JAMSSCS

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[[de:JAMSSCS]]
 
=JAMSSCS=
 
=JAMSSCS=
  
JAMSSCS ist ein Programm zur Berechnung von Bemessungsabflüssen für kleine homogene Einzugsgebiete. JAMSSCS implementiert hierfür das Einheitsganglinienverfahren (Unit-Hydrograph) des U.S. Soil Conservation Service (SCS) zusammen mit dem Curve Number (CN) Verfahren zur Bestimmung des Effektivniederschlags. Das Programm dient der Abschätzung des Abflusses unter Ansatz eines spezifischen Bemessungsniederschlags für kleine homogene Einzugsgebiete. Die Berechnungen folgen weitestgehend den DVWK Regeln 112/1982 und 113/1984 und sind an einigen Stellen angepasst und verändert worden.
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JAMSSCS is a program for the calculation of design discharges for small homogeneous catchment areas. For this purpose, JAMSSCS implements the unit-hydrograph method of the U.S. Soil Conservation Service (SCS) together with the Curve Number (CN) method for the effective rainfall. The program enables the estimation of the runoff in consideration of an approach of a specific design depth of precipitation for small homogeneous catchment areas. The calculations are carried out as far as possible according to the German DVWK rules 112/1982 and 113/1984 and have been adjusted and changed at some points.  
  
JAMSSCS nutzt das Jena Adapatable Modelling System (JAMS) und ist komplett in JAVA geschrieben. Hierdurch ist es unabhängig vom Betriebssystem auf verschiedenen Rechnerkonfiguration nutzbar.  
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JAMSSCS uses the Jena Adapatable Modelling System (JAMS) and is completely written in JAVA. Therefore, it is usable independently from the operating system on different computer configurations.
  
'''Bei der Dateneingabe ist zu beachten, dass der Dezimaltrenner der . (Punkt) ist und nicht das , (Komma)!'''
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'''Note: The decimal separator is the . (period) and not the , (comma) for the data input.'''
  
== Installation und Schnellstart ==
 
  
  
[[Bild:jamsSCS.jpg|thumb|Abb. 1: Das JAMSSCS Hauptfenster]] Die Installation unter MS-Windows erfolgt durch Ausführung der Installationsdatei "JAMSSCS_setup.exe". Diese Datei enthält alle notwendigen Dateien zur Ausführung. Zusätzlich ist ein Beispielsdatensatz enthalten, der zu einem ersten Test und als Vorlage für die Erstellung eigener Datensätze dienen soll. Die folgende Anleitung nutzt diesen Datensatz. Die Installationsdatei kopiert die notwendigen Dateien und trägt JAMSSCS in das Startmenü ein. Zusätzlich kann ein Desktop-Icon erstellt werden.
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== Installation and Quick Start ==
  
Der Start von JAMSSCS erfolgt durch Doppelklick auf "JAMSSCS.exe" und es erscheint das JAMSSCS Hauptfenster (JAMS-Launcher). 
 
Das Hauptfenster besitzt drei Tabulatoren (Hauptgruppe, Kostra-Niederschläge, Einzelereignis), die unterschiedliche Funktionalitäten bereitstellen. Für die Ausführung des Testdatensatzes muss lediglich das Arbeitsverzeichnis gesetzt werden. Hier ist der vollständige Pfad zum JAMSSCS Installationsverzeichnis einzutragen. 
 
  
Mit dem '''[RUN]''' Button wird das Modell gestartet.[[Bild:jamsSCSrun.jpg|thumb|Abb. 2: Das Laufzeitfenster von JAMSSCS]]
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[[File:jamsSCS.jpg|thumb|Figure 1: JAMSSCS main window]] The installation in MS-Windows is carried out via the execution of the installation file "JAMSSCS_setup.exe". This file contains all necessary files for the execution. Additionally, a sample dataset is contained which can be used for a test and as template for the generation of new datasets. This manual uses this dataset. The installation file copies the necessary files and registers JAMSSCS in the start menu. A desktop icon can also be generated.
  
Es erscheint ein neues Fenster mit drei Reitern. Der erste Reiter [JAMSProgress] stellt allgemeine Angaben zum aktuellen Modelllauf in Textform dar. Sollte während der Ausführung ein Fehler oder ein Problem auftreten, wird unter Umständen eine Fehlermeldung in dieser Sicht angezeigt. Der zweite Reiter [Bemessungsabfluss] zeigt die Ganglinie des Bemessungsabflusses in m³/s, der zweite [Bemessungsvolumen] das kumulierte Volumen in Millionen m³. In die Graphiken kann durch Linksklick und Ziehen eines Fensters hineingezoomt werden. Die ursprüngliche Darstellung kann durch Rechtsklick und ziehen der Maus nach links wiederhergestellt werden. Durch Rechtsklick in den Graphikbereich erscheint ein Kontextmenü, das eine gewisse Anpassung, wie z.B. Änderung des Diagrammtitels, der Achsensbeschriftungen, Hintergrund- und Rahmenfarbe usw., erlaubt. Außerdem ist über das Kontextmenü die Speicherung des Diagramms als PNG Grafik möglich. Mit der Checkbox am rechten Rand kann die Ganglinie an oder abgeschaltet werden.
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To tart JAMSSCS, double click on "JAMSSCS.exe". Hereupon, the main window of JAMSSCS appears (JAMS-launcher). The main window contains three tabulators (main group, Kostra-precipitation, individual event), which offer different functions. For the execution of the test dataset only the working directory needs to be set up. The complete path to the JAMSSCS installation directory has to be given here.  
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With the button '''[RUN]''' the model is started. [[File:jamsSCSrun.jpg|thumb|Figure 2: runtime window of JAMSSCS]]
  
= JAMSSCS Eingangsdaten =
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A new window with three tabulators appears. The first one [JAMSProgress] represents general information on the current model run as text. Should an error or problem arise while executing, an error message might appear in this view. The second tabulator [design discharge] shows the hydrograph of the design discharge in m³/s. The third tabulator [design volume] shows the cumulated volume in million m³. You can zoom into the graphics by left mouse click and pushing of the window. By right mouse click into the graphic a menu opens which allows a certain adjustment, e.g. changing the diagram title, labeling of the axes, background color, frame color, etc. Furthermore, the diagram can be saved as PNG graphic via this menu. The hydrograph can be switched on or off with the help of the checkbox on the right side.
Informationen, die für JAMSSCS bereitgestellt werden, folgen immer einem strengen Format. Für Tabellen ist dies folgendermaßen definiert:
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* Zeilen, die mit einem # eingeleitet werden, sind Kommentarzeilen, die vom Programm nicht verarbeitet werden. Kommentarzeilen sind nur am Beginn der Tabelle erlaubt, wobei keine Begrenzung bzgl. ihrer Anzahl besteht.
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* Spaltentrenner ist immer der Tabulator.
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* Die Abfolge der Spalten muss immer der Abfolge in den Beispielstabellen folgen.
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* Die erste Zeile, die nicht von einem # eingeleitet wird, muss die Spaltenbeschriftung enthalten. Diese sollte immer genau den Beschriftungen der Tabellen X und Y entsprechen. Das Programm unterscheidet zwischen Groß- und Kleinschreibung.
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* Die folgenden Zeilen enthalten die eigentlichen Informationen (Tabulator getrennt).
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JAMSSCS benötigt für den Betrieb Informationen über das Untersuchungsgebiet und zumindest die Angabe eines Bemessungsniederschlags. Zusätzlich kann eine KOSTRA-Niederschlagsdatei eingelesen werden, die Niederschlagshöhen für verschiedene Dauerstufen und Wiederkehrzeiten enthält. Die Datei kann im XML-Format aus der KOSTRA-DWD Software ausgelesen und direkt in JAMSSCS weiterverarbeitet werden.
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= JAMSSCS Input Data =
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Information that is provided for JAMSSCS always follows a strict format.
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For tables it is defined as follows:
  
Die benötigten Gebietsinformationen bestehen aus einer Beschreibung der im Gebiet vorhandenen hydrologisch homogenen Flächen (HRUs) in Tabellenform (HRU-Tabelle). Ausweisungskriterium für ihre Erstellung ist die Landnutzung und der Bodentyp. Die Berechnung des benötigten CN-Wertes erfolgt anhand einer Referenztabelle (CN-Tabelle). Für beide Tabellen enthält die Installation Beispiele, die angepasst, geändert oder ergänzt werden können. Neu erstellte Eingangstabellen für die Gebietsbeschreibung können im Hauptfenster angegeben werden.
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* Rows that are introduced by # are comment rows which are not processed by the program. Comment rows are only allowed at the beginning of the table. There is no limitation of their number. 
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* The tabulator is always the column separator
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* The order of the columns must always follow the order in the sample tables.  
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* The first row which is not introduced by # has to contain the row labeling. This labeling should always correspond to the labeling of the tables x and y. The program differentiates between upper and lower case.
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* The following rows contain the actual information (separated by the tabulator).  
  
