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30.05.2014
Überflutungsrisiko im Einzugsgebiet eines Urbangewässers
30.05.2014

Mit HYDRO_AS-2D belastbare Hochwassergefahrenflächen berechnen

HYDRO_AS-2D hat sich zur Berechnung von Überflutungsflächen als vielseitiges und verlässlich anwendbares Simulations-Werkzeug erwiesen. Hydrodynamisch rechnende 2D-Modelle eignen sich besonders für flache Gebiete mit großen Überflutungsbereichen (z. B. Rheinebene) und für Gebiete mit einem hohen Vorlandabflussanteil, der hydraulisch unabhängig vom Flussschlauch ist.
Hydrotec hat ergänzend dazu Werkzeuge entwickelt sowie Verfahren zur Modellerstellung und insbesondere zur Prüfung der Modellgüte sowie der Modellergebnisse optimiert.
Berechnungsnetz

Gemeinsame Darstellung von Berechnungsnetz und Vermessungsprofilen in HYDRO_AS-2D bzw. SMS

Arbeitsschwerpunkte – Prüfung und Plausibilisierung

In den Anfängen des Einsatzes von HYDRO_AS-2D beanspruchte die Modellerstellung einen großen Anteil der Projektarbeit. Die Erzeugung der Ergebnisse erfolgte verhältnismäßig schnell. Das automatisierte Pre- und Postprocessing hat diese Situation deutlich verändert. Spezielle Software-Werkzeuge ermöglichen heute, die Berechnungsnetze für den Flussschlauch und das Vorland in kurzer Zeit zu erstellen.

Das sehr robust rechnende Modell schließt einen Simulationslauf auch dann ab, wenn die numerischen Anforderungen an die räumliche Diskretisierung im Berechnungsnetz nicht optimal erfüllt sind. Die Qualität der Modellergebnisse ist in diesen Fällen fraglich.

Der Schwerpunkt der Projektbearbeitung liegt deshalb aktuell in der Prüfung sowie der Plausibilisierung der erstellten Modelle und ihrer Netzgeometrien und der Modellergebnisse, mit dem Ziel belastbare Überflutungsflächen und daraus abgeleitete Hochwassergefahrenkarten zu erzeugen.

Vom DGM zum Berechnungsnetz

Die Abbildung des Berechnungsnetztes für das Vorland beruht auf einem Digitalen Geländemodell (DGM). Bei dessen Ausdünnung ist darauf zu achten, dass hydraulisch relevante Informationen erhalten bleiben und die Triangulation der verbleibenden Punkte ein qualitätitiv hohes Berechnungsnetz ergibt.

Es hat sich bewährt, zunächst 3D-Bruchkanten aus dem DGM abzuleiten und diese anschließend zu prüfen, aufzubereiten und bei Bedarf zu ergänzen. Im gleichen Schritt sind die signifikanten Grabenstrukturen im DGM durch repräsentative Profile in die Modellierung aufzunehmen sowie abflusswirksame Strukturen wie Gebäude zu integrieren. Das Landnutzungsthema kann, wenn die Modellgröße das erlaubt, ebenfalls in die räumliche Diskretisierung übernommen werden.

Die Überprüfung des Vorlandnetzes sollte auf Grundlage erster Probe-Rechenläufe erfolgen. Die Verschneidung ihrer Ergebnisse mit dem DGM liefert Aussagen zur Qualität des Netzes:

  • Bildet das Modell alle hydraulisch relevanten Strukturen wie Deiche, aber auch Straßen und Radwege ab?
  • Sind alle Flächen im Vorland an das Hauptgewässer angeschlossen?
  • Entsprechen die berechneten Fließwege denen des DGM?
  • Enthält das Modell alle Straßendurchlässe?

Überprüfung des Flussschlauchs mit JabPlot

Mit JabPlot lassen sich Vermessungsprofil- und Berechnungsnetzdaten gegenüberstellen.

Mit JabPlot lassen
sich Vermessungsprofil- und Berechnungsnetzdaten gegenüberstellen.

Die von uns entwickelte Erweiterung JabPlot bietet Funktionen, mit denen die genaue Abbildung des Flussschlauchs kontrollierbar ist. Zunächst vergleicht man die Vermessungsprofile mit der lagegenauen Geometrie im 2D-Modell.

Im zweiten Schritt ist der interpolierte Bereich zwischen den Profilen – der Talweg – zu untersuchen, um künstliche Anhebungen der Sohle auszuschließen, die bei gleichzeitiger Interpolation für den rechten und linken Abschnitt entstehen können. Neben der 3D-Ansicht in der Programmoberfläche nutzen wir dazu die Längsschnittdarstellungen in JabPlot.

Als Drittes ist die korrekte Abbildung von Bauwerken, ihren Abmessungen und den Wandrauheiten zu kontrollieren.

Wasserdichte Modellergebnisse

Die Ergebnisse eines Rechenlaufs sind stets auf die folgenden Aspekte hin zu analysieren:

  • Längsschnitte der Wasserspiegellagen (inkl. Ansicht Talweg und Bauwerke) auf der Gewässerachse,
  • Instabilitäten bzw. unrealistische Werte von Tiefen, Geschwindigkeiten, Abflüssen,
  • Abflusskapazität der 1D-Durchlässe,
  • Wasserspiegel an den Bauwerken (insbesondere bei Wehren).
Darstellung verschiedener Hochwasserabflüsse als Längsschnitt in JabPlot.

Darstellung verschiedener Hochwasserabflüsse als Längsschnitt in JabPlot.

Verschneidung deckt Fehler auf

Auch die so überprüften Berechnungsergebnisse können weitere Unplausibilitäten enthalten, deshalb ist vor der Darstellung der Ergebnisse ein weiterer Prüfschritt anzuordnen. Die Hochwassersituation an dem Urbangewässer wurde mit verschiedenen Modellen eingehend untersucht.

Die räumliche Diskretisierung des Modells führt oft zu einem inhomogenen Verlauf der Überflutungsgrenze. Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, die Modellergebnisse mit dem DGM zu verschneiden. Dies ermöglicht eine abschließende Kontrolle der Berechnungsergebnisse und eine belastbare Angabe der Überflutungsflächen.

Dr.-Ing. Alpaslan Yörük, Dr.-Ing. Hartmut Sacher

Siehe auch: HYDRO_AS-2D: Verstärkte Zusammenarbeit zwischen Dr. Nujic und Hydrotec ist vereinbart.

Veröffentlicht am 30.05.2014