Hydrothemen Nr. 24 / Mai 2013
20.05.2013
Bilanzmodell für Stofftransport in Gewässern
26.05.2013

Extrembereich mit HYDRO_AS-2D abgesichert

Überprüfung der Pegelschlüsselkurven im Extrembereich für Bayern

Die Hochwasser in Süddeutschland vom Sommer 2005 machten deutlich, dass die Pegelschlüsselkurven im Extrembereich nur unzureichend durch Messwerte belegt waren. Deshalb überprüft das Bayerische Landesamt für Umwelt (LfU) landesweit Pegelschlüsselkurven durch hydraulische 2D-Modellierung.

Eine Simulation der Gewässerabschnitte im Pegelbereich ermöglicht es, Hochwasserabflüsse und die damit verbundenen Wasserstände zuverlässig zu berechnen. So lässt sich eine WQ-Beziehung ermitteln, die auch in den Extrembereichen belastbare Werte liefert. Hydrotec nahm seit 2005 mehrmals erfolgreich an den Ausschreibungen des LfU teil. Insgesamt erhielten wir den Auftrag zur hydraulischen Überprüfung von 55 Pegeln mit dem 2D-Modell HYDRO_AS-2D.

Pegeldaten und Abflusskurve sind maßgebend

Wasserstandsdaten und die daraus abgeleiteten Abflüsse spielen eine elementare Rolle bei der Bewirtschaftung von Fließgewässern. Sie sind die maßgebliche Größe für die Bemessung von Bauwerken, die Festlegung von Überschwemmungsgebieten sowie für die Hochwasservorhersage. Messwerte liegen meist nur für niedrige Wasserstände, d. h. kleine Abflusswerte vor. Relevant für die genannten Aufgaben sind aber hohe Abflüsse, für die Messungen oft keine belastbaren Daten mehr liefern.

2D-Simulation ergänzt Pegelwerte

Die Simulation von Hochwasserabflüssen im Bereich von Messpegeln kann diese Informationslücke schließen. Ein 2D-Modell erfasst detailliert die topografischen Bedingungen des Gewässers und seiner Vorländer. Es ist in der Lage, die Fließvorgänge und den sich einstellenden Wasserstand genau zu berechnen.

Qualitätskriterien für 2D-Netze

Als Grundlage für die Berechnungsnetze für den Flussschlauch dienen terrestrische Vermessungsdaten. Zur Modellierung der Vorländer werden Laserscan-Daten ausgewertet. An einigen Pegeln wurden bereits aufgestellte 2D-Modelle für die Untersuchung genutzt. Diese Berechnungsnetze waren zu überprüfen, zu aktualisieren oder zu optimieren. Dadurch wurde sichergestellt, dass die verwendeten Netze für alle untersuchten Pegel den hohen Qualitätsanforderungen genügen.

Als Hauptkriterien gelten:

  • Die vermessenen Querprofile stimmen mit der Flussschlauch-Geometrie des 2D-Netzes überein.
  • Die ausgedünnten Laserscan- Daten modellieren die Topografie der Vorländer sehr genau.
  • Der Fließwiderstand ist durch korrekte Rauheitwerte abgebildet.
  • Numerische Gütebedingungen des Berechnungsnetzes bzgl. der Winkel und Anschlusselemente werden eingehalten.

Ausuferungen und Umläufigkeiten

Berücksichtigung der Pegelumströmung bei Pegelschlüsselkurven im Extrembereich

Die 2D-Simulation des Pegelbereichs macht deutlich, ob und wie Ausuferungen oder Umströmungen die Pegelmessung beeinflussen.

Die simulierten Abflussganglinien werden anhand von abgesicherten Abflussmessungen kalibriert und der aktuell gültigen Abflusskurve gegenübergestellt. Ergänzend klärt eine Sensitivitätsanalyse, ob und in welchem Maße die Rauheiten von Gewässersohle und Vorland die Schlüsselkurve beeinflussen. Bei hohen Abflüssen kann das Gewässer ausufern oder den Pegel umströmen. Hier war zu differenzieren, inwieweit Abfluss und Pegelstand kontinuierlich interagieren oder ob es zu einer Entkopplung von Wasserstands- und Abflussanstieg kommt.

Gesicherte Werte für Pegelschlüsselkurven im Hochwasserbereich

Die Ergebnisse wurden in Form von Diagrammen und Karten für jeden Pegel aufbereitet. Die bayerischen Wasserwirtschaftsämter können auf dieser Basis die Abflusskurven insbesondere für den Hochwasserbereich durch gesicherte Werte ergänzen.

Weitere Informationen: Internetseite des LfU zur Überprüfung von Abflusskurven an Pegeln im Extrembereich

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

Veröffentlicht am 24.05.2013