 < c < 0,56). Dieser Wert eignet sich für die Berechnung der Sedimentmenge, die von der Strömung vor der hohen flachen Formation transportiert wird. Die Daten über die von den Strömen im Zeitraum 1994-2020 transportierten Mengen geben außerdem an, dass die von den Strömen transportierte Sedimentmenge, die von der hohen flachen Formation und in dem ihr vorgelagerten Abschnitt zurückgehalten wird, etwa 10.000 m3 beträgt.
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Die WebGIS-Plattform
INADEF-EWS ist eine Webanwendung, die meteorologische und geomorphologische Daten und Modelle integriert und dem Endbenutzer Echtzeitinformationen zur Murganggefahr an ausgewählten Standorten (Einzugsgebiet) liefert.
INADEF-EWS wird kontinuierlich mit vom INCA-Modell generierten Niederschlags-Nowcasts gespeist und verwendet diese Eingaben zur Modellierung des Hochwasserabflusses (Modell ZEMOKOST) und in Folge für ein Murgang-Auslösemodells und eines Modells zur Abschätzung von Durchflussmenge und Volumen. Die Ergebnisse werden zur Ermittlung der potenziellen Gefahr durch ein Murereignis verwendet.
INADEF-EWS wurde ausschließlich unter Verwendung von Open-Source- Softwareplattformen und -Lösungen (PostgreSQL/PostGIS, GeoServer und OpenLayers) entwickelt.
INADEF-EWS verwendet eine klassische Client/Server-Architektur: Der Server (back-end) ist für das Input- und Output-Management und die Modelle zuständig und stellt dem Client Daten zur Verfügung. Der Client (HTML5) hat im Gegenzug die Aufgabe, dem Enduser die Daten in Form einer responsiven Webseite zu präsentieren, die von jedem mit dem Internet verbundenen Gerät aus erreicht werden kann.
