Büro für Angewandte HydrologieBüro für Angewandte Hydrologie

 

 

Bemessungsgrundlagen Hochwasserschutzkonzepte

 

Aufbau von NA-Modellen zur Ermittlung von Bemessungsgrundlagen für Hochwasserschutzkonzeptionen

  • Auftraggeber: StUFA Bautzen, LTV Sachsen
  • Bearbeiter: BAH-Berlin
Projekt_150x100

 

Verwendete Methodik

Zur Ermittlung der Hochwasserkennwerte sind prinzipiell zwei unterschiedliche Verfahren anwendbar - zum einen deren Ableitung aus langen Abflussreihen unter Nutzung extremwertstatistischer Verfahren, zum anderen die direkte Simulation unter Nutzung von Bemessungsniederschlägen.

Das zweite Verfahren beruht auf einer Einzelereignisbetrachtung und besitzt deshalb den Nachteil einer unzureichenden Berücksichtigung der meteorologischen Vorgeschichte. Unzulässiger Weise wird für das ausgelöste Hochwasser die gleiche Wahrscheinlichkeit wie für den auslösenden Niederschlag angenommen.

Im ersten Verfahren werden lange beobachtete oder simulierte Abflussreihen bezüglich ihrer Scheitelstatistik ausgewertet, womit das Wechselspiel unterschiedlichster meteorologischer Bedingungen, auch im Vorfeld der Ereignisse, a priori berücksichtigt wird. Die Anwendung dieses Verfahrens setzt aber voraus, dass die zeitliche Auflösung der auszuwertenden Abflussreihen die Abflussscheitel widergibt und damit eine Scheitelstatistik ermöglicht. Dies ist insbesondere in kleinen und damit schnell reagierenden Quellgebieten bei Verwendung von Tageswerten nicht möglich, da die maßgeblichen Konzentrationsprozesse nicht abgebildet werden. Hierfür sind Modellrechnungen auf der Basis von zeitlich sehr hoch aufgelösten Niederschlägen (5 Minuten bis max. 1 Stunde) erforderlich.

Wenn keine hochaufgelösten Niederschlagszeitreihen zur Verfügung stehen, muss die Ermittlung der Hochwasserkennwerte auf der Grundlage von Starkniederschlaggutachten des DWD und damit auf der Basis von Einzelereignissimulationen erfolgen.

Die Simulationsrechnungen werden für die Wiederkehrintervalle 2, 5, 10, 25, 50, 100, 200 und 500 Jahre und alle 18 Dauerstufen von 5 Minuten bis 72 Stunden, also insgesamt für 144 Ereignisse durchgeführt.

Für die zeitliche Diskretisierung der Niederschläge werden 5- oder 15-Minutenintervalle gebildet, um der hohen Abflussdynamik der Quellgebiete Rechnung zu tragen.

Die zeitliche Verteilung der Niederschläge innerhalb eines Ereignisses erfolgte gemäß DVWK-Empfehlung (DVWK 1984), deren Aufteilungsschema in  dargestellt ist. Ausnahmen bildeten hierbei die Ereignisse der Dauerstufen 5 bis 15 Minuten, da dafür eine DVWK-entsprechende Aufteilung in 5 Minutenintervalle nicht möglich ist.

Im Zuge der Simulationsrechnungen werden von allen Ereignissen eines Wiederkehrintervalls für jeden Aussagequerschnitt die jeweils höchsten Scheitelwerte registriert, welche die gesuchten Bemessungshochwasserscheitelwerte darstellen. Die prinzipielle Verfahrensweise ist in  dargestellt.

Diese Scheitelwerte sind Momentanwerte und damit wirkliche Spitzenabflüsse, da das Modell innerhalb der Simulationsrechnungen in Abflussbildungsphasen den Berechnungszeitschritt von normalerweise 5 Minuten aus Stabilitätsgründen weiter bis in den Sekundenbereich verringert.

Wie schon diskutiert wurde, sind die über Einzelereignisbetrachtungen gewonnenen Bemessungshochwasserabflüsse mit gewissen Unsicherheiten verbunden, da die Anfangsbedingungen nur geschätzt werden können.

So kann ein 100-jähriger Niederschlag in Abhängigkeit von der Gebietsfeuchte ein ganzes Spektrum möglicher Hochwasserwellen auslösen, die sich nach Scheitel und Volumen, aber auch bzgl. ihrer Genese unterscheiden (Hortonabfluss bzw. Infiltrationsüberschuß oder Sättigungsflächenabfluss). Anders ausgedrückt kann ein 50-jähriges Hochwasser durch einen 20-jährigen Niederschlag auf feuchtes Gebiet oder einen 100-jährigen Niederschlag auf trockenes Gebiet ausgelöst werden.

