Eine automatisierte Methode zur Abgrenzung von Abflussgebieten der grünen Regenwasserinfrastruktur mithilfe von GIS

Von: Humaira Jahangiri¹, Virginia Smith^1* und Jonathan Nyquist²

Green Stormwater Infrastructure (GSI, grüne Regenwasserinfrastruktur) ist eine Lösung für sehr verstädterte Gemeinden, die es ermöglicht, die Regenwasserabflussmengen zu verringern und Schadstoffe zu vermeiden. Die richtige Schätzung des beteiligten Abflussgebiets ist für eine gut funktionierende GSI entscheidend. Um die Abgrenzung des beteiligten Abflussgebiets einer GSI in einem Stadtgebiet zu unterstützen, wurde ein Workflow entwickelt. Anders als bei der Abgrenzung von Abflussgebieten in unerschlossenen Gebieten müssen in Stadtgebieten die Mikrotopografie (wie Bordsteine, Gehwege oder Gebäude) und die Regenwasserinfrastruktur (wie Zuläufe, Dachrinnen oder GSI) beachtet werden, die den Abfluss verändern. Bei diesem umfassenden Workflow für die Abgrenzung von Abflussgebieten in einem Stadtgebiet werden GSI, Gebäude und Zuläufe einbezogen, indem das digitale Höhenmodell (DEM) so geändert wird, dass diese Features zu einen Bestandteil der hydrologischen Landschaft werden.

Das Abflussgebiet ist die Quantifizierung des Gebiets, dass in einem einzelnen Punkt abfließt. Zwar wurde bereits viel Arbeit in die Abgrenzung von Abflussgebieten und GSI investiert, es gibt aber noch keinen Konsens hinsichtlich der besten Methode für Abgrenzung von Abflussgebieten in Stadtgebieten. Abhängig von der zum Schätzen der Abflussgebiete angewendeten Methode und von der Auflösung der verwendeten Daten können für Standorte unterschiedliche Abflussgebiete angegeben werden. Abflussgebiete können mit AutoCAD-Zeichnungen oder physischen Surveys während eines Unwetters geschätzt werden. Bei beiden Methoden gibt es Herausforderungen und Fehlerquellen, z. B. die Anforderungen an Zeit und Informationen.

Der Abgrenzungs-Workflow bietet einen automatisierten Prozess, der in ArcGIS erstellt wird, um das Abflussgebiet effizient und genau zu ermitteln. Zu den für diese Analyse verwendeten Raster-Daten gehören topografische Daten mit verschiedenen Maßstäben, Shapefiles von Gebäuden, Zuflüsse und GSI. Die topografischen Eingabedaten für diese Studie sind von LIDAR-abgeleitete DEMs, öffentlich verfügbare DEMs und DEMs, die von Konturlinien abgeleitet wurden. Sie weisen unterschiedliche Maßstäbe auf: von einem feinen Maßstab (Auflösung von 1 Fuß bzw. 0,3 Meter) bis zu einem groben Maßstab (Auflösung von 10 Fuß bzw. 3 Meter). Die Case Study für diesen Workflow ist ein GSI-Standort mit zwei Regengärten, die durch eine Grasmulde verbunden sind, in South Philadelphia, Pennsylvania. Dieser Standort wurde vom Philadelphia Water Department (PWD) erschlossen und von der Villanova University im Rahmen eines STAR-Stipendiums (Science to Achieve Results) der US-Umweltschutzbehörde (Environmental Protection Agency, EPA) instrumentiert und analysiert. Die Analyse ist Teil einer viel größeren GSI-Untersuchung. Das gesamte Verfahren für diese Analyse kann in drei Phasen unterteilt werden: Vorverarbeitung von DEMs, Flussanalyse und Wassereinzugsgebietanalyse.

Die DEMs wurden mit dem Werkzeug "Füllung" verarbeitet, um Senken und Spitzen aus den Daten zu entfernen. Die Regenwasserzuflüsse und die GSI-Features wurden gepuffert, damit sie der Größe der Regenwasser-Features entsprechen. Dann wurden die Höhenangaben der Zuflüsse, GSI und die Gebäudeinfrastruktur zu den Attributtabellen hinzugefügt. Die Infrastruktur-Shapefiles wurden anschließend mit dem Werkzeug "Feature in Raster" in Raster konvertiert.

