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Schnee-Fernbeobachtung zur Trinkwassersicherung

Wien ist bekannt für sein ausgezeichnetes Trinkwasser. Dass nicht nur die Qualität, sondern auch die Quantität sichergestellt ist, dafür sorgen die Wiener Wasserwerke. Unterstützung erhalten sie dabei auch von der TU Wien!

Perspektivdarstellung (= Aufnahme mit einer fiktiven Kamera) der Schneealpe, gerechnet aus dem digitalen Geländemodell und dem Farbinfrarot-Orthophoto. Blick von der südöstlichen Ecke des Untersuchungsgebietes Richtung Nordwesten.

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Perspektivdarstellung (= Aufnahme mit einer fiktiven Kamera) der Schneealpe, gerechnet aus dem digitalen Geländemodell und dem Farbinfrarot-Orthophoto. Blick von der südöstlichen Ecke des Untersuchungsgebietes Richtung Nordwesten.

Perspektivdarstellung (= Aufnahme mit einer fiktiven Kamera) der Schneealpe, gerechnet aus dem digitalen Geländemodell und dem Farbinfrarot-Orthophoto. Blick von der südöstlichen Ecke des Untersuchungsgebietes Richtung Nordwesten.

SPOT Schrägblickmöglichkeit für bessere zeitliche Auflösung.

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SPOT Schrägblickmöglichkeit für bessere zeitliche Auflösung.

SPOT Schrägblickmöglichkeit für bessere zeitliche Auflösung.

Schneekurs-Messung.

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Schneekurs-Messung.

Schneekurs-Messung.

Visualisierung des Schnee-Wasser-Äquivalents vom 25. März 1999 mit Hilfe von VRML, hier in einem Standard-Internet-Browser mit CosmoPlayer-Plugin.

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Visualisierung des Schnee-Wasser-Äquivalents vom 25. März 1999 mit Hilfe von VRML, hier in einem Standard-Internet-Browser mit CosmoPlayer-Plugin.

Visualisierung des Schnee-Wasser-Äquivalents vom 25. März 1999 mit Hilfe von VRML, hier in einem Standard-Internet-Browser mit CosmoPlayer-Plugin.

Die Wiener Wasserwerke (MA31) verwenden in den nördlichen Kalkalpen eine Reihe von Trinkwasserquellen, die zu einem wesentlichen Teil aus den Schneevorräten gespeist werden. Der Verlauf der Schneeschmelze in den Monaten Feber bis Juni ist für die Abschätzung der zu erwartenden Trinkwassermenge von besonderem Interesse. Das Forschungsprojekt hatte zum Ziel, die Schneeschmelze "virtuell" zu beobachten, indem ein analytisches, auf laufenden Wetterbeobachtungen basierendes Schneeschmelzmodell eingesetzt wird, das über Satelliten-Fernerkundungsbilder geeicht wird. Die Modellierung erfolgte am Institut für Hydraulik, Gewässerkunde und Wasserwirtschaft (IHGW), die Fernerkundungsaufgaben wurden vom Institut für Photogrammetrie und Fernerkundung (I.P.F.) wahrgenommen.

Ablauf und Entwicklungen

Das Projekt dauerte drei Jahre, wobei die ersten zwei Jahre der Eichung des Modelles dienten, während das letzte Jahr für die Verifikation vorgesehen war. Der Beginn war die Schnee-Periode 1997 bis 1998. Das vom IHGW entwickelte Schneeschmelzmodell hatte sich bereits im hochalpinen Bereich bewährt und musste jetzt auf die Gegebenheiten des Interessensgebietes der "Schneealpe" adaptiert werden. Neben hydrometeorologischen Messdaten (Niederschlag, Temperatur, Luftfeuchtigkeit, ...), die durch Anlagen der MA31 erfasst werden, benötigt man auch noch Daten über die Geländeform und über die Bodenbedeckung. Das I.P.F. verwendete Farbinfrarot-Lufbilder, um einerseits das digitale Geländemodell (DGM) abzuleiten und andererseits eine detailgenaue Interpretation der Bodenbedeckung zu erstellen, die sich ganz besonders auf gute Differenzierung des Waldes konzentrierte.