Andererseits ist oft aufgrund der fehlenden Datenbasis die Anwendung des Verfahrens der Einzelereignissimulation nicht zu umgehen.

Abbildung : Zeitliche Verteilung des Niederschlages beim DVWK-Modellregen

Abbildung : Verfahrensweise bei der Einzelereignissimulation

Um die aus den fehlenden Anfangsbedingungen resultierenden Unsicherheiten abschätzen zu können, wurden in der Vergangenheit umfangreiche Modellrechnungen durchgeführt.

So zeigt  die Ergebnisse der Hochwassersimulation bei unterschiedlichen Wiederkehrintervallen für ein landwirtschaftlich genutztes Quelleinzugsgebiet bei unterschiedlichen Vorfeuchtebedingungen - hohe, mittlere und geringe Feuchte ist jeweils äquivalent einem zu 20%, 50% bzw. 80% gefüllten Bodenkapillarwasserspeicher.

Ein wichtiges Resultat dieser Untersuchungen war es, dass bei den kleineren bzw. häufigen Hochwassern die richtige Wahl der Vorfeuchte den entscheidenden Einfluss besitzt und sich signifikanter auf die Scheitelhöhe auswirkt als die Gebietseigenschaften bzw. die Wahl der Parameter. Mit wachsendem Wiederkehrintervall überprägt aber der Niederschlag den Einfluss der Vorfeuchte und auch die Gebietseigenschaften, so dass der Einfluss fehlerhafter Startbedingungen abnimmt:

Abbildung: Einfluss der Vorfeuchte beim HQ2 (oben) und HQ100(unten)

Gemäß den bisherigen Ausführungen kann die Ermittlung der HQ-Werte mittels Einzelereignisbetrachtung und Langzeitsimulation mit anschließender Extremwertstatistik erfolgen. Beide Verfahren haben Vor- und Nachteile, die im Sinne eines Fazits in der folgenden Tabelle gegenübergestellt werden.

Für das zu modellierende Untersuchungsgebiet ist insbesondere in den kleinen Teileinzugsgebieten mit einer hohen Abflussdynamik zu rechnen.

Für die Anwendung der Langzeitsimulation sind dementsprechend die in der Regel verfügbaren Tageswertreihen der Klimagrößen nur für die Aussagequerschnitte problemadäquat, für die eine Konzentrationszeit im Bereich eines Tages zu erwarten ist. Zeitlich höher aufgelöste Klimareihen mit gebietsbezogenen Werten (Stunden- bis 5-min-Werte) in der für die Extrapolation benötigten Reihenlänge (30 Jahre für das HQ100) können lt. Aussage des DWD für das Untersuchungsgebiet nicht oder nur mit großen Aufwand zur Verfügung gestellt werden.

Ergebnisse

Mit den erstellten Niederschlag-Abfluss-Modellen für den sächsischen Teil der Schwarzen Elster, für die Große Röder und das Löbauer Wasser konnte das Hochwassergeschehen bis etwa zum HQ100 adäquat abgebildet werden.

Dies wird belegt durch die gute Anpassung der Modellergebnisse an die Pegelreihen der Tagesmittelwerte wie auch bei der Abbildung einzelner historischer Hochwässer und der HQ-Statistik.

Größere Abweichungen der deterministisch ermittelten von den extremwertstatistisch ermittelten HQ-Werten treten bei den sehr seltenen Hochwässern auf. Dies ist methodisch bedingt und wurde in den Ergebnisberichten ausführlich diskutiert.

Es sei hier darauf hingewiesen, dass auch die Beobachtungswerte in vielen Fällen kritisch zu hinterfragen sind. Wäre eine darauf gerichtete Bearbeitung im Vorfeld erfolgt, wäre eine widerspruchsfreiere Anpassung des Modells an die Pegelbeobachtungen möglich gewesen.

Mit diesen Projektbearbeitungen wurden die Möglichkeiten angedeutet, die mit einer fundierten Anwendung von Niederschlags-Abfluss-Modellen in allen Abflussbereichen gegeben sind. Es wurden aber auch Grenzen aufgezeigt, die aus einer nicht ausreichenden Datenbasis resultieren (können).

 

 

Kontakt   Sitemap   Impressum   Copyright © 2008 BAH   Stand: Freitag, 12. April 2013