==CN-Tabelle==
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JAMSSCS needs information about the research area and at least the design depth of precipitation. Additionally, a KOSTRA-precipitation file can be read in which contains precipitation heights for different durations and return periods. This file can be read out in XML-format from the KOSTRA-DWD software and can then be processed directly in JAMSSCS.  
Die JAMSSCS CN-Tabelle enthält "Curve-Numbers" für verschiedene Landnutzungs-Boden-Kombinationen und findet sich im Installationsverzeichnis als „cnNumbers.par“. Die Curve-Number beschreibt dabei den Anteil des Niederschlages der abflusswirksam wird. Sie kann als relativer Anteil interpretiert werden. Die tatsächliche Berechnung des Effektivniederschlages mithilfe der Curve-Number wird weiter unten beschrieben.
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Tabelle 1: Die CN-Tabelle von JAMSSCS
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The necessary area information consists of a description of the hydrological homogeneous areas (HRUs – Hydrological Response Units) that exist in the area given in tables (HRU-table). The output criterion for the generation is the land use and soil type. The calculation of the desired CN-value is carried out on the basis of the reference table (CN table). In the installation there are examples given for both tables which can be adjusted, changed or added. Newly generated input tables for the area description can be given in the main window.
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==CN Table==
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The JAMSSCS CN table contains "Curve-Numbers" for different land use-soil-combinations and can be found in the installation directory as “cnNumbers.par”. The Curve-Number describes the part of precipitation that is runoff-effective. It can be interpreted as relative part. The actual calculation of the effective rainfall is described further down with the help of the curve-number.
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Table 1: Die CN table of JAMSSCS
 
{| class="wikitable" <hiddentext>generated with [[:de:Wikipedia:Helferlein/VBA-Macro for EXCEL tableconversion]] V1.7<\hiddentext>
 
{| class="wikitable" <hiddentext>generated with [[:de:Wikipedia:Helferlein/VBA-Macro for EXCEL tableconversion]] V1.7<\hiddentext>
 
|- style="font-size:10pt"  valign="bottom"
 
|- style="font-size:10pt"  valign="bottom"
Line 41: Line 45:
 
|- style="font-size:10pt"
 
|- style="font-size:10pt"
 
| height="16"  valign="bottom" | LID
 
| height="16"  valign="bottom" | LID
|  valign="bottom" | Bodennutzung
+
|  valign="bottom" | soil use
 
| align="center" valign="bottom" | A
 
| align="center" valign="bottom" | A
 
| align="center" valign="bottom" | B
 
| align="center" valign="bottom" | B
Line 49: Line 53:
 
|- style="font-size:10pt"
 
|- style="font-size:10pt"
 
| height="16"  valign="bottom" | 1
 
| height="16"  valign="bottom" | 1
|  valign="bottom" | Siedlung (dicht bebaut)
+
|  valign="bottom" | settlement (neatly built)
 
| align="center" valign="bottom" | 80
 
| align="center" valign="bottom" | 80
 
| align="center" valign="bottom" | 80
 
| align="center" valign="bottom" | 80
Line 57: Line 61:
 
|- style="font-size:10pt"
 
|- style="font-size:10pt"
 
| height="16"  valign="bottom" | 2
 
| height="16"  valign="bottom" | 2
|  valign="bottom" | Siedlung (locker bebaut)
+
|  valign="bottom" | settlement (loosely built)
 
| align="center" valign="bottom" | 38
 
| align="center" valign="bottom" | 38
 
| align="center" valign="bottom" | 73
 
| align="center" valign="bottom" | 73
Line 65: Line 69:
 
|- style="font-size:10pt"
 
|- style="font-size:10pt"
 
| height="16"  valign="bottom" | 3
 
| height="16"  valign="bottom" | 3
|  valign="bottom" | Ackerland
+
|  valign="bottom" | farmland
 
| align="center" valign="bottom" | 64
 
| align="center" valign="bottom" | 64
 
| align="center" valign="bottom" | 76
 
| align="center" valign="bottom" | 76
Line 73: Line 77:
 
|- style="font-size:10pt"
 
|- style="font-size:10pt"
 
| height="16"  valign="bottom" | 5
 
| height="16"  valign="bottom" | 5
|  valign="bottom" | Laubwald
+
|  valign="bottom" | deciduous forest
 
| align="center" valign="bottom" | 36
 
| align="center" valign="bottom" | 36
 
| align="center" valign="bottom" | 60
 
| align="center" valign="bottom" | 60
Line 81: Line 85:
 
|- style="font-size:10pt"
 
|- style="font-size:10pt"
 
| height="16"  valign="bottom" | 6
 
| height="16"  valign="bottom" | 6
|  valign="bottom" | Nadelwald
+
|  valign="bottom" | coniferous forest
 
| align="center" valign="bottom" | 25
 
| align="center" valign="bottom" | 25
 
| align="center" valign="bottom" | 55
 
| align="center" valign="bottom" | 55
Line 89: Line 93:
 
|- style="font-size:10pt"
 
|- style="font-size:10pt"
 
| height="16"  valign="bottom" | 7
 
| height="16"  valign="bottom" | 7
|  valign="bottom" | Büsche, Streuobst
+
|  valign="bottom" | bush, scattered fruit
 
| align="center" valign="bottom" | 45
 
| align="center" valign="bottom" | 45
 
| align="center" valign="bottom" | 66
 
| align="center" valign="bottom" | 66
Line 97: Line 101:
 
|- style="font-size:10pt"
 
|- style="font-size:10pt"
 
| height="16"  valign="bottom" | 9
 
| height="16"  valign="bottom" | 9
|  valign="bottom" | Grünland
+
|  valign="bottom" | grassland
 
| align="center" valign="bottom" | 30
 
| align="center" valign="bottom" | 30
 
| align="center" valign="bottom" | 58
 
| align="center" valign="bottom" | 58
Line 105: Line 109:
 
|- style="font-size:10pt"
 
|- style="font-size:10pt"
 
| height="16"  valign="bottom" | 10
 
| height="16"  valign="bottom" | 10
|  valign="bottom" | Freiflächen
+
|  valign="bottom" | open areas
 
| align="center" valign="bottom" | 80
 
| align="center" valign="bottom" | 80
 
| align="center" valign="bottom" | 80
 
| align="center" valign="bottom" | 80
Line 113: Line 117:
 
|- style="font-size:10pt"
 
|- style="font-size:10pt"
 
| height="16"  valign="bottom" | 11
 
| height="16"  valign="bottom" | 11
|  valign="bottom" | Wasserflächen
+
|  valign="bottom" | water areas
 
| align="center" valign="bottom" | 100
 
| align="center" valign="bottom" | 100
 
| align="center" valign="bottom" | 100
 
| align="center" valign="bottom" | 100
Line 121: Line 125:
  
  
Die Tabelle enthält nach dem Kommentar in der ersten Zeile, die Spaltenüberschriften, die nicht exakt wie hier gezeigt formuliert sein müssen, sondern auch anders bezeichnet werden. '''Von großer Wichtigkeit ist aber, dass die Reihenfolge der Spalten exakt eingehalten wird.''' Die Spalten enthalten:  
+
After the comment in the first row, the table contains the column labeling which do not need to be formulated exactly as it is shown here but can also be labeled differently. '''Note: The order of the columns must be kept in this order.''' The columns contain:
* '''LID:''' Eine numerische Schlüsselnummer für einen Landbedeckungs- oder Landnutzungstyp, z.B. 3 für Ackerland (Spalte 1).
+
* '''Bodennutzung:''' Eine Beschreibung in Textform des jeweiligen Landbedeckungs- bzw. Landnutzungstyps (Spalte 2).
+
* ''' A, B, C, D: ''' SCS Bodentypen, die weiter unten beschrieben werden (Spalte 3,4,5 und 6).
+
In den Zeilen folgen dann die Einträge für die einzelnen Landbedeckungskategorien in der Form LID, Beschreibung, Curve Number für Bodentyp A, B, C und D. Die Tabelle kann bei Bedarf durch Einfügen neuer Datensätze beliebig erweitert werden.
+
  
Die Bodentypen sind dabei folgendermaßen definiert:
+
* '''LID:''' A numeric key number for a land cover or land use type, e.g. 3 for farmland (column 1).  
* '''A:''' Böden mit großem Versickerungsvermögen auch nach starker Vorbefeuchtung, z.B. tiefe Sand- und Kiesböden.
+
* '''Soil use:''' A description of the referring land cover or land use type in text form (column 2).  
* '''B:''' Böden mit mittlerem Versickerungsvermögen. Tiefe bis mäßig tiefe Böden mit mäßig feiner bis grober Textur, z.B. mitteltiefe Sandböden, Löß, (schwach) lehmiger Sand.
+
* ''' A, B, C, D: ''' SCS soil types that are described further down (columns 3, 4, 5, and 6).  
* '''C:''' Böden mit geringem Versickerungsvermögen. Böden mit feiner bis mäßig feiner Textur oder mit wasserstauender Schicht, z.B. flache Sandböden, sandiger Lehm.
+
Then, the entries for the single land cover categories in LID form, description, Curve Number for soil type A, B, C and D follow in the rows. The table can be expanded user-defined via entering new datasets if required.  
* '''D:''' Böden mit sehr geringem Versickerungsvermögen. Tonböden, sehr flache Böden über nahezu undurchlässigem Material, Böden mit dauernd sehr hohem Grundwasserspiegel.
+
At this, the soil types are defined as follows:
  
==HRU-Tabelle==
+
* '''A:''' Soils with high infiltration capacity also after heavy pre-moistening, e.g. deep sand or gravel soils.
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* '''B:''' Soils with middle infiltration capacity. Deep to moderate deep soils with moderate fine or rough texture, e.g. middle deep sand soils, loess, sandy clay.
 +
* '''C:''' Soils with low infiltration capacity. Soils with fine to moderate fine texture or water damming layer, e.g. flat sand soils, sandy clay.
 +
* '''D:''' Soils with very low infiltration capacity. Clay soils, very flat soils above nearly impermeable material, soils with always high groundwater level.
  
Die HRU-Tabelle enthält Informationen über das Untersuchungsgebiet und besitzt folgenden Aufbau (siehe Tabelle 2)
+
==HRU table==
  
Tabelle 2: HRU-Tabelle mit Gebietsinformationen
+
The HRU table contains information about the research area and is structured as follows: (see table 2)
 +
 
 +
Table 2: HRU table with area information
 
{| class="wikitable" <hiddentext>generated with [[:de:Wikipedia:Helferlein/VBA-Macro for EXCEL tableconversion]] V1.7<\hiddentext>
 
{| class="wikitable" <hiddentext>generated with [[:de:Wikipedia:Helferlein/VBA-Macro for EXCEL tableconversion]] V1.7<\hiddentext>
 
|-  valign="bottom"
 
|-  valign="bottom"
Line 180: Line 185:
 
|}
 
|}
  
Die erste Zeile ohne einleitendes Kommentarzeichen (#) enthält die Bezeichner für die interne Variablenvergabe.  
+
The first row without introducing comment symbol (#) contains the labeling for the intern given variables.  
  
