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Informations- und Modellierungssysteme für das Management von großräumigen Hochwassersituationen

Das Kompetenzzentrum CEDIM wurde vom GeoForschungsZentrum Potsdam und der Universität Karlsruhe eingerichtet, um die durch Katastrophen hervorgerufenen Risiken grundlegend zu erfassen, früher zu erkennen und deren Schäden signifikant zu reduzieren. Die Helmholtz-Nachwuchswissenschaftlergruppe entwickelt Informations- und Modellierungstools zur Quantifizierung und Darstellung des Hochwasserrisikos im Einzugsgebiet der Elbe. Dabei soll die komplette Wirkungskette „Meteorologie – Hydrologie – Hydraulik – Geotechnik – Überflutung – Schaden“ berücksichtigt werden.

Projektbeschreibung

 

Das Konzept des Modellierungssystems ist in der Abbildung dargestellt und beinhaltet die Kopplung von fünf Modellen. Das hydrologische Modell J2000 (KRAUSE 2000) simuliert die Komponente der Abflussbildung um den Niederschlag-Abfluss-Vorgang auf Landflächen zu beschreiben. Je extremer Hochwasser werden, desto wichtiger wird die Kenntnis der zeitlichen und räumlichen Änderung der Abflussganglinie im Flussgerinne und desto genauer muss diese, vor allem im Tiefland, wiedergegeben werden. Dafür steht das 1D-Modell RIV1 (ENVIRONMENTAL LABORATORY 1995) zur Verfügung, das die volldynamische Wellengleichung löst. Ein Deichbruchmodell (APEL et al. 2004) berechnet die Wahrscheinlichkeit eines Deichbruches in Abhängigkeit des Deichtyps und Deichzustandes, des Versagensmechanismus (Über- oder Durchströmen) und der hydraulischen Belastung im Fluss (Wasserstand und Fließgeschwindigkeiten). Im Falle eines Deichbruches kommt das 2D-Überflutungsmodell (MERZ 1996), basierend auf der Lösung der Diffusionswellengleichung über Speicherzellen, zum Tragen. Damit wird der Wassertransport im Hinterland simuliert. Da das sich ausbreitende Wasser auch die Hydraulik im Fluss beeinflusst, findet eine Zweiwegekopplung zwischen dem Überflutungsmodell und dem Flussmodell statt. Ein quasi-2D Poldermodell (1D-Modell DYNYD (AMBROSE et al. 1993) mit einer 2D-Diskretisierung des Polders) simuliert die Kappung des Hochwasserscheitels im Flussgerinne. Die Typed Data Transfer (http://www.pik-potsdam.de/software/tdt) Bibliothek, entwickelt am Potsdamer Institut für Klimafolgenforschung, ermöglicht es, einfache Schnittstellen zwischen den Modellen zu schaffen. Damit können die Daten zwischen den Programmen über verschiedene Computerplattformen hinweg mit geringem Aufwand ausgetauscht werden.

Die Daten werden gesammelt, homogenisiert und regionalisiert bevor sie als Eingabe in das Modellierungssystem bereitstehen. Die statistischen Unsicherheiten der Daten und Eichparameter werden für eine Unsicherheitsanalyse geschätzt. Sie quantifiziert die Fehlerfortpflanzung, verursacht durch die Parameterunsicherheiten, die Randbedingungen und die Struktur des Modellierungssystems.

Ein weiteres wichtiges Ergebnis des Modellierungssystems ist die Ausgabe von simulierten Klimaänderungsszenarien. Hierbei werden Trends der meteorologischen Eingangsgrößen, berechnet über den Zeitraum von 2006 bis 2055, für die Simulation verwendet. Damit lassen sich Extremwertstatistiken der letzten und zukünftigen 50 Jahre miteinander vergleichen, um Veränderungen des Hochwasserverhaltens des Flusssystems vorherzusagen. Darüber hinaus ist die Risikobewertung und –kartierung eine weitere wichtige Ausgabe des Systems. Sie dient der Konzepterstellung und Bewertung von Managementvorschlägen für einen verbesserten Hochwasserschutz.

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Publikationen


Herrmann, U., A.H. Thieken, U. Suhr, K.-E. Lindenschmidt   Hochwasserrisikoanalysen an der Elbe - Methodenvergleich und Datenauflösung.   Österreichische Wasser- und Abfallwirtschaft 59(11-12): 151-162. (2007)    

Petrow, Th., B. Merz, K.-E. Lindenschmidt, A.H. Thieken   Aspects of seasonality and flood generating circulation patterns in a mountainous catchment in south-eastern Germany.   HESS 11: 1455-1468. (2007)    

Pech, I., U. Herrmann, H. Apel, A.H. Thieken, K.-E. Lindenschmidt   Unsicherheiten in der Hochwasserrisikoabschätzung   GAIA - Ökologische Perspektiven für Wissenschaft und Gesellschaft 16(2): 150-152. (2007)    

Huang, S., Rauberg, J., Apel, H. & Lindenschmidt, K.-E. (2007)   The effectiveness of flood discharge capping by proposed polder system constructs along the middle reaches of the Elbe River in Germany   Hydrology and Earth System Sciences Discussions 4: 211-241.   » Link

Fleischbein, K., Lindenschmidt, K.-E. & Merz, B. (2006)   Modelling the runoff response in the Mulde catchment (Germany)   Advances in Geosciences 9: 79-84   » Link

Lindenschmidt, K.-E., Herrmann, U., Pech, I. Suhr, U., Apel, H. & Thieken, A.H. (2006)   Risk assessment and mapping of extreme floods in non-dyked communities along the rivers Elbe and Mulde   Advances in Geosciences 9: 1-9   » Link

Lindenschmidt, K.-E., Fleischbein, K., Petrow, T., Vorogushyn, S., Theobald, S. & Merz, B. (2005)   Model system development and uncertainty for the provisionary management of extreme floods in large river basins   Advances in Geosciences 5: 99-104   » Link