LASER_AS-2D 3.0 verfügbar
09.06.2022
Hydrothemen Nr 42
Hydrothemen Nr. 42 für Sie!
10.06.2022

Hydronumerische Modelle für das
Wasserstraßenmanagement Donau Österreich

Im Auftrag der viadonau hat Hydrotec die Softwaremodule LASER_AS-2D und Flussschlauchgenerator maßgeblich weiterentwickelt.

Das Berechnungsnetz für die Modellierung mit HYDRO_AS-2D lässt sich dadurch weitgehend automatisiert erstellen. Gleichzeitig sorgen neu integrierte Funktionen für eine exaktere Abbildung von Buhnen, Leitwerken und der Flusssohle und tragen zu einer qualitätsvolleren Simulation bei.

viadonau nahm aktiv an der Programmentwicklung teil und verfolgte das Ziel, die hydrodynamischen 2D-Modelle für ihre Aufgabenbereiche effizienter einsetzen und vielfältiger nutzen zu können.

Donau nahe Hainburg © viadonau/Johannes Zinner
Donau bei niedrigem Pegelstand nahe Hainburg © viadonau/Johannes Zinner

Etwa 350 km der internationalen Wasserstraße Donau liegen in Österreich. Die Instandhaltung der Wasserstraße und die Bereitstellung von  Fahrwasserinformationen für die Schifffahrtstreibenden ist eine Kernaufgabe von viadonau, wobei der Fokus auf den beiden freien Fließstrecken liegt.

Voraussetzung zur Erfüllung dieser Aufgaben ist die Kenntnis über die zeitlichen Veränderungen der Gewässersohle, wofür bei viadonau ein standardisiertes Monitoring der Fahrwassertiefen durchgeführt wird.

Grenzen der 1D-Modellierung

Die für die Schiffahrt bedeutenden Kennzeichnenden Wasserstände der Donau (KWD) wurden bisher auf Basis von eindimensionalen numerischen Modellen berechnet. Numerische 1D-Modelle liefern in Stauhaltungen und stark regulierten Gewässerabschnitten ohne Ausuferungen gute Ergebnisse, können aber komplexe und für die Schifffahrt relevante wasserbauliche Strukturen wie Buhnen, Leitwerke sowie ökologische Maßnahmen (Nebenarmsysteme, Kiesinseln) nur bedingt bzw. stark vereinfacht abbilden.

Diese wasserbaulichen Strukturen finden sich vor allem in den beiden freien Fließstrecken in der Wachau und östlich von Wien, die für die Schifffahrt besonders sensible Abschnitte darstellen.

Überarbeitung der KWD mit 2D-Modell

Für die Überarbeitung der Kennzeichnenden Wasserstände hat man sich bei viadonau daher entschieden, die komplette Strecke der österreichischen Donau mittels hydrodynamisch numerischer zweidimensionaler Modellierung abzubilden. Bei viadonau wird dazu seit vielen Jahren die Software HYDRO_AS-2D eingesetzt.

Entsprechend der für die Schifffahrt maßgeblichen Abflüsse legt viadonau bei der Erstellung der Modellnetze (räumliches Projektgebiet) den Schwerpunkt
auf den Bereich zwischen Niederwasser und höchstem schiffbarem Abfluss (etwa HQ1).

Als Grundlagen für die Erstellung der Modellgeometrien werden folgende Daten verwendet:

  • Gewässersohle bis zum Ufer: Diese wird mittels Multibeam-Echolot aufgenommen, wobei nach Möglichkeit bei höheren Wasserständen gemessen wird, um auch Uferbereiche und Wasserbauwerke gut erfassen zu können.
  • Uferbereiche/ufernahes Vorland, Nebenarmsysteme und wasserbauliche Strukturen (Buhnen, Längsbauwerke): Diese werden aus einer Kombination von Multibeam-Echolot (bei höheren Wasserständen) und Airborne-Laserscanning bei Niederwasserverhältnissen gewonnen.
  • Das Vorland basiert auf Airborne-Laserscanning.
  • Falls erforderlich, werden auch bestehende Berechnungsnetze im HYDRO_AS-2D Format berücksichtigt.

Alle diese Datentypen basieren vornehmlich auf Rasterdatensätzen (bzw. können in solche umgewandelt werden) und bilden die Grundlage für die Erstellung der Berechnungsnetze.