'''Die JAMSSCS-Komponente, die diese Tabelle liest, wurde so erstellt, dass exportierte GIS Tabellen ohne weitere Bearbeitung eingelesen werden können. Aus diesem Grund müssen die Bezeichner exakt so eingegeben werden wie oben dargestellt. Die zulässigen Bezeichner sind ID, SID, LID, AREA. Die Namen müssen dabei nicht unbedingt in Anführungszeichen eingeschlossen werden. Die Reihenfolge sowie Groß oder Kleinschreibung spielt bei dieser Tabelle keine Rolle. Als Spaltentrenner ist bei dieser Tabelle zusätzlich zum Tabulator auch das Komma (,) möglich.'''
+
'''The JAMSSCS-component, which this table reads, was generated in a way so exported GIS tables can be read in without further processing. For this reason the labeling must be given exactly as shown above. The permissible labeling are ID, SID, LID, AREA. The names do not need to be given in inverted commas. The order as well as upper and lower case are not important in this table. In addition to the tabulator, the comma (,) can be used as column separator, here.'''
 
   
 
   
Die erste Spalte enthält für jede hydrologische Einheit eine eindeutige numerische Identifikationsnummer, die zweite Spalte die Fläche ('''in m²''') der Einheit, die dritte Spalte die Identifikationsnummer (LID) der dominanten Landnutzung der Fläche entsprechend Tabelle 1 und die vierte Spalte den dominanten Bodentyp (A-D) ebenfalls entsprechend Tabelle 1.
+
The first column contains a clear numeric identification number for each hydrological unit; the second column contains the area ('''in m²'''), the third one contains the ID (LID) of the dominant land use of the table according to table 1. The fourth column contains the dominant soil type (A-D) – also according to table 1. For the processing of other areas the HRU table always needs to be generated. This can be carried out directly from a GIS. (Tools for automatized derivation in ArcView are described below.)
Für die Bearbeitung anderer Gebiete muss die HRU-Tabelle jeweils erzeugt werden. Dies kann direkt aus einem GIS geschehen. (Werkzeuge zur automatisierten Ableitung in ArcView werden unten beschrieben)
+
  
==Weitere Eingangsdaten==
+
==Further Input Data==
  
[[Bild:N-Verteilung_dis.jpg|thumb|Abb. 3: Die unterschiedlichen Niederschlagsverteilungen von JAMSSCS]][[Bild:N-Verteilung_cum.jpg|thumb|Abb. 4: Summenfunktionen der unterschiedlichen Niederschlagsverteilungen von JAMSSCS]]
+
[[File:N-Verteilung_dis.jpg|thumb|Figure 3: The different precipitation allocations of JAMSSCS]][[File:N-Verteilung_cum.jpg|thumb|Figure 4: Sum functions of the different precipitation allocations of JAMSSCS]]
Die übrigen benötigten Eingangsdaten werden direkt im JAMSSCS-Hauptfenster (Abbildung 1) angegeben. Dies sind
+
The other necessary input data is given directly in the JAMSSCS main window (Figure 1). It is:
* '''Vorfluterlänge: ''' Die maximale Länge des Hauptvorfluters von der Quelle bis zum Gebietsauslass in Kilometern.
+
* '''Receiving stream length:''' The maximum length of the main receiving stream from the source to the runoff in kilometers.  
* '''Tiefster, Höchster Punkt: ''' Die topographische Höhe in Metern des tiefsten  Punkts (Gebietsauslass) und des höchsten Punkts (Quelle) des Hauptvorfluters.
+
* '''Deepest, highest point:''' The topographic height in meters of the deepest point (runoff) and of the highest point (source) of the main receiving stream.  
* '''N-Verteilungsform: ''' Bestimmt die zeitliche Verteilung des Niederschlages. Zulässige Angaben sind: B = Blockregen, M = mittenbetonter, A = anfangsbetonter und E = endbetonter Niederschlag.
+
* '''N-allocation form:''' Determines the temporal allocation of precipitation. Valid information is: B = block rainfall, rainfall M = in the middle of the event, A = at the beginning of the event and E = at the end of the event .  
* '''Modell Laufzeit: ''' Berechnungszeitraum für die Modellierung in Stunden.
+
* '''Model runtime:''' Calculation time for the modeling in hours.  
* '''Zeitschrittlänge: ''' Länge eines spezifischen Berechnungszeitschrittes in Sekunden.
+
* '''Time step length:''' Length of a specific calculation time step in seconds.  
  
Für die Niederschlagsverteilungsform sind in JAMSSCS entsprechende zeitliche Verteilungen implementiert, die weitestgehend DVWK 113/1984 folgen.
+
For the precipitation allocation form the referring temporal allocations are implemented in JAMSSCS and follow the DVWK 113/1984 as far as possible.
  
=Berechnung von Einzelereignissen=
+
=Calculation of Individual Events=
Mit dem Reiter "Einzelereignis" lassen sich einzelne Niederschlagsereignisse simulieren. Die notwendigen Parameter können hier angepasst werden. Im einzelnen sind dies:
+
Individual precipitation events can be simulated with the help of the tabulator individual events. The necessary parameters can be adjusted here. These are:
* '''Niederschlagsdauer:''' Die zeitliche Dauer des Niederschlags in Minuten.
+
* '''Precipitation duration:''' the temporal duration of precipitation in minutes
* '''Bemessungsniederschlag:''' Die Menge des gefallenen Freilandniederschlags, der im Modellverlauf zum Effektivniederschlag reduziert wird.
+
* '''Design depth of precipitation:''' the amount of fallen precipitation in open land which is reduced to effective rainfall in the model run
* '''Einzel-Q-Ausgabe:''' Dateiname für eine zu erzeugende Ausgabedatei, in der die berechneten Werte abgelegt werden. Hierbei handelt es sich um eine einfache ASCII-Datei, die mit Texteditoren aber auch mit Tabellenkalkulationen weiterverarbeitet werden kann. Der Dateiname muss relativ zum Arbeitsverzeichnis angegeben werden. Die Datei enthält für jeden Zeitschritt den Abfluss in m³/s sowie das zeitlich kumulierte Abflussvolumen in Millionen m³.
+
* '''Individual-Q-output:''' file name for an output file that is to be generated in which the calculated values can be saved. It is a simple ASCII-file which can be further processed with text editors as well as table calculations. The file name has to be given in consideration to the working directory. The file contains the runoff in m³/s for each time step as well as the temporally cumulated runoff volume in million m³.  
* '''Dezimalstellen:''' Die Anzahl der Dezimalstellen für die Zahlenwerte im Ausgabefile.
+
* '''Decimal places:''' the number of decimal places for the values in the output file.
 +
* '''Runoff-plot:''' the graphic output of hydrographs can be switched on or off here
 +
The following fields serve the configuration of the model output. These are:
 +
* '''Legend:''' labeling of the legend which is additionally complemented automatically by the precipitation height
 +
* '''Line color:''' labeling for the color of the hydrograph. Valid labeling are for example "blue", "red", "green", "black" etc.
 +
* '''X,Y-axes labeling:''' axes labeling (can also be changed later)
 +
* '''Volume-plot:''' generates a graphic presentation of the temporally cumulated runoff volume in million m³.
  
* '''Abfluss-Plot:''' Hier lässt sich die grafische Ausgabe des Hydrographen an- oder abschalten.
+
=Calculation with KOSTRA-Precipitation=
Die folgenden Felder dienen zur Konfiguration der Modellausgabe. Diese sind:
+
* '''Legende:''' Beschriftung der Legende, die zusätzlich automatisch durch die Niederschlagshöhe ergänzt wird.
+
* '''Linienfarbe:''' Englische (sorry) Bezeichnung für die Farbe der Ganglinie. Zulässige Bezeichnungen sind z.B. "blue", "red", "green", "black" usw.
+
* '''X,Y-Achsenbeschriftung:''' Beschriftungen der Achsen (kann auch nachträglich geändert werden)
+
  
* '''Volumen-Plot:''' Erzeugt eine grafische Darstellung des zeitliche kumulierten Abflussvolumen in Millionen m³.
+
[[File:jamsKostra.jpg|thumb|Figure 5: Input tabulator for KOSTRA simulations with variable durations and return periods as well as extreme precipitation (PEN)]]
 +
[[File:varAnnuality.jpg|thumb|Figure 6: KOSTRA simulation with fixed duration and variable return period]]
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[[File:varDuration.jpg|thumb|Abb. 7: Figure 7: KOSTRA simulation with variable duration and fixed return period]]
 +
The product KOSTRA-DWD contains the storm rainfall heights for Germany in dependence of the duration and return period in the area of the durations D between 5 minutes and 72 hours as well as in the area of the yearly return periods between T = 0.5 a (according to the yearly exceedence frequency of n = 2x per year in the mean) and T = 100 a (in the mean all 100 years only once received or exceeded according to n = 0.01).  
  
=Berechnung mit KOSTRA Niederschlägen=
+
KOSTRA-DWD allows the export as XML-file which can be read directly from JAMSSCS. Such a file contains all values of a KOSTRA-DWD grid cell.
  
[[Bild:jamsKostra.jpg|thumb|Abb. 5: Eingabereiter für KOSTRA Simulationen mit variablen Dauerstufen und Jährlichkeiten sowie Extremniederschlagsberechnung (PEN)]]
+
The calculations are carried out with the precipitation allocation form given in the tabulator main group. Further necessary settings are provided in the tabulator KOSTRA precipitation in JAMSSCS. These are:
[[Bild:varAnnuality.jpg|thumb|Abb. 6: KOSTRA Simulation mit fixer Dauerstufe und variabler Jährlichkeit]]
+
[[Bild:varDuration.jpg|thumb|Abb. 7: KOSTRA Simulation mit variabler Dauerstufe und fixer Jährlichkeit]]
+
Das Produkt KOSTRA-DWD enthält die Starkniederschlagshöhen für Deutschland in Abhängigkeit von Dauerstufe und Wiederkehrzeit im Bereich der Dauerstufen D zwischen 5 Minuten und 72 Stunden, sowie im Bereich der jährlichen Wiederkehrzeiten zwischen T = 0.5 a (entspricht der jährlichen Überschreitungshäufigkeit von im Mittel n = 2 mal pro Jahr) und T = 100 a (im Mittel alle 100 Jahre nur einmal erreicht oder überschritten entsprechend n = 0.01).
+
  
KOSTRA-DWD erlaubt den Export als XML-Datei, die von JAMSSCS direkt gelesen werden kann. Solch eine Datei enthält alle Werte einer KOSTRA-DWD Rasterzelle.
+
* '''Kostra on:''' Switches KOSTRA calculations on or off
  
Die Berechnungen erfolgen mit der Niederschlagsverteilungsform, die im Reiter "Hauptgruppe" angegeben ist. Die weiteren notwendigen Einstellungen werden in JAMSSCS im Reiter "Kostra-Niederschläge" bereitgestellt. Diese sind:
+
* '''Kostra-runoff-plot:''' Switches the graphic output of the hydrograph for KOSTRA calculations on or off
*'''Kostra an:''' Schaltet KOSTRA Berechnungen an oder ab.
+
  
*'''Kostra-Abfluss-Plot:''' Schaltet die grafische Ausgabe des Hydrographen bei KOSTRA Berechnungen an oder ab.
+
* '''Kostra-volume-plot:''' Switches the graphic output of the cumulated volume for KOSTRA calculations on or off
  
*'''Kostra-Volumen-Plot:''' Schaltet die grafische Ausgabe des kumulierten Volumens bei KOSTRA Berechnungen an oder ab.
+
* '''Kostra-input-file:''' the exported XML-file from KOSTRA-DWD. The complete path name has to be given here, e.g. E:\Projekte\JAMSscnMethod\KOSTRA-DWD-Tabelle-S48-Z56 Jena.xml.  
  