Es erwies sich als am günstigsten, die Fernerkundungsaufnahmen des Satelliten SPOT zu verwenden; und zwar in möglichst gleichmäßigen Abständen viermal pro Schmelzperiode. Ein "SPOT Programming Request" wurde in Auftrag gegeben, um die erforderliche Anzahl von Bildern zu garantieren. Durch die Schrägblickmöglichkeit des SPOT-Satelliten (siehe Grafik) war es möglich, in den drei Jahren zu geeigneten Terminen 12 wolkenfreie Satellitenbilder aufzunehmen und auszuwerten. Sie wurden durch das I.P.F. auf den Grad der erkennbaren Schneebedeckung hin klassifiziert. Die ESA (European Space Agency) stellte sieben AMI-SAR-(RADAR)-Bilder vom Satelliten ERS2 kostenlos zur Verfügung, mit derer Hilfe die Schneefeuchte bestimmt wurde. Die aus den Satellitenbildern abgeleiteten Daten dienten dem Vergleich mit den aus dem Schneeschmelzmodell erhaltenen Werten. Zusätzlich wurden auch noch einige Schneebestimmungen in der Natur, sogenannte Schneekurse (siehe Foto), durchgeführt. Die Parameter des Schneemodelles wurden daraufhin so verändert, dass das simulierte Ergebnis möglichst gut an die Beobachtungen herankommt. Dieser Prozess der Eichung soll erstens gewährleisten, dass schwer bestimmbare Parameter des Modells keinen systematischen Fehler verursachen, soll aber auch Ungenauigkeiten in den hydrometeorologischen Messungen abfangen. Wie sich herausstellte, sind die Messinstrumente besonders in strengen und sturmreichen Wintertagen ausfallsgefährdet. Dass die Methode der Eichung funktioniert und auch auf Folgejahre übertragen werden kann, bewies die Verifikation der Vorgehensweise im letzten Jahr des Projektes, in der Schnee-Periode 1999/2000.

Im Verlauf des Projektes stellte sich heraus, dass das Schmelzverhalten im Bereich der Schneealpe in mancher Hinsicht deutlich von dem aus früheren Projekten bekannten Verhalten in anderen Bereichen der Alpen abwich. Den Vorgang der Eichung kann man sich auf keinen Fall ersparen. Einen bedeutenden und nur schwer modellierbaren Faktor stellt die Windverfrachtung des Schnees dar. Allerdings scheinen die Auswirkungen im wesentlichen von der Geländeform abhängig zu sein, da sich im Laufe der Jahre deutlich systematische Effekte erkennen lassen. Das ermöglicht das Aufstellen von gebietsspezifischen Kenngrößen zur Berechnung der Windverfrachtung.

Das Modell liefert die Menge des anfallenden Schmelzwassers an der Bodenoberfläche. Noch nicht berücksichtigt ist hier der Verlauf des Schneeschmelzwassers unter dem Boden, sodass die Zuordnung zu den Quellen vorerst abgeschätzt wurde. Eine künftige Einbindung in die Karstforschung ist vorgesehen.

Ausblick

Das Projekt zeigte, dass die mathematisch-physikalische Schneemodellierung für die virtuelle Beobachtung der Schneelage gut geeignet ist. Teure Satellitenaufnahmen und -auswertungen können auf ein Minimum reduziert werden. Sie sind aber nicht gänzlich verzichtbar. Bei geeigneter online-Ablesung der hydrometeorologischen Messdaten könnte man sich sogar ein Echtzeit-Fernbeobachtungssystem vorstellen! Über moderne Visualisierungstechniken, z.B. über VRML (Virtual Reality Modeling Language), kann das Management der Wiener Wasserwerke sich die räumlich-zeitliche Verteilung verschiedener Schneeparameter (etwa das für die konkrete Aufgabe besonders interessante Schneewasseräquivalent) auf dem Bildschirm ansehen, eventuell nötige Entscheidungen treffen und so die nachhaltige Wasserversorgung in wetterbedingt kritischen Zeiten gewährleisten. Der Erfolg dieses Projektes veranlasste die MA31, den Einsatz dieses Verfahrens für andere Quellengebiete zu überlegen und eventuell später in das Wassermanagementsystem zu integrieren.