Begriffe und Modelle der Überflutungsanalyse - Originalarbeit
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Originalarbeit
Österr Wasser- und Abfallw 2021 · 73:76–84
https://doi.org/10.1007/s00506-021-00748-2
Begriffe und Modelle der Überflutungsanalyse
Roman Maier · Stefan Reinstaller · Dirk Muschalla
Angenommen: 22. Februar 2021 / Online publiziert: 15. März 2021
© Der/die Autor(en) 2021
Zusammenfassung Niederschlagsin- Flooding analysis—terms and tionsmaßnahmen abgeleitet werden,
duzierte Überflutungen auf einer loka- models um mit der steigenden Problematik
len Skala erfahren in den letzten Jahren von Überflutungen umzugehen.
eine vermehrte Aufmerksamkeit. Vor Abstract Stormwater induced flooding Einzelne Überflutungsereignisse ent-
allem im urbanen Raum ist in den letz- on a local scale has received increased stehen durch unterschiedliche Ursa-
ten Jahren eine Vielzahl von Ereignissen attention in recent years. Especially in chen, woraus in Folge unterschiedliche
mit erheblichen Schadenssummen auf- urban areas, a large number of events Arten beziehungsweise Kategorien von
getreten. In der Fachdiskussion wird with considerable amounts of damage Überflutungen resultieren. Die Diffe-
durch Klimawandel und Urbanisierung have been reported in the last few years. renzierung dieser Überflutungskate-
eine weitere Zunahme bezüglich Häu- In the expert discussion, a further in- gorien erscheint auf den ersten Blick
figkeit und Ausmaß dieser Ereignisse crease in the frequency and magnitude zwar trivial, dennoch existiert weltweit
prognostiziert. Im deutschsprachigen of these events is predicted due to wie auch im deutschsprachigen Raum
Raum werden unterschiedliche Begrif- climate change and urbanization. In kein einheitliches Verständnis oder ei-
fe, teilweise in Abhängigkeit von den the German-speaking world, different ne abgestimmte Definition bezüglich
beteiligten Prozessen, benutzt. Neben terms are used, partly depending on der verschiedenen Überflutungsarten.
der kurzen Darstellung der geläufigs- the processes involved. In addition to Der in Österreich gegenwärtig häufig
ten Fachbegriffe wird eine mögliche a brief description of the most common benutzte der Begriff des Hangwassers
Klassifizierung vorgeschlagen. Für eine technical terms, a possible classifica- wird teilweise mit dem internationa-
Überflutungsanalyse steht mittlerweile tion is proposed. In the meantime, len Begriff der pluvialen Überflutung
eine Vielzahl an ausgereiften Werkzeu- a large number of sophisticated tools gleichgesetzt wird (RMP 2015), aber
gen zur Verfügung. Eine hierarchische are available for a flood analysis. A hi- auch als (pluviale) Sturzflut oder als
Darstellung der Modellansätze erlaubt erarchical presentation of the model Oberflächenabfluss bezeichnet, in der
eine der jeweiligen Aufgabe und dem approaches allows a selection of the hydrologischen Literatur ist dieser als
jeweiligen Untersuchungsgebiet ange- model approaches and possible combi- der laterale Zwischenabfluss in der
passte Auswahl der Modellansätze und nation of them adapted to the specific oberen Bodenzone definiert (Chifflard
eventuelle Kombination dieser. Da- task and the respective study area. GIS- et al. 2008). Zahnt et al. (2018) wiede-
bei wird auf GIS-basierte Methoden based methods for determining surface rum differenzieren zwischen fluvialen
zur Bestimmung der Fließwege an der flow paths, cellular automata for deter- und pluvialen Hochwässern, wobei das
Oberfläche, Zelluläre Automaten zur mining floodplains, 1D hydrodynamic pluviale Hochwasser nochmals detail-
Bestimmung von Überflutungsflächen, sewer models, 2D hydrodynamic sur- lierter in Oberflächenwasser, Überlas-
1D-hydrodynamische Kanalnetzmodel- face runoff models, and coupled 1D-2D tung des Entwässerungssystems und
le, 2D-hydrodynamische Oberflächen- flooding models are discussed. Grundwasser unterteilt wurde. Zekâi
abflussmodelle und gekoppelte 1D-2D- (2017) unterscheidet wiederum die Art
Überflutungsmodelle eingegangen. Keywords Pluvial flooding · Surface der Überflutung in einer ersten Grob-
water · Model concepts · Flood einteilung wie folgt: i) gewöhnliche
Schlüsselwörter Pluviale Hochwässer · classification Überflutungen (Überflutungen, welche
Hangwasser · Modellkonzepte · auf hydrologischen, meteorologischen
Überflutungsklassifizierung 1