*'''Kostra-Input-File:''' Die aus KOSTRA-DWD exportierte XML-Datei. Hier muss der vollständige Pfadname angegeben werden, z.B. E:\Projekte\JAMSscnMethod\KOSTRA-DWD-Tabelle-S48-Z56 Jena.xml.
+
* '''Return period:''' either one of the valid KOSTRA return periods (0.5, 1, 2, 5, 10, 20, 50, 100) or each other return period which must be bigger than 100 years, though. The referring precipitations are calculated according to the PEN-method in this case. If a return period of more than 100 years is chosen in the field, the checkbox “PEN-precipitation on:” must be selected.  
  
*'''Jährlichkeit:''' Entweder eine der zulässigen KOSTRA-Jährlichkeiten (0.5, 1, 2, 5, 10, 20, 50, 100) oder jede andere Jährlichkeit, die allerdings größer als 100 Jahre sein muss. Die entsprechenden Niederschläge werden in diesem Fall dann nach dem PEN-Verfahren berechnet. Wird in diesem Feld eine Jährlichkeit von mehr als 100 Jahren ausgewählt, muss unbedingt die Checkbox "PEN-Niederschläge ein:" ausgewählt sein.
+
* '''Kostra-detail:''' a file name for the detail text output of a KOSTRA simulation. The file name is completed intern via the working directory. This file contains runoff data for each time step and for each combination of a KOSTRA simulation. The output format is a text file separated by tabulator.  
  
*'''Kostra-Detail:''' Ein Dateiname für die Detailtextausgabe einer KOSTRA Simulation. Der Dateiname wird intern durch das Arbeitsverzeichnis ergänzt. Diese Datei enthält Abflussdaten für jeden Zeitschritt und für jede Kombination einer KOSTRA Simulation. Das Ausgabeformat ist eine Tabulator getrennte Textdatei.
+
* '''Kostra-summary:''' a compressed form of the results of a KOSTRA simulation which contains the maximum peak discharge and the volume of each calculated KOSTRA simulation
  
*'''Kostra-Zusammenfassung:''' Eine komprimierte Form der Ergebnisse einer KOSTRA Simulation, die den maximalen Scheitelabfluss und das Volumen jeder berechneten KOSTRA Simulation enthält.
+
* '''Decimal places:''' the number of decimal places for the values in the output file
  
* '''Dezimalstellen:''' Die Anzahl der Dezimalstellen für die Zahlenwerte im Ausgabefile.
+
* '''Variable precipitation return period:''' If the checkbox is activated, the calculation with the precipitation duration, given in the tabulator individual event, and all return periods shown above is carried out. The valid precipitation durations are: 5, 10, 15, 20, 30, 45, 60, 90, 120, 180, 240, 360, 540, 720, 1080, 1440, 2880, 4320 minutes.  
  
*'''Variable Niederschlagsjährlichkeit:''' Ist diese Check-Box aktiviert, wird die Berechnung mit der Niederschlagsdauer, die im Reiter "Einzelereignis" angegeben ist, und allen oben dargestellten Jährlichkeiten durchgeführt. Die zulässigen Niederschlagsdauern sind: 5, 10, 15, 20, 30, 45, 60, 90, 120, 180, 240, 360, 540, 720, 1080, 1440, 2880, 4320 Minuten.
+
* '''Variable precipitation duration:''' If the checkbox is activated (and the one above is deactivated), the calculation for the return period given above and all precipitation durations given above is carried out.  
  
*'''Variable Niederschlagsdauerstufe:''' Ist diese Check-Box aktiviert (und die darüber deaktiviert) wird die Berechnung für die oben angegebene Jährlichkeit und allen oben angeführten Niederschlagsdauerstufen  durchgeführt.
+
* '''PEN-precipitation on:''' with the help of this checkbox the calculation of precipitation with very high return periods, which go beyond the 100 years return interval of the KOSTRA-values, is switched on or off. (The calculation of the PEN-precipitations is described further down.)
  
*'''PEN-Niederschläge ein:''' Mit dieser Checkbox wird die Berechnung von Niederschlägen mit sehr hohen Jährlichkeiten, die das 100 Jahre Wiederkehrintervall der KOSTRA-Werte überschreiten, ein- bzw. abgeschaltet. (Die Berechnung der PEN-Niederschläge wird weiter unten beschrieben.)
+
* '''PEN return periods:''' a list of return periods for which the PEN-calculation shall be carried out. The values of the list have to be separated by semicolon (;).
  
*'''PEN-Jährlichkeiten:''' Eine Liste von Jährlichkeiten für die die PEN-Berechnung durchgeführt werden soll. Die Werte der Liste müssen mit Semikolons (;) getrennt werden.
+
=Intern Calculations - SCS Theory, PEN-Precipitations=
 +
The intern calculation of the unit hydrograph is based on the calculation of the effective rainfall in dependence of the CN-value of the catchment area and linear reservoirs in series (Nash-cascade) with two storages with different discharge coefficients (k<sub>1,2</sub>) as well as the variable allocation of the precipitation to the two storages. The first storage represents the fast direct runoff; the second represents the decelerated basis runoff.  
  
=Interne Berechnungen - SCS Theorie, PEN-Niederschläge=
+
==CN-Value Calculation==
Die interne Berechnung der Einheitsganglinie beruht auf der Berechnung des Effektivniederschlags in Abhängigkeit des CN-Wertes des Einzugsgebiets und einer linearen Speicherkaskade (Nash-Kaskade) mit zwei Speichern, mit unterschiedlichen Auslaufkoeffizienten (k<sub>1,2</sub>) sowie der variablen Verteilung des Niederschlages auf die beiden Speicher. Die erste Speicher repräsentiert dabei den schnellen Direktabfluss, der zweite den verzögerten Basisabfluss.
+
An area-weighted mean CN-value, based on the entries of the HRU table and the CN table, is calculated for the area. The calculation is carried out according to the following equation:  
 
+
==CN-Wert Berechnung==
+
Für das Gebiet wird ein flächengewichteter mittlerer CN-Wert, basierend auf den Einträgen der HRU-Tabelle und der CN-Tabelle berechnet. Die Berechnung erfolgt nach:
+
  
 
<math>CN = \sum_{HRU=1}^{n}rel.Area_{HRU} \cdot CN(LU,ST)_{HRU}</math>
 
<math>CN = \sum_{HRU=1}^{n}rel.Area_{HRU} \cdot CN(LU,ST)_{HRU}</math>
  
wobei rel.Area der relative Flächenanteil der HRU und CN(LU, ST) der der HRU entsprechende Eintrag in der CN-Tabelle ist.
+
rel.Area is the relative area part of the HRU and CN(LU, ST) is the entry referring to the HRU in the CN table.
 +
 
 +
==The Effective Rainfall==
 +
The effective rainfall (h<sub>Ne</sub>) describes the runoff-effective amount of the total precipitation. The calculation is carried out according to the following exponential function:
  
==Der Effektivniederschlag==
 
Der Effektivniederschlag (h<sub>Ne</sub>) beschreibt die abflusswirksame Menge des Gesamtniederschlags. Die Berechnung erfolgt nach folgender Potenzfunktion:
 
  
 
<math>h_{Ne} = \frac{\left[ (h_N / 25.4) - (200/CN) + 2 \right]^2}{(h_N / 25.4) + (800 / CN) - 8} \cdot 25.4</math>
 
<math>h_{Ne} = \frac{\left[ (h_N / 25.4) - (200/CN) + 2 \right]^2}{(h_N / 25.4) + (800 / CN) - 8} \cdot 25.4</math>
  
wobei: h<sub>N</sub> der Bemessungsniederschlag (in mm) und CN der CN-Wert nach Gleichung 1 ist. Die Untergrenze für den Bemessungsniederschlag (UG<sub>N</sub>), ab der ein Effektivniederschlag > 0 entsteht, ergibt sich durch Nullsetzen von h<sub>Ne</sub> nach:
+
h<sub>N</sub> is the design depth of precipitation (in mm) and CN is the CN-value according to equation 1. The minimal level for the design depth of precipitation (UG<sub>N</sub>) where an effective rainfall > 0 occurs results when h<sub>Ne</sub> is set to zero:  
 +
 
  
 
<math>UG_N = \left(\frac{200}{CN} - 2 \right) \cdot 25.4</math>
 
<math>UG_N = \left(\frac{200}{CN} - 2 \right) \cdot 25.4</math>
  
Bei einem Bemessungsniederschlag kleiner oder gleich der Untergrenze (UG<sub>N</sub>) ergibt sich damit ein Effektivniederschlag von 0 mm.
+
For a design depth of precipitation less than or equal to the minimal level (UG<sub>N</sub>) an effective rainfall of 0 mm results, thus.  
 +
 
 +
==Allocation of the Effective Rainfall==
 +
The effective rainfall which is calculated according to the presented equations above is allocated to the two storages of the storage cascade based on the calculation of the coefficients <math>\beta_{1,2}</math>. <math>\beta_{1}</math> is calculated on the basis of receiving stream length (L) and the receiving stream difference (I<sub>g</sub> = (HP – TP) / L) according to:
 +
 
  
==Aufteilung des Effektivniederschlags==
+
<math>\beta_1 = 1 - 0.02425 \cdot \left(\ln\left(\frac{L}{\sqrt{I_g}}\right)\right)^{3.2444}</math> for <math>\frac{L}{\sqrt{I_g}}\le10</math>
Der nach den oben dargestellten Gleichungen bestimmte Effektivniederschlag wird auf die beiden Speicher der Speicherkaskade durch Berechnung der Koeffizienten <math>\beta_{1,2}</math> aufgeteilt. <math>\beta_{1}</math> berechnet sich aus der Vorfluterlänge (L) und dem Vorfluter Gefälle (I<sub>g</sub> = (HP – TP) / L) nach:
+
  
<math>\beta_1 = 1 - 0.02425 \cdot \left(\ln\left(\frac{L}{\sqrt{I_g}}\right)\right)^{3.2444}</math> für <math>\frac{L}{\sqrt{I_g}}\le10</math>
+
<math>\beta_1 = \frac{3.91}{\left(\frac{L}{\sqrt{I_g}}\right)^{0.86}} + 0.1</math> for <math>\frac{L}{\sqrt{I_g}} > 10</math>
  
<math>\beta_1 = \frac{3.91}{\left(\frac{L}{\sqrt{I_g}}\right)^{0.86}} + 0.1</math> für <math>\frac{L}{\sqrt{I_g}} > 10</math>
+
The coefficient <math>\beta_2</math> results from 1 – <math>\beta_1</math>. Due to this allocation the first storage (direct runoff part) of the cascade gets relatively more precipitation in steep areas and less in flat areas.
  
