GRASS GIS raster program by Kristian Förster


keywords: GIS based travel time calculation / GIS-gestützte Fließzeitberechnung

Abstract
Setting up precipitation-runoff-models requires information about travel times on catchment scale. Using digital elevation data it is possible to estimate the area-traveltime function for lumped hydrologic models. This program is a simple way to estimate travel times with geographic information systems.

Zusammenfassung
Für die Erstellung einfacher Niederschlag-Abfluss-Modelle werden Informationen über die Fließzeit im Einzugsgbiet benötigt. Für eine einfache Betrachtung dieser Prozesse mit einem Blockmodell kann mit Hilfe einer Flächen-Laufzeitfunktion eine Einheitsganglinie erstellt werden. Das hier vorgestellte Programm stellt eine einfache GIS-gestützte Möglichkeit der Ableitung der Fließzeiten dar.

Theory
The algorithm starts computing at the basin outlet. The basin is processed recursively. For every cell the travel time to the basin outlet is given from values of the descending cell. The algorithm accounts even for surface runoff (1) and also channel flow (2). The user can define an minimum drainage area for computing channel flow. The kinematic wave formula is taken from Muzik (1996). This method was also used by Kilgore (1997) and Melesse and Graham (2004). In addition to former studies a correction factor is introduced because the calculation of flow velocities assumes an equilibrium discharge which accounts for a rainfall duration equal to or greater than the time of concentration. This assumption often results in channel flow velocities biased towards large values.

Theorie
Der Algorithmus startet die Berechnung am Gebietsauslass und errechnet die Fließzeit rekursiv für das Gesamtgebiet. Es wird jeweils der Wert der unterhalbliegenden Rasterfläche berücksichtigt. Es wird sowohl der Landoberflächenabfluss (1) als auch der Gerinneabfluss (2) berechnet. Der Anwender kann eine Mindestgröße der Einzugsgebietsfläche festlegen, ab welcher Gerinneabfluss erfolgt. Der Berechnungsansatz nach der Theorie der kinematischen Welle wurde Muzik (1996) entnommen. Die dort beschriebene Methode wurde auch von Kilgore (1997) und Melesse und Graham (2004) verwendet. Anders als in den genannten Studien wird hier ein Korrekturfaktor eingesetzt. Dieser dient zur Berücksichtigung von Ereignissen welche kürzer als die Konzentrationszeit sind. Damit lässt sich die Überschätzung der Fließgeschwindigkeiten im Fließgewässer, wie sie im ursprünglichen Ansatz bestand, korrigieren.

tc	travel time	Fließzeit
L	length	Fließlänge
n	Manning's roughness coefficient	Rauhigkeitsbeiwert nach Manning
ie	excess precipitation	Effektivniederschlag
S	slope	Hangneigung / Gefälle
Q	equilibrium discharge	Gleichgewichtsabfluss
B	channel width	Gerinnebreite
f	reduction factor to account for overestimation of flow velocities in channels	Korrekturfaktor zur Berücksichtigung der Überschätzung der Fließgeschwindigkeit im Fließgewässer
A	contributing area	Einzugsgebietsfläche

Results and discussion
The following maps show input and output datasets for a small watershed (92 km²) based on the SRTM dataset (90 m resolution). Manning's roughness is assumed to be 0.1 (not shown) for surface runoff and 0.029 for channel runoff (f=0.2). The threshold value for channel flow is 100 cells = 0,8 km² (Estimation).
The travel times are smallest in the valleys and on the steep hillsides in the north of study area. The resulting travel times (0 to 1 day) are within the realms of possibility.

Ergebnisse und Diskussion
Die folgenden Abbildungen zeigen die Ein- und Ausgaben des Programms für ein ca 92 km² großes Einzugsgebiet. Es wurden SRTM Daten mit 90 m Auflösung gewählt. Die Geländerauhigkeit wurde mit 0,1 für den Oberflächen- und 0,029 für den Gerinneabfluss (f=0,2) geschätzt. Der Grenzwert für den Gerinneabfluss wurde ebenfalls geschätzt. Es wurden 100 Rasterflächen bzw. 0,8 km² angenommen.
Deutlich erkennbar sind die geringeren Fließzeiten in Tälern und im steilen Gelände im Norden des Untersuchungsgebietes. Die Ergebnisse (Fließzeiten von 0 bis 1 Tag) erscheinen plausibel.



1.) Digital Terrain Model [meters] / Digitales Geländemodell [m+NN]


2.) Flow Direction [degrees counterclockwise from east] / Fließrichtung [Grad Gegenuhrzeigersinn von Osten]


3.) Accumulation Grid [number of cells] / Einzusgebietsgröße [Anzahl von Elementen]



4.) Results: travel time in hours (10 mm/h excess precipitation) /
Ergebnis: Fließzeit in Stunden (10 mm/h Effektivniederschlag)



5.) Results: contributing area versus time / Ergebnis: Flächenlaufzeitfunktion


Outlook
The presented algorithm has been tested for one basin. Further testing and detailed evalution is needed to conclude on which scales the program works best.

Ausblick
Der Algorithmus wurde nur für ein Einzugsgebiet getestet. Weitere Beispiele müssen geprüft werden und es sind detaillierte Auswertungen erforderlich um den gültigen Skalenbereich der Anwendung besser einschätzen zu können.

References / Quellenangaben
Kilgore, J. L. (1997): Development and evaluation of a GIS-based spatially distributed unit hydrograph model, master thesis, Virginia Polytechnic Institute and State University
Melesse, A. M., Graham, W. D. (2004): Storm runoff predicition based on a spatially distributed travel time method utilizing remote sensing and GIS, Journal of the American Water Resources Association, 8, 863-879
Muzik, I. (1996): Flood modelling with GIS-derived distributed unit hydrographs, Hydrological Processes, 10, 1401-1409

Download
r.traveltime.tar.gz

Update: changed parameters


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