Schritte zur Netzerstellung
Fluss und Gelände im Modellnetz – der im Foto dargestellte Bereich im Luftbild (1), als Geländeraster (2), als Modellnetz (3) und eine Buhne im Detail (4)

Netzerstellung – automatisiert und exakt abbildend

Um den Aufwand der Netzerstellung zu verringern, hat viadonau Hydrotec mit der Entwicklung von Softwaretools beauftragt. Als primäre Ziele galten dabei:

  • Ein möglichst hoher Automatisierungsgrad bei Verwendung von Rasterdatensätzen
  • Die möglichst exakte Abbildung von schifffahrtsrelevanten wasserbaulichen Strukturen (Buhnen, Leitwerke) mittels innovativer und neuartiger Verfahren der Modellnetzerstellung

Bereits bei der grundsätzlichen Konzeption der Softwaremodule wurde darauf Wert gelegt, dass diese universell eingesetzt werden können. Sie stellen somit einen Mehrwert nicht nur für die Modellerstellung an großen Fließgewässern wie der Donau dar, sondern erleichtern die Arbeit auch an kleinen Flüssen.

Integration neuer Funktionen in bestehende HYDRO_AS-2D-Tools

LASER_ASDer Fokus der Programmentwicklungen seitens Hydrotec lag darauf, die Verbesserungen in das bestehende Softwaresystem einzubinden, damit diese von allen Benutzer*innen der Softwarefamilie HYDRO_AS-2D verwendet werden können.

viadonau hat während dieser Entwicklungsphase ihre Erfahrungen als Anwenderin einbringen können und die Software somit aktiv mitgestaltet und anhand realer Beispiele und Anwendungen aus der Praxis getestet. Durch diese Vorgehensweise wurde zudem die Bedienung der Softwaremodule benutzungsfreundlich gestaltet. Beispielsweise werden nun eventuell auftretende Fehlermeldungen räumlich verortet.

HydroAS-FlussschlauchgeneratorDurch diese neuartigen Ansätze können nun auf effiziente Weise Datengrundlagen im Rasterformat wie Gewässersohle und Vorlanddaten rasch zu einem aktuellen Modellnetz verarbeitet werden.

Achim Naderer, Barbara Icevski, Johannes Hubmann – via donau

Michael Bellinghausen, Benedikt Rothe – Hydrotec

Information zu vidonau und zum Monitoring der Fahrwassertiefen

Etwa 350 Kilometer der Donau liegen auf österreichischem Staatsgebiet. Dieser Abschnitt ist gekennzeichnet durch die Wasserkraftnutzung in insgesamt zehn Laufkraftwerken. Nur zwei Abschnitte sind als freifließende Strecken erhalten:

  • die Wachau (Strom-km 2038 bis ca. Strom-km 2009) und
  • östlich von Wien (Strom-km 1920 bis ca. Strom-km 1880) bis zur österreichisch-slowakischen Staatsgrenze.

Die via donau Österreichische-Wasserstraßen GmbH ist zuständig für die Instandhaltung der Wasserstraße sowie die Bereitstellung von Fahrrinneninformationen an die Schifffahrtstreibenden und setzt sich aktiv für nachhaltigen Umweltschutz an der Donau ein.

Monitoring der Fahrwassertiefen

Für die Ermittlung der Fahrwassertiefen wird eine Bezugswasserspiegellage herangezogen, die als Regulierungsniederwasser (RNW) bezeichnet wird und Teil der sogenannten Kennzeichnenden Wasserstände der Donau (KWD) ist. Bei RNW ist seitens des Wasserstraßenerhalters eine Fahrwassertiefe von 2,5 m Tiefe zu gewährleisten.

Um dies verifizieren zu können, wird die Gewässersohle der Donau regelmäßig mittels hochmoderner Echolotsysteme (Fächerecholot = Multi Beam)  aufgenommen. Die Daten werden basierend auf der einheitlichen Bezugshöhe des RNW als relative Tiefendaten ausgewertet und den Schifffahrtstreibenden öffentlich zur Verfügung gestellt.

Dieses regelmäßige Monitoring der für die Schifffahrt relevanten Veränderungen der Flusssohle – vornehmlich Bereiche mit Seichtstellen (Furtbereiche) in den beiden freien Fließstrecken – bildet die Grundlage für ein effizientes Wasserstraßenmanagement und, falls notwendig, für die Planung von Baggerungen und wasserbaulichen Maßnahmen.

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Veröffentlicht am 09.06.2022