Der Koeffizient <math>\beta_2</math> ergibt sich als 1 – <math>\beta_1</math>.
 
Durch diese Aufteilung erhält der erste Speicher (Direktabflussanteil) der Kaskade bei steilem Gebiet verhältnismäßig mehr Niederschlag und bei flacherem Gebiet verhältnismäßig weniger.
 
  
==Die lineare Speicherkaskade==
+
==Linear Reservoirs in Series==
  
Die Berechnung der Einheitsganglinie erfolgt durch eine lineare Speicherkaskade mit zwei Speichern, die unterschiedliche Retentionskoeffizienten (k<sub>1,2</sub>) besitzen. Diese berechnen sich nach:
+
The calculation of the unit hydrograph is carried out via linear reservoirs in series with two storages that have different retention coefficients (k<sub>1,2</sub>). These are calculated according to:
  
 
<math>k_1 = \frac{0.555}{\left(\frac{L}{\sqrt{I_g}}\right)^{0.61}} + 0.511 \cdot \ln\left(\frac{L}{\sqrt{I_g}}\right) - 0.355</math>
 
<math>k_1 = \frac{0.555}{\left(\frac{L}{\sqrt{I_g}}\right)^{0.61}} + 0.511 \cdot \ln\left(\frac{L}{\sqrt{I_g}}\right) - 0.355</math>
Line 287: Line 293:
 
<math>k_2 = 3 \cdot k_1^{1.3}</math>
 
<math>k_2 = 3 \cdot k_1^{1.3}</math>
  
Für jeden der beiden Speicher wird dann eine Einheitsganglinie (Unit-Hydrograph) basierend auf den k-Werten nach folgender Gleichung berechnet:
+
For each of the two storages a unit hydrograph based on the k-values is then calculated according to the following equation:  
  
 
<math>u(t) = \frac{A_E}{3.6} \cdot \frac{1}{k \cdot (n-1)!} \cdot \left(\frac{t}{k}\right)^{n-1} \cdot e^{-\frac{t}{k}}</math>
 
<math>u(t) = \frac{A_E}{3.6} \cdot \frac{1}{k \cdot (n-1)!} \cdot \left(\frac{t}{k}\right)^{n-1} \cdot e^{-\frac{t}{k}}</math>
  
mit:
+
with:
  
 
{|
 
{|
 
|-
 
|-
|t || der Zeitschritt in Sekunden
+
|t || time step in seconds
 
|-
 
|-
|A<sub>E</sub> || die Größe des Einzugsgebiets in km²
+
|A<sub>E</sub> || size of the catchment area in km²
 
|-
 
|-
|n || die Anzahl der Speicher (hier immer 2)
+
|n || number of storages(in this case: always 2)
 
|-
 
|-
|k || der Retentionskoeffizient nach den oben angeführten Gleichungen
+
|k || the retention coefficient according to the equations given above
 
|}
 
|}
  
Der Gesamtabfluss des Gebietes ergibt sich dann aus der Summe der beiden Abflusskomponenten.
+
The total runoff of the area results from the sum of both runoff components, then.
  
==Praxisrelevante Extremwerte des Niederschlags (PEN)==
+
==Practice-Oriented Extreme Values of the Precipitation (PEN)==
  
Die Abschätzung von Niederschlägen mit Jährlichkeiten oder Wiederkehrintervallen, die seltener als die 100 Jahre der KOSTRA-Daten sind, erfolgt nach modifiziertem PEN-Verfahren (Gewässerkundlicher Landesdienst Thüringen: Anforderungen an Hydrologische Gutachten, Fassung vom 31. Mai 2005). Mit diesem Verfahren werden die Niederschläge für beliebige seltene Wiederkehrintervalle ausgehend von den KOSTRA-Daten für jede KOSTRA-Dauerstufe extrapoliert.
+
The estimation of precipitation with return periods or return intervals which are less frequent than the 100 years of the KOSTRA-data is carried out according to the modified PEN-method (Gewässerkundlicher Landesdienst Thüringen: Anforderungen an Hydrologische Gutachten, Fassung vom 31. Mai 2005). With this method precipitations for arbitrary rare return intervals based on the KOSTRA-data for each KOSTRA-duration are extrapolated.  
 +
 
 +
The calculations for a precipitation P with a return interval T and an arbitrary duration is carried out according to:
  
Die Berechnung für einen Niederschlag P mit einem Wiederkehrintervall T und einer beliebigen Dauerstufe erfolgt nach:
 
  
 
<math>P(T) = P_{k1} + \left(\frac{P_{k100} \cdot 1.2 - P_{k1} \cdot 0.9}{\ln 100} \cdot \ln (T)\right)</math>,
 
<math>P(T) = P_{k1} + \left(\frac{P_{k100} \cdot 1.2 - P_{k1} \cdot 0.9}{\ln 100} \cdot \ln (T)\right)</math>,
  
wobei <math>P_{k1}</math> der KOSTRA-Niederschlag mit Wiederkehrintervall 1 Jahr und <math>P_{k100}</math> der KOSTRA-Niederschlag mit Wiederkehrintervall 100 Jahre der entsprechenden Dauerstufe ist.
+
<math>P_{k1}</math> of the KOSTRA-precipitation with return interval is 1 year and Pk100 of the KOSTRA-precipitation with return interval is 100 years of the referring duration.
  
=HRU Parameter Bestimmung in ArcView=
+
=HRU Parameter Definition in ArcView=
Mit dem GIS ArcView kann die Parametertabelle relativ einfach erzeugt werden. Die notwendigen Daten und Arbeitsschritte werden im Folgenden erläutert.
+
The parameter table can be generated with the GIS ArcView quite simply. The necessary data and steps are described in the following part.  
  
==Notwendige Datenflächen==
+
==Necessary Data Areas==
Für die Bearbeitung müssen folgende Datenflächen verfügbar sein:
+
For the processing the following data areas must be available:  
* Bodenkarte mit CN-Kodierung (A-D) - liegt für gesamt Thüringen vor (Die Eingangkarte muss in der Attributtabelle ein Feld mit Namen "SID" enthalten, in der die CN-Kodierung (A-D) abgelegt ist!)
+
* Soil map with CN-coding (A-D) – available for the entire land Thuringia (The input map has to contain a field with the name “SID” in which the CN-coding (A-D) is saved!)  
* Landnutzung mit entsprechender Kodierung - liegt für gesamt Thüringen vor (Die Eingangkarte muss in der Attributtabelle ein Feld mit Namen "LID" enthalten, in der die eindeutige numerische Kodierung für die Landnutzungseinheiten abgelegt ist!)
+
* Land use with referring coding – available for the entire land Thuringia (The input map has to contain a field with the name “LID” in which the clear numeric coding for the land use units is saved!)  
* Eine Shapedatei der Einzugsgebietsgrenze
+
* Shape file of the catchment area
* Eine Shapedatei des Hauptvorfluters (optional)
+
* Shape file of the main receiving stream (optional)
* Ein digitales Geländemodell (optional)
+
* digital terrain model (optional)  
  
Alle Datenflächen müssen in einem einheitlichen Bezugssystem (z.B. Gauss-Krüger) vorliegen.
 
  
==Voraussetzungen in ArcView==
+
All data areas must be available in a consistent reference system (e.g. Gauss-Krüger).
[[Bild:extensions.jpg|thumb|Abb. 8: Auswahl der "Geoprocessing" Erweiterung]]Es müssen folgende Erweiterungen (Extensions) installiert und aktiviert sein:
+
* Geoprocessing
+
* Spatial Analyst (nur notwendig, wenn Höhenmodell verwendet wird)
+
* JAMSSCS Erweiterung ([http://www.geoinf.uni-jena.de/tlugwiki/uploads/b/b3/Jamsscs.avx jamsscs.avx])
+
  
Die Erweiterung jamsscs.avx (die oben heruntergeladen werden kann) muss in das Erweiterungsverzeichnis (EXT32) von ArcView kopiert werden. Im allgemeinen befindet sich dies unter: C:\ESRI\AV_GIS30\ARCVIEW\EXT32.
+
==Conditions in ArcView==
 +
[[File:extensions.jpg|thumb|Figure 8: Selection of the "Geoprocessing" extension]]The following extensions must be installed and activated:  
 +
* Geoprocessing
 +
* Spatial Analyst (only required when elevation model is used)
 +
* JAMSSCS extension ([http://www.geoinf.uni-jena.de/tlugwiki/uploads/b/b3/Jamsscs.avx jamsscs.avx])
  
Die Installation der JAMSSCS Erweiterung fügt in ArcView ein neues Menü (JAMSSCS) hinzu, das sichtbar ist, wenn ein View aktiv ist. Dieses Menü enthält drei Einträge, die weiter unten ausführlicher beschrieben werden.
+
The extension jamsscs.avx (downloadable under the link above) must be copied into ArcView’s extension directory (EXT32). This can generally be found under: C:\ESRI\AV_GIS30\ARCVIEW\EXT32.
  
