Hydrothemen Nr. 33 / November 2017
23.11.2017
eGovernment-System eNHWSP für das Nationale HWS-Programm
23.11.2017

Aufbau eines rekordverdächtigen hydronumerischen Modells

2D Modell der Binnenweser

Ausschnitt aus dem Berechnungsnetz für das 2D-Modell der Binnenweser, das Hydrotec für die BfG erstellt.

Im Auftrag der Bundesanstalt für Gewässerkunde (BfG) erstellen Hydrotec und Deltares ein großräumiges 2D-Modell der Binnenweser von Hann. Münden bis Bremen. Auch Bauwerkssteuerungen und das Hochwasserverhalten der Weser sind abzubilden. Erstmalig wird damit ein detailliertes Abflussmodell über eine Fließlänge von ca. 400 km aufgebaut. Um die große Datenmenge handhaben zu können, die der Modellumfang und die Anforderungen an die Modellqualität mit sich bringen, wird ein Konzept zur strukturierten Datenhaltung entwickelt. GIS-Werkzeuge und die Jabron-Querprofildatenbank unterstützen das Datenhandling und den Aufbau des Modells.

Das 2D-Modell der Binnenweser wird künftig bei der BfG für Aufgaben wie die Beschreibung des gewässerkundlichen Ist-Zustands, Szenarien sowie die Überprüfung von Abflusskurven eingesetzt. Eine Nachnutzung besteht in der Bereitstellung von Informationen über den Flusshydrologischen Fachdienst der BfG (FLYS).

 

2D Modell der Binnenweser

Das 2D-Modell der Weser bildet ca. 400 Fließkilometer ab und ist damit wahrscheinlich das bisher umfangreichste hydraulische Modell im deutschsprachigen Raum.

Modellierung der Binnenweser für die BfG

Zur Wahrnehmung ihrer Aufgaben gegenüber der Wasser- und Schifffahrtsverwaltung des Bundes (WSV) sowie für Forschungszwecke lässt die BfG erstmalig ein anwendungsreifes, hydrodynamisches 2D-Modell der Binnenweser erstellen und kalibrieren.

Das Modell reicht von Hann. Münden bis zum Wehr Bremen Hemelingen und umfasst damit die freifließende Oberweser sowie die staugeregelte Mittelweser. Die Gewässerstrecken der Werra und der Fulda sowie maßgebliche Nebengewässer werden ebenfalls ab ihrem untersten Pegel im Modell abgebildet.

Das 2D-Modell muss auf der gesamten Modellstrecke allen Ansprüchen der unterschiedlichen Anwendungsgebiete für stationäre und instationäre Abflusszustände mit den jeweils geforderten Genauigkeiten genügen. Dies beinhaltet die Beschreibung des gewässerkundlichen Ist-Zustands sowie Szenarienberechnungen.

Es sind mit dem Modell  Überschwemmungsszenarien für den großräumigen Wellenablauf in der Weser zu berechnen, sodass aktuelle Überschwemmungsgebiete für Haupt- und Extremwerte inklusive Wassertiefen und Strömungsbildern verfügbar werden. Diese werden durch Geodaten, gewässerkundliche Fachdaten und Wasserspiegellagen für stationäre Abflusszustände ergänzt und für den Flusshydrologischen Fachdienst der BfG „FLYS 3“ aufbereitet.

2D-Modell mit Rekordgröße

Die Weser ist ein stellenweise stark mäandrierender Tieflandfluss mit lokal großflächigen und teilweise stark gegliederten Vorlandbereichen. Das macht die Modellierung mit einem zweidimensionalen Berechnungsansatz erforderlich. Bei der BfG fiel die Wahl auf die Software Delft-3D-Flexible-Mesh der Firma Deltares.

Bei dem zu erstellenden Weser-Modell über 400 km Fließlänge handelt es sich wahrscheinlich um das bisher umfangreichste 2D-Modell eines Fließgewässers im deutschsprachigen Raum. Das Projektteam aus Hydrotec und Deltares überzeugte die BfG, dieser Aufgabe gewachsen zu sein und nahm im Januar 2017 die Arbeit auf. Der Projektabschluss ist für Mitte 2018 geplant.

Neue Pegelabflusskurven verifizieren

Für alle wichtigen überregional bedeutsamen Weserpegel wurden vom Wasserschifffahrtsamt Hann. Münden neue Abflusskurven eingeführt. Die extrapolierten Hochwasseräste der neuen Kurven weichen teilweise deutlich von den Vorgängerkurven ab.