Die neuen Raster-Infrastrukturdateien wurden dann in das DEM ohne Senken integriert. Mit dem Werkzeug "Plus" wurden die Höhen der Gebäude hinzugefügt, und mit dem Werkzeug "Minus" wurden die Zuflüsse im DEM abgesenkt. Abgesenkte Bordsteine und GSI wurden im LIDAR-abgeleiteten DEM abgesenkt. Alle Ausgaben, die diese Werkzeuge erzeugt haben, wurden mit dem Werkzeug "Mosaik" zu einem Raster zusammengeführt.

Das mosaikierte DEM wurde verwendet, um mithilfe des Werkzeugs "Fließrichtung" die Fließrichtung für jede Zelle zu analysieren. Dann wurde es erneut verarbeitet, um mithilfe des Werkzeugs "Abflussakkumulation" basierend auf der Fließrichtung einen Akkumulationswert zuzuweisen. In die in DEMs mit höherer Auflösung dargestellten detaillierten Flusslinien ist die Mikrotopografie des Stadtgebiets eingebunden, wie in Abbildung 2 veranschaulicht. Im Gegensatz dazu weisen DEMs mit geringerer Auflösung weniger Flusslinien auf, die in die nächstgelegenen GSI- und Regenwasserzuflüsse fließen. Dies führt dazu, das mit einer Zunahme der DEM-Gittergröße die Flusslinien abnehmen.

Mithilfe des Spatial Analyst-Werkzeugs "Wassereinzugsgebiet" wurden die GSI-Teileinzugsgebiete und Zuläufe erzeugt. Diese Dateien wurden in Feature-Polygone konvertiert. Das Werkzeug "Flow Path Tracing" von Arc Hydro hat dabei geholfen, die flussaufwärts gelegenen Teileinzugsgebiete und Regenwasserzuflüsse zu verfolgen. Dadurch konnte der Abfluss der Teileinzugsgebiete in die GSI bestimmt werden. Diese Teileinzugsgebiet-Polygone wurden exportiert, und das gesamte Abflussgebiet wurde in der Attributtabelle berechnet.

Abbildung 3 veranschaulicht die unterschiedlichen Abflussgebiete, die sich mit den unterschiedlichen DEM-Auflösungen ergeben haben. Wassereinzugsgebiete mit einer gröberen Auflösung sind größer und enthalten weniger komplizierte Formen. Die Berechnung der Gebiete, die in die GSI abfließen, ändert sich. Dies ist ein wichtiger Aspekt beim GSI-Entwurf.

Die folgende Tabelle veranschaulicht die unterschiedlichen Abflussgebiete für diesen Standort, die mit unterschiedlichen DEM-Auflösungen erzielt wurden. Gebiete werden mit abnehmender DEM-Auflösung größer. DEMs mit gröberer Auflösung glätten die Mikrotopografie wie Bordsteine, Gehwege und Fahrbahnwölbungen. Basierend auf Landvermessungen ist das Abflussgebiet des DEM mit der höchsten Auflösung (Raster mit 1 Fuß bzw. 0,3 Meter) vergleichbar mit dem Abflussgebiet, dass bei topografischen Vermessungen vor Ort (PWD-Schätzung) ermittelt wurde. Daher ist es das am besten passende. Die gleiche Analyse wurde mit ähnlichen Ergebnissen für weitere Positionen durchgeführt. Weitere Untersuchungen werden vorgenommen, um die optimale DEM-Auflösung für die Abgrenzung des Abflussgebiets im Stadtgebiet zu ermitteln.

1: Villanova University, Department of Civil and Environmental Engineering, Tolentine Hall 143, 800 Lancaster Ave., Villanova, PA 19085

2: Temple University, Department of Earth and Environmental Science, Beury Hall, 1901 N. 13th St., Philadelphia, PA 19122-6081, USA

Korrespondierende Autorin: Virginia Smith 

Fragen können an Virginia Smith, Virginia.Smith@Villanova.edu, gesendet werden.

Diese Veröffentlichung wurde unter der Unterstützungsvereinbarung 83555601 der US-Umweltschutzbehörde (Environmental Protection Agency, EPA) für die Villanova University und das Philadelphia Water Department (PWD) erarbeitet. Sie wurde nicht formal von EPA oder PWD geprüft. Die in diesem Dokument erläuterten Standpunkte sind nur die der Villanova University, sie spiegeln nicht notwendigerweise die von EPA oder PWD wider. EPA und PWD unterstützen keine Produkte oder kommerziellen Services, die in dieser Veröffentlichung erwähnt werden.