Ob die Erweiterungen installiert und aktiviert sind, lässt sich über den Menupunkt: Datei --> Erweiterungen überprüfen.
+
The installation of the JAMSSCS extension adds a new menu (JAMSSCS) in ArcView which is visible when a View is active. This menu contains three entries that are described in more detail further down.
 +
Whether the extensions are installed and activated can be checked under the menu item file --> check extensions.
  
==Zuschneiden der Eingangsdaten==
+
==Clipping of Input Data==
[[Bild:Clip.jpg|thumb|Abb. 9: Dialog zum Zuschneiden der Eingangsdaten]]Zur Erzeugung der Flächeninformation müssen zunächst die Bodenkarte mit CN-Kodierung und die Landnutzungskarte für das relevante Einzugsgebiet zugeschnitten werden. Dies erfolgt mit dem "GeoProcessingWizard", den drei Eingangskarten (Bodenkarte, Landnutzungskarte, Einzugsgebietsgrenze), die in ArcView geöffnet sein müssen und folgenden Arbeitsschritten:
+
[[File:Clip.jpg|thumb|Figure 9: Dialogue for clipping input data]]The soil map with CN-coding and the land use map for the relevant catchment area have to be cut in order to generate area information. This is carried out with "GeoProcessingWizard", the three input maps (soil map, land use map, catchment area borders) which must be open in ArcView. The following steps describe the procedure:
  
* Start des "GeoProcessingWizard" aus dem Menu JAMSSCS --> GeoProcessing...
+
* Start "GeoProcessingWizard" in the menu JAMSSCS --> GeoProcessing...
* Auswahl des Unterpunktes "Ausschneiden (Clip)" im erscheinenden Dialog und betätigen des '''[Weiter]''' Knopfes
+
* Select the subitem "Clip" in the appearing dialogue and confirm with the button '''[Next]'''  
* Auswahl von Bodenkarte oder Landnutzungskarte in der oberen ListBox ("Auszuschneidendes Eingabethema auswählen:") und die Einzugsgebietsgrenze in der zweiten ListBox ("Polygon Überlagerungsthema auswählen:"). Bei beiden Eingaben muss die CheckBox "Nur ausgewählte Objekte verwenden" '''ab'''gewählt sein.
+
* Select the soil map or land use map in the upper ListBox ("select input theme that shall be clipped:") and the catchment area border in the second ListBox ("select Polygon overlay theme:"). For both the checkbox "only use selected objects" must be '''de'''selected.  
* Optional kann ein Ausgabedateiname in der dritten ListBox ("Ausgabedatei angeben") angegeben werden.
+
* Optionally, an output file name can be given in the third ListBox ("give output file").  
* Mit dem Knopf '''[Fertigstellen]''' wird der Prozess gestartet.
+
* The process is started with the button '''[Finish]'''.  
  
Wenn die oben angeführten Arbeitsschritte für die beiden Eingangskarten durchgeführt wurden, stehen nun zugeschnittene Versionen der Landnutzungs- und Bodenkarte für die weitere Bearbeitung zur Verfügung.
+
When the steps described above are carried out for both input maps, cut versions of the land use and soil map are available for further processing, then.
  
==Überlagern der Eingangsdaten==
+
==Overlaying Input Data==
[[Bild:Overlay.jpg|thumb|Abb. 10: Dialog zum Überlagern der Eingangsdaten]] Für die Überlagerung müssen die zugeschnittenen Karten der Landnutzung und der CN-kodierten Bodenkarte vorliegen. Die Überlagerung erfolgt mit dem "GeoProcessingWizard" der mit dem Menupunkt JAMSSCS --> GeoProcessing... gestartet wird. Dann müssen folgende Eingaben gemacht werden.
+
[[File:Overlay.jpg|thumb|Figure 10: Dialogue for the overlay of input data]] The cut maps of the land use and the CN-coded soil map have to be available for the overlay. The overlay is then carried out with "GeoProcessingWizard" which is started with the menu item JAMSSCS --> GeoProcessing... . Then, the following information has to be given.
* Auswahl von "Themen verschneiden (Intersect)" dann Knopf '''[Weiter]'''
+
* Select "Intersect themes" then click '''[Next]'''
* Auswahl der ausgeschnittenen Landnutzung in der ersten ListBox
+
* Select the cut land use in the first ListBox
* Auswahl der ausgeschnittenen CN-kodierten Bodenkarte in der zweiten ListBox
+
* Select the cut CN-coded soil map in the second ListBox
* Optional kann ein Dateinamen für die Ausgabedatei (z.B. "hrus.shp") angegeben werden.
+
* Optionally, a file name for the output file (e.g. "hrus.shp") can be given.
  
Mit dem Knopf '''[Fertigstellen]''' wird der Prozess gestartet. Als Ergebnis entsteht eine Karte, die die Kombination aus Landnutzung und CN-kodierten Bodentypen enthält.[[Bild:Overlay_img.jpg|thumb|Abb. 11: Eingangsinformation, Überlagerung und Attributtabelle]]
+
The process is started with the button '''[Finish]'''. A map is developed which contains the combination of land use and CN-coded soil types as result.[[File:Overlay_img.jpg|thumb|Figure 11: Input information, overlay and attribute table]]
  
==Aktualisieren der Attributtabelle==
+
==Refreshing the Attribute Table==
Für den Einsatz in JAMSSCS muss die Attributtabelle des entstandenen HRU-Themas aktualisiert und erweitert werden. Im einzelnen:
+
For the use in JAMSSCS the attribute table of the generated HRU-theme must be refreshed and extended. This is carried out as follows:
* Hinzufügen einer eindeutigen numerischen Identifikationsnummer (ID) für jedes Polygon
+
* Adding a clear numeric ID for each polygon
* Entfernen überflüssiger Attribute
+
* Deleting surplus attributes
* Berechnung und Hinzufügen der Fläche in m² für jedes Polygon
+
* Calculation and adding of the area in m² for each polygon
  
Hierfür muss zunächst das HRU-Thema im View ausgewählt sein. Dann wird über den Menüpunkt "JAMSSCS --> Tabelle aktualisieren..." die Attributtabelle mit der notwendigen Information erweitert.
+
For this purpose, the HRU-theme has to be selected in the view at first. Then, the attribute table is extended with the necessary information via the menu item "JAMSSCS --> refresh table...".
  
==Exportieren der Attributtabelle==
+
==Exporting the Attribute Table==
  
Die erweiterte Attributtabelle ist schließlich noch zu exportieren, um später mit JAMSSCS verarbeitet werden zu können. Hierzu muss das HRU-Thema im View aktiv sein. Der Export erfolgt dann mit dem Menüpunkt "JAMSSCS-->Tabelle exportieren...". Es wird noch ein Dateiname abgefragt und dann exportiert.
+
The extended attribute table must be exported finally in order to be processed with JAMMSCS at a later point. For this purpose, the HRU-theme in the view must be active. The export is then carried out with the menu item "JAMSSCS-->export table...". The program asks for a file name and starts the export, then.
  
=Literatur=
+
=Bibliography=
 
'''DVWK-Regeln zur Wasserwirtschaft, H. 112/1982:''' Arbeitsanleitung zur Anwendung von Niederschlags-Abfluss-Modellen in kleinen Einzugsgebieten; verantw. Herausg. Dt. Verb. für Wasserwirtschaft u. Kulturbau e.V. (DVWK). Bearb. vom DVWK-Fachausschuss "Niederschlag-Abfluss-Modelle" - Hamburg, Berlin: Parey; Teil I: Analyse; DK 556.161.072 Niederschlag-Abfluss-Modelle, DK 556.51.028 Kleineinzugsgebiete. - 1982.
 
'''DVWK-Regeln zur Wasserwirtschaft, H. 112/1982:''' Arbeitsanleitung zur Anwendung von Niederschlags-Abfluss-Modellen in kleinen Einzugsgebieten; verantw. Herausg. Dt. Verb. für Wasserwirtschaft u. Kulturbau e.V. (DVWK). Bearb. vom DVWK-Fachausschuss "Niederschlag-Abfluss-Modelle" - Hamburg, Berlin: Parey; Teil I: Analyse; DK 556.161.072 Niederschlag-Abfluss-Modelle, DK 556.51.028 Kleineinzugsgebiete. - 1982.
  
 
'''DVWK-Regeln zur Wasserwirtschaft, H. 113/1984:''' Arbeitsanleitung zur Anwendung von Niederschlags-Abfluss-Modellen in kleinen Einzugsgebieten; verantw. Herausg. Dt. Verb. für Wasserwirtschaft u. Kulturbau e.V. (DVWK). Bearb. vom DVWK-Fachausschuss "Niederschlag-Abfluss-Modelle" - Hamburg, Berlin: Parey; Teil 2: Synthese; DK 556.161.072 Niederschlag-Abfluss-Modelle, DK 556.51.028 Kleineinzugsgebiete. - 1984.
 
'''DVWK-Regeln zur Wasserwirtschaft, H. 113/1984:''' Arbeitsanleitung zur Anwendung von Niederschlags-Abfluss-Modellen in kleinen Einzugsgebieten; verantw. Herausg. Dt. Verb. für Wasserwirtschaft u. Kulturbau e.V. (DVWK). Bearb. vom DVWK-Fachausschuss "Niederschlag-Abfluss-Modelle" - Hamburg, Berlin: Parey; Teil 2: Synthese; DK 556.161.072 Niederschlag-Abfluss-Modelle, DK 556.51.028 Kleineinzugsgebiete. - 1984.
  
=Bearbeitung und Kontakt=
+
=Editing and Contact=
 
{|
 
{|
 
  |Dr. Peter Krause  
 
  |Dr. Peter Krause  

Latest revision as of 08:15, 5 December 2011

Contents

JAMSSCS

JAMSSCS is a program for the calculation of design discharges for small homogeneous catchment areas. For this purpose, JAMSSCS implements the unit-hydrograph method of the U.S. Soil Conservation Service (SCS) together with the Curve Number (CN) method for the effective rainfall. The program enables the estimation of the runoff in consideration of an approach of a specific design depth of precipitation for small homogeneous catchment areas. The calculations are carried out as far as possible according to the German DVWK rules 112/1982 and 113/1984 and have been adjusted and changed at some points.