Zudem lassen geodätische und hydrologische Messungen darauf schließen, dass sich die Durchflussverhältnisse in der Weser bei Hochwasser in den letzten Jahren erheblich verändert haben. Mit dem 2D-Modell der Weser sollen die aktualisierten Pegelabflusskurven überprüft und verifiziert werden.

Pilotstrecke

Zur Abstimmung und Überprüfung aller Projekt- und Modellierungsschritte mit der BfG wird von Hydrotec zunächst eine Pilotstrecke von Pegel Vlotho bis Pegel Stolzenau mit einer Fließlänge von 60 km modelliert. Die Pilotstrecke enthält grundsätzlich alle Besonderheiten, die in dem Gesamtmodell der Weser zu erwarten sind.

Für die Pilotstrecke erfolgt eine Variation der Gitterweiten, um für das Berechnungsnetz einen möglichst optimalen Kompromiss zwischen der geforderten Abbildungsgenauigkeit und der Rechenzeit zu ermitteln. Hydrotec entwickelte spezielle Werkzeuge für die Erstellung der Rechengitter für Flussschlauch und Vorland entsprechend der geforderten Qualitätskriterien.

Nach Abschluss der Pilotphase gehen die abgestimmten Gitterweiten und Konzepte zur Modellerstellung, Kalibrierung und Validierung in die Erstellung des Gesamtmodells ein.

2D-Modell der Binnenweser

Die Gitterweiten des Berechnungsnetzes sind so zu optimieren, dass es bei hoher Rechengenauigkeit eine möglichst geringe Rechenzeit benötigt.

Buhnen in das Modell integrieren

Besonders im Bereich der Oberweser beeinflussen zahlreiche Buhnen das Fließverhalten und die Morphologie der Weser. Häufig sind Informationen zu Buhnen in einem Buhnenkataster erfasst. Für die Binnenweser lag eine solche Datenbasis nicht vor. Eine Herausforderung des Projekts besteht also darin, Lage und Geometrie der Buhnen zu erfassen und in das Gewässermodell zu integrieren.

Für diesen Bearbeitungsschritt kamen die Querprofilverwaltung von Jabron und die dazugehörigen ArcGIS-Tools zum Einsatz.

Datenhaltung mit Baseline und Querprofildatenbank

Aufgrund des großen Modellgebietes ist auf eine strukturierte Datenhaltung besonderes Augenmerk zu legen, sodass spätere Erweiterungen und auch Anpassungen für Varianten möglich sind.

Von der BfG vorgegeben wurde das Datenprotokoll Baseline 5 (Deltares). Diese auf ArcGIS Desktop basierende Erweiterung für gewässerhydraulische Daten dient zur Verwaltung von Geobasisdaten, Zeitreihen, Messwerten, etc. Die finalen Modelldaten für Delft3D-FM werden daraus generiert.

Zur Datenaufbereitung und Datenhaltung während der Modellbearbeitung setzt Hydrotec zusätzlich die Jabron-Querprofildatenbank und ArcGIS-Werkzeuge ein, die sich bereits in vielen Projekten bewährt haben.

Michael Bellinghausen, Dr.-Ing. Ellen-Rose Trübger, Prof. Dr.-Ing. Alpaslan Yörük

Schritte zum 2D-Modell der Binnenweser

Die von der BfG gelieferten Geobasis- und Geofachdaten sind zu plausibilisieren und in einen strukturierten Datensatz zur Ableitung von FLYS-Geodaten und Delft3D-Modelldaten zu überführen.

Daraus ist in den folgenden Arbeitsschritten mit Delft3D-FM ein 2D-numerisches Modell zu konzipieren und für die Pilotstrecke aufzubauen:

  • Optimierung der Gitterweiten bzgl. Rechengenauigkeit und Rechenzeit,
  • Implementierung von Bauwerken und Bauwerkssteuerungen,
  • stationäre und instationäre hydraulische Kalibrierung und Validierung des Pilotmodells.

Danach wird das Gesamtmodell der Binnenweser unter Anwendung der Modellkonzeption sowie der optimalen Gitterweiten aufgebaut und anschließend stationär und instationär hydraulisch kalibriert und validiert.

Veröffentlicht am 23.11.2017