Einzugsgebiet berechnen – für jeden Punkt mit einem Klick

Um einen Durchlass, einen Graben, ein Regenrückhaltebecken oder eine kleine Brücke zu bemessen oder eine Hydrologie-Übung zu lösen, brauchen Sie zuerst das Einzugsgebiet: alle Flächen, deren Niederschlag zu Ihrem Punkt abfließt. Ein GIS kann es abgrenzen, aber dafür müssen Sie ein Höhenmodell finden, seine Senken füllen, Fließrichtungen und Abflussakkumulation berechnen und einen Auslasspunkt setzen – beim ersten Mal ein ganzer Nachmittag. Dieses Werkzeug erledigt dieselben Schritte im Browser. Klicken Sie auf das Gewässer an der Stelle, für die Sie das Einzugsgebiet ermitteln wollen, und die Höhen rund um den Punkt werden aus Terrain Tiles gelesen, einem freien weltweiten Höhendatensatz aus nationalen Laserscan-Modellen, EU-DEM, SRTM und anderen Quellen. Senken in den Daten werden gefüllt, damit das Wasser immer weiterfließen kann, jede Zelle erhält die Richtung zu ihrem steilsten tiefer gelegenen Nachbarn (das D8-Verfahren von ArcGIS, QGIS und GRASS), und die Zellen oberhalb Ihres Punktes bilden das Einzugsgebiet. Die Grenze wird mit dem längsten Fließweg und dem Gewässernetz auf der Karte gezeichnet, und das Panel nennt die Kennzahlen, die Bemessungsverfahren und Übungsaufgaben verlangen. Laden Sie das Einzugsgebiet als GeoJSON, KML oder Shapefile für QGIS, ArcGIS oder CAD herunter, oder kopieren Sie einen Link, der dasselbe Ergebnis wieder öffnet.

So funktioniert es

1. Suchen Sie einen Ort oder eine Postleitzahl, oder verschieben Sie die Karte, und zoomen Sie hinein, bis Sie den Bach oder die Straßenquerung sehen.
2. Klicken Sie genau auf den Bach, die Brücke, den Durchlass oder den Seeabfluss; der Punkt wird auf die nächste Gewässerzelle im Umkreis von 60 m verschoben.
3. Warten Sie einige Sekunden, während die Höhendaten gelesen werden; das Fenster wächst von 4 × 4 km auf höchstens 20 × 20 km, bis das ganze Einzugsgebiet hineinpasst.
4. Lesen Sie im Panel Einzugsgebietsgröße, Umfang, längsten Fließweg, Höhen, mittleres Gefälle und Formkennzahlen ab.
5. Wählen Sie, wie dicht das Gewässernetz sein soll, und laden Sie GeoJSON, KML oder das Shapefile herunter, oder kopieren Sie den Link.

Wie genau ist das?

Woher die Höhen kommen

Terrain Tiles nehmen für jeden Ort das beste offene Höhenmodell: das 10-m-Geländemodell in Österreich und Norwegen, das 2-m-Laserscan-Modell der Environment Agency in England, USGS 3DEP mit etwa 10 m in den USA, EU-DEM mit 25 m in Deutschland, der Schweiz und dem größten Teil Europas und SRTM mit etwa 30 m in weiten Teilen der Welt. Das Werkzeug liest sie auf einem quadratischen Raster in der UTM-Zone des Auslasses mit höchstens 500 Zellen je Seite: 8-m-Zellen im ersten Fenster von 4 × 4 km, 40 m im größten Fenster von 20 × 20 km, nie feiner als ein Pixel der Kacheln. Ein Einzugsgebiet ist nur so gut wie die Rücken zwischen den Tälern in diesen Daten; im Hügelland und im Gebirge sind die Rücken deutlich, und die Grenze folgt der wahren Wasserscheide meist auf ein bis zwei Zellen genau.

Wie das Wasser geleitet wird

Zuerst wird jede Senke im Raster mit dem Priority-Flood-Algorithmus von Barnes, Lehman und Mulla (2014) gefüllt, vom Rand des Fensters nach innen, und ebene Flächen erhalten ein winziges Gefälle, damit sie entwässern. Dann fließt jede Zelle zu dem ihrer acht Nachbarn mit dem stärksten Gefälle (D8), und die Zellen, deren Weg durch den Auslass führt, bilden das Einzugsgebiet. Das ist das Standardverfahren in ArcGIS (Fill, Flow Direction, Watershed), QGIS und GRASS r.watershed. D8 schickt das ganze Wasser in eine Richtung, daher kann die Wasserscheide auf glatten, konvexen Hängen um eine Zelle schwanken. Fläche und Umfang werden geodätisch auf dem WGS84-Ellipsoid aus der Grenze gemessen, deren Treppenstufen aus Zellkanten um höchstens drei Viertel einer Zelle geglättet werden, damit der Umfang nicht überschätzt wird.

Flachland, Städte und Dränagen

Wo das Land flach ist, etwa in Norddeutschland, Dänemark, den Niederlanden, in Mooren und Flussauen, entscheiden Höhenunterschiede von wenigen Dezimetern, wohin das Wasser fließt, und ein 10–30-m-Modell sieht sie nicht. Gräben, Dränrohre, Kanalisation, Durchlässe unter Straßen und Schöpfwerke leiten Wasser zudem über Wasserscheiden, die das Gelände nicht zeigt. Dort kann die Grenze stark falsch sein; nutzen Sie dann ein 1–2-m-Laserscan-Modell (das DGM1 Ihres Bundeslandes, Dänemarks DHM von Dataforsyningen, Frankreichs RGE ALTI, Spaniens MDT des CNIG) oder die amtlichen Einzugsgebietskarten Ihrer Wasserbehörde, und für jede Genehmigung oder Bemessung das Einzugsgebiet der Behörde.

Große Einzugsgebiete

Das Fenster wächst von 4 × 4 km auf 8, 14 und schließlich 20 × 20 km und verschiebt sich dabei in Richtung des bisher gefundenen Einzugsgebiets. Reicht das Einzugsgebiet auch dann noch an den Rand des größten Fensters, sagt das Werkzeug es und zeigt nur den gefundenen Teil: Fläche, Fließlänge und Kennzahlen sind dann zu klein. Für einen großen Fluss nutzen Sie eine amtliche Einzugsgebietskarte oder einen globalen Datensatz wie HydroSHEDS.

Gut zu wissen

Neben den Bach geklickt

Ein Klick auf einen Hang neben dem Bach ergibt das kleine Einzugsgebiet dieses Hangs. Das Werkzeug verschiebt den Punkt auf die nächste Zelle im Umkreis von 60 m, die viel Wasser sammelt, und sagt Ihnen, wie weit; ist das Ergebnis winzig, klicken Sie auf den Bach selbst oder etwas weiter bachabwärts.

Seen und Talsperren

Wasserflächen sind in den Daten flach. Das Werkzeug lässt einen See dort abfließen, wo sein Ufer am tiefsten liegt, was meist sein echter Abfluss ist, aber ein Damm oder Wehr, das nicht im Höhenmodell steckt, kann das Wasser anders leiten. Klicken Sie unterhalb des Seeabflusses, um alles einzuschließen, was in den See fließt.

Das Gewässernetz ist ein Modell

Die blauen Linien sind Zellen, die mehr als die gewählte Fläche oberhalb sammeln, keine kartierten Gewässer. Wo sie von den echten Bächen der Grundkarte abweichen, sind die Höhendaten dort zu grob – ein Warnzeichen auch für die Grenze.