JAMSSCS uses the Jena Adapatable Modelling System (JAMS) and is completely written in JAVA. Therefore, it is usable independently from the operating system on different computer configurations.

Note: The decimal separator is the . (period) and not the , (comma) for the data input.


Installation and Quick Start

Figure 1: JAMSSCS main window
The installation in MS-Windows is carried out via the execution of the installation file "JAMSSCS_setup.exe". This file contains all necessary files for the execution. Additionally, a sample dataset is contained which can be used for a test and as template for the generation of new datasets. This manual uses this dataset. The installation file copies the necessary files and registers JAMSSCS in the start menu. A desktop icon can also be generated.

To tart JAMSSCS, double click on "JAMSSCS.exe". Hereupon, the main window of JAMSSCS appears (JAMS-launcher). The main window contains three tabulators (main group, Kostra-precipitation, individual event), which offer different functions. For the execution of the test dataset only the working directory needs to be set up. The complete path to the JAMSSCS installation directory has to be given here.

With the button [RUN] the model is started.
Figure 2: runtime window of JAMSSCS

A new window with three tabulators appears. The first one [JAMSProgress] represents general information on the current model run as text. Should an error or problem arise while executing, an error message might appear in this view. The second tabulator [design discharge] shows the hydrograph of the design discharge in m³/s. The third tabulator [design volume] shows the cumulated volume in million m³. You can zoom into the graphics by left mouse click and pushing of the window. By right mouse click into the graphic a menu opens which allows a certain adjustment, e.g. changing the diagram title, labeling of the axes, background color, frame color, etc. Furthermore, the diagram can be saved as PNG graphic via this menu. The hydrograph can be switched on or off with the help of the checkbox on the right side.

JAMSSCS Input Data

Information that is provided for JAMSSCS always follows a strict format. For tables it is defined as follows:

  • Rows that are introduced by # are comment rows which are not processed by the program. Comment rows are only allowed at the beginning of the table. There is no limitation of their number.
  • The tabulator is always the column separator
  • The order of the columns must always follow the order in the sample tables.
  • The first row which is not introduced by # has to contain the row labeling. This labeling should always correspond to the labeling of the tables x and y. The program differentiates between upper and lower case.
  • The following rows contain the actual information (separated by the tabulator).

JAMSSCS needs information about the research area and at least the design depth of precipitation. Additionally, a KOSTRA-precipitation file can be read in which contains precipitation heights for different durations and return periods. This file can be read out in XML-format from the KOSTRA-DWD software and can then be processed directly in JAMSSCS.

The necessary area information consists of a description of the hydrological homogeneous areas (HRUs – Hydrological Response Units) that exist in the area given in tables (HRU-table). The output criterion for the generation is the land use and soil type. The calculation of the desired CN-value is carried out on the basis of the reference table (CN table). In the installation there are examples given for both tables which can be adjusted, changed or added. Newly generated input tables for the area description can be given in the main window.

CN Table

The JAMSSCS CN table contains "Curve-Numbers" for different land use-soil-combinations and can be found in the installation directory as “cnNumbers.par”. The Curve-Number describes the part of precipitation that is runoff-effective. It can be interpreted as relative part. The actual calculation of the effective rainfall is described further down with the help of the curve-number.


Table 1: Die CN table of JAMSSCS

#CN-Numbers
LID soil use A B C D
1 settlement (neatly built) 80 80 80 80
2 settlement (loosely built) 38 73 89 98
3 farmland 64 76 84 88
5 deciduous forest 36 60 73 79
6 coniferous forest 25 55 70 77
7 bush, scattered fruit 45 66 77 83
9 grassland 30 58 71 78
10 open areas 80 80 80 80
11 water areas 100 100 100 100


After the comment in the first row, the table contains the column labeling which do not need to be formulated exactly as it is shown here but can also be labeled differently. Note: The order of the columns must be kept in this order. The columns contain:

  • LID: A numeric key number for a land cover or land use type, e.g. 3 for farmland (column 1).
  • Soil use: A description of the referring land cover or land use type in text form (column 2).
  • A, B, C, D: SCS soil types that are described further down (columns 3, 4, 5, and 6).

Then, the entries for the single land cover categories in LID form, description, Curve Number for soil type A, B, C and D follow in the rows. The table can be expanded user-defined via entering new datasets if required. At this, the soil types are defined as follows:

  • A: Soils with high infiltration capacity also after heavy pre-moistening, e.g. deep sand or gravel soils.
  • B: Soils with middle infiltration capacity. Deep to moderate deep soils with moderate fine or rough texture, e.g. middle deep sand soils, loess, sandy clay.
  • C: Soils with low infiltration capacity. Soils with fine to moderate fine texture or water damming layer, e.g. flat sand soils, sandy clay.
  • D: Soils with very low infiltration capacity. Clay soils, very flat soils above nearly impermeable material, soils with always high groundwater level.

HRU table

The HRU table contains information about the research area and is structured as follows: (see table 2)

Table 2: HRU table with area information

#hrus.par
"ID" "AREA" "LID" "SID"
1 0.011 3 B
2 1.39 4 B
3 0.156 7 B
4 0.014 8 B
5 0.3 11 B

The first row without introducing comment symbol (#) contains the labeling for the intern given variables.

The JAMSSCS-component, which this table reads, was generated in a way so exported GIS tables can be read in without further processing. For this reason the labeling must be given exactly as shown above. The permissible labeling are ID, SID, LID, AREA. The names do not need to be given in inverted commas. The order as well as upper and lower case are not important in this table. In addition to the tabulator, the comma (,) can be used as column separator, here.

The first column contains a clear numeric identification number for each hydrological unit; the second column contains the area (in m²), the third one contains the ID (LID) of the dominant land use of the table according to table 1. The fourth column contains the dominant soil type (A-D) – also according to table 1. For the processing of other areas the HRU table always needs to be generated. This can be carried out directly from a GIS. (Tools for automatized derivation in ArcView are described below.)

Further Input Data

Figure 3: The different precipitation allocations of JAMSSCS
Figure 4: Sum functions of the different precipitation allocations of JAMSSCS

The other necessary input data is given directly in the JAMSSCS main window (Figure 1). It is:

  • Receiving stream length: The maximum length of the main receiving stream from the source to the runoff in kilometers.
  • Deepest, highest point: The topographic height in meters of the deepest point (runoff) and of the highest point (source) of the main receiving stream.
  • N-allocation form: Determines the temporal allocation of precipitation. Valid information is: B = block rainfall, rainfall M = in the middle of the event, A = at the beginning of the event and E = at the end of the event .
  • Model runtime: Calculation time for the modeling in hours.
  • Time step length: Length of a specific calculation time step in seconds.

For the precipitation allocation form the referring temporal allocations are implemented in JAMSSCS and follow the DVWK 113/1984 as far as possible.

Calculation of Individual Events

Individual precipitation events can be simulated with the help of the tabulator individual events. The necessary parameters can be adjusted here. These are:

  • Precipitation duration: the temporal duration of precipitation in minutes
  • Design depth of precipitation: the amount of fallen precipitation in open land which is reduced to effective rainfall in the model run
  • Individual-Q-output: file name for an output file that is to be generated in which the calculated values can be saved. It is a simple ASCII-file which can be further processed with text editors as well as table calculations. The file name has to be given in consideration to the working directory. The file contains the runoff in m³/s for each time step as well as the temporally cumulated runoff volume in million m³.
  • Decimal places: the number of decimal places for the values in the output file.
  • Runoff-plot: the graphic output of hydrographs can be switched on or off here

The following fields serve the configuration of the model output. These are:

  • Legend: labeling of the legend which is additionally complemented automatically by the precipitation height
  • Line color: labeling for the color of the hydrograph. Valid labeling are for example "blue", "red", "green", "black" etc.
  • X,Y-axes labeling: axes labeling (can also be changed later)
  • Volume-plot: generates a graphic presentation of the temporally cumulated runoff volume in million m³.

Calculation with KOSTRA-Precipitation

Figure 5: Input tabulator for KOSTRA simulations with variable durations and return periods as well as extreme precipitation (PEN)
Figure 6: KOSTRA simulation with fixed duration and variable return period
Abb. 7: Figure 7: KOSTRA simulation with variable duration and fixed return period

The product KOSTRA-DWD contains the storm rainfall heights for Germany in dependence of the duration and return period in the area of the durations D between 5 minutes and 72 hours as well as in the area of the yearly return periods between T = 0.5 a (according to the yearly exceedence frequency of n = 2x per year in the mean) and T = 100 a (in the mean all 100 years only once received or exceeded according to n = 0.01).

KOSTRA-DWD allows the export as XML-file which can be read directly from JAMSSCS. Such a file contains all values of a KOSTRA-DWD grid cell.

The calculations are carried out with the precipitation allocation form given in the tabulator main group. Further necessary settings are provided in the tabulator KOSTRA precipitation in JAMSSCS. These are:

  • Kostra on: Switches KOSTRA calculations on or off
  • Kostra-runoff-plot: Switches the graphic output of the hydrograph for KOSTRA calculations on or off
  • Kostra-volume-plot: Switches the graphic output of the cumulated volume for KOSTRA calculations on or off
  • Kostra-input-file: the exported XML-file from KOSTRA-DWD. The complete path name has to be given here, e.g. E:\Projekte\JAMSscnMethod\KOSTRA-DWD-Tabelle-S48-Z56 Jena.xml.
  • Return period: either one of the valid KOSTRA return periods (0.5, 1, 2, 5, 10, 20, 50, 100) or each other return period which must be bigger than 100 years, though. The referring precipitations are calculated according to the PEN-method in this case. If a return period of more than 100 years is chosen in the field, the checkbox “PEN-precipitation on:” must be selected.
  • Kostra-detail: a file name for the detail text output of a KOSTRA simulation. The file name is completed intern via the working directory. This file contains runoff data for each time step and for each combination of a KOSTRA simulation. The output format is a text file separated by tabulator.
  • Kostra-summary: a compressed form of the results of a KOSTRA simulation which contains the maximum peak discharge and the volume of each calculated KOSTRA simulation
  • Decimal places: the number of decimal places for the values in the output file
  • Variable precipitation return period: If the checkbox is activated, the calculation with the precipitation duration, given in the tabulator individual event, and all return periods shown above is carried out. The valid precipitation durations are: 5, 10, 15, 20, 30, 45, 60, 90, 120, 180, 240, 360, 540, 720, 1080, 1440, 2880, 4320 minutes.
  • Variable precipitation duration: If the checkbox is activated (and the one above is deactivated), the calculation for the return period given above and all precipitation durations given above is carried out.
  • PEN-precipitation on: with the help of this checkbox the calculation of precipitation with very high return periods, which go beyond the 100 years return interval of the KOSTRA-values, is switched on or off. (The calculation of the PEN-precipitations is described further down.)
  • PEN return periods: a list of return periods for which the PEN-calculation shall be carried out. The values of the list have to be separated by semicolon (;).

Intern Calculations - SCS Theory, PEN-Precipitations

The intern calculation of the unit hydrograph is based on the calculation of the effective rainfall in dependence of the CN-value of the catchment area and linear reservoirs in series (Nash-cascade) with two storages with different discharge coefficients (k1,2) as well as the variable allocation of the precipitation to the two storages. The first storage represents the fast direct runoff; the second represents the decelerated basis runoff.

CN-Value Calculation

An area-weighted mean CN-value, based on the entries of the HRU table and the CN table, is calculated for the area. The calculation is carried out according to the following equation:

CN = \sum_{HRU=1}^{n}rel.Area_{HRU} \cdot CN(LU,ST)_{HRU}

rel.Area is the relative area part of the HRU and CN(LU, ST) is the entry referring to the HRU in the CN table.

The Effective Rainfall

The effective rainfall (hNe) describes the runoff-effective amount of the total precipitation. The calculation is carried out according to the following exponential function:


h_{Ne} = \frac{\left[ (h_N / 25.4) - (200/CN) + 2 \right]^2}{(h_N / 25.4) + (800 / CN) - 8} \cdot 25.4

hN is the design depth of precipitation (in mm) and CN is the CN-value according to equation 1. The minimal level for the design depth of precipitation (UGN) where an effective rainfall > 0 occurs results when hNe is set to zero:


UG_N = \left(\frac{200}{CN} - 2 \right) \cdot 25.4

For a design depth of precipitation less than or equal to the minimal level (UGN) an effective rainfall of 0 mm results, thus.

Allocation of the Effective Rainfall

The effective rainfall which is calculated according to the presented equations above is allocated to the two storages of the storage cascade based on the calculation of the coefficients β1,2. β1 is calculated on the basis of receiving stream length (L) and the receiving stream difference (Ig = (HP – TP) / L) according to:


\beta_1 = 1 - 0.02425 \cdot \left(\ln\left(\frac{L}{\sqrt{I_g}}\right)\right)^{3.2444} for \frac{L}{\sqrt{I_g}}\le10

\beta_1 = \frac{3.91}{\left(\frac{L}{\sqrt{I_g}}\right)^{0.86}} + 0.1 for \frac{L}{\sqrt{I_g}} > 10

The coefficient β2 results from 1 – β1. Due to this allocation the first storage (direct runoff part) of the cascade gets relatively more precipitation in steep areas and less in flat areas.


Linear Reservoirs in Series

The calculation of the unit hydrograph is carried out via linear reservoirs in series with two storages that have different retention coefficients (k1,2). These are calculated according to:

k_1 = \frac{0.555}{\left(\frac{L}{\sqrt{I_g}}\right)^{0.61}} + 0.511 \cdot \ln\left(\frac{L}{\sqrt{I_g}}\right) - 0.355

k_2 = 3 \cdot k_1^{1.3}

For each of the two storages a unit hydrograph based on the k-values is then calculated according to the following equation:

u(t) = \frac{A_E}{3.6} \cdot \frac{1}{k \cdot (n-1)!} \cdot \left(\frac{t}{k}\right)^{n-1} \cdot e^{-\frac{t}{k}}

with:

t time step in seconds
AE size of the catchment area in km²
n number of storages(in this case: always 2)
k the retention coefficient according to the equations given above

The total runoff of the area results from the sum of both runoff components, then.

Practice-Oriented Extreme Values of the Precipitation (PEN)

The estimation of precipitation with return periods or return intervals which are less frequent than the 100 years of the KOSTRA-data is carried out according to the modified PEN-method (Gewässerkundlicher Landesdienst Thüringen: Anforderungen an Hydrologische Gutachten, Fassung vom 31. Mai 2005). With this method precipitations for arbitrary rare return intervals based on the KOSTRA-data for each KOSTRA-duration are extrapolated.

The calculations for a precipitation P with a return interval T and an arbitrary duration is carried out according to:


P(T) = P_{k1} + \left(\frac{P_{k100} \cdot 1.2 - P_{k1} \cdot 0.9}{\ln 100} \cdot \ln (T)\right),

Pk1 of the KOSTRA-precipitation with return interval is 1 year and Pk100 of the KOSTRA-precipitation with return interval is 100 years of the referring duration.

HRU Parameter Definition in ArcView

The parameter table can be generated with the GIS ArcView quite simply. The necessary data and steps are described in the following part.

Necessary Data Areas

For the processing the following data areas must be available:

  • Soil map with CN-coding (A-D) – available for the entire land Thuringia (The input map has to contain a field with the name “SID” in which the CN-coding (A-D) is saved!)
  • Land use with referring coding – available for the entire land Thuringia (The input map has to contain a field with the name “LID” in which the clear numeric coding for the land use units is saved!)
  • Shape file of the catchment area
  • Shape file of the main receiving stream (optional)
  • digital terrain model (optional)


All data areas must be available in a consistent reference system (e.g. Gauss-Krüger).

Conditions in ArcView

Figure 8: Selection of the "Geoprocessing" extension
The following extensions must be installed and activated:
  • Geoprocessing
  • Spatial Analyst (only required when elevation model is used)
  • JAMSSCS extension (jamsscs.avx)

The extension jamsscs.avx (downloadable under the link above) must be copied into ArcView’s extension directory (EXT32). This can generally be found under: C:\ESRI\AV_GIS30\ARCVIEW\EXT32.

The installation of the JAMSSCS extension adds a new menu (JAMSSCS) in ArcView which is visible when a View is active. This menu contains three entries that are described in more detail further down. Whether the extensions are installed and activated can be checked under the menu item file --> check extensions.

Clipping of Input Data

Figure 9: Dialogue for clipping input data
The soil map with CN-coding and the land use map for the relevant catchment area have to be cut in order to generate area information. This is carried out with "GeoProcessingWizard", the three input maps (soil map, land use map, catchment area borders) which must be open in ArcView. The following steps describe the procedure:
  • Start "GeoProcessingWizard" in the menu JAMSSCS --> GeoProcessing...
  • Select the subitem "Clip" in the appearing dialogue and confirm with the button [Next]
  • Select the soil map or land use map in the upper ListBox ("select input theme that shall be clipped:") and the catchment area border in the second ListBox ("select Polygon overlay theme:"). For both the checkbox "only use selected objects" must be deselected.
  • Optionally, an output file name can be given in the third ListBox ("give output file").
  • The process is started with the button [Finish].

When the steps described above are carried out for both input maps, cut versions of the land use and soil map are available for further processing, then.

Overlaying Input Data

Figure 10: Dialogue for the overlay of input data
The cut maps of the land use and the CN-coded soil map have to be available for the overlay. The overlay is then carried out with "GeoProcessingWizard" which is started with the menu item JAMSSCS --> GeoProcessing... . Then, the following information has to be given.
  • Select "Intersect themes" then click [Next]
  • Select the cut land use in the first ListBox
  • Select the cut CN-coded soil map in the second ListBox
  • Optionally, a file name for the output file (e.g. "hrus.shp") can be given.
The process is started with the button [Finish]. A map is developed which contains the combination of land use and CN-coded soil types as result.
Figure 11: Input information, overlay and attribute table

Refreshing the Attribute Table

For the use in JAMSSCS the attribute table of the generated HRU-theme must be refreshed and extended. This is carried out as follows:

  • Adding a clear numeric ID for each polygon
  • Deleting surplus attributes
  • Calculation and adding of the area in m² for each polygon

For this purpose, the HRU-theme has to be selected in the view at first. Then, the attribute table is extended with the necessary information via the menu item "JAMSSCS --> refresh table...".

Exporting the Attribute Table

The extended attribute table must be exported finally in order to be processed with JAMMSCS at a later point. For this purpose, the HRU-theme in the view must be active. The export is then carried out with the menu item "JAMSSCS-->export table...". The program asks for a file name and starts the export, then.

Bibliography

DVWK-Regeln zur Wasserwirtschaft, H. 112/1982: Arbeitsanleitung zur Anwendung von Niederschlags-Abfluss-Modellen in kleinen Einzugsgebieten; verantw. Herausg. Dt. Verb. für Wasserwirtschaft u. Kulturbau e.V. (DVWK). Bearb. vom DVWK-Fachausschuss "Niederschlag-Abfluss-Modelle" - Hamburg, Berlin: Parey; Teil I: Analyse; DK 556.161.072 Niederschlag-Abfluss-Modelle, DK 556.51.028 Kleineinzugsgebiete. - 1982.

DVWK-Regeln zur Wasserwirtschaft, H. 113/1984: Arbeitsanleitung zur Anwendung von Niederschlags-Abfluss-Modellen in kleinen Einzugsgebieten; verantw. Herausg. Dt. Verb. für Wasserwirtschaft u. Kulturbau e.V. (DVWK). Bearb. vom DVWK-Fachausschuss "Niederschlag-Abfluss-Modelle" - Hamburg, Berlin: Parey; Teil 2: Synthese; DK 556.161.072 Niederschlag-Abfluss-Modelle, DK 556.51.028 Kleineinzugsgebiete. - 1984.

Editing and Contact

Dr. Peter Krause Dr. Claudia Liese
Lehrstuhl Geoinformatik Referat 51 - Gewässerökologie, Hydrologie, Wasserbau
Institut für Geographie Abteilung 5 - Wasser, Boden, Altlasten, Wismut
Friedrich-Schiller-Universität Jena Thüringer Landesanstalt für Umwelt und Geologie
Tel. 03641-948864 Tel. 03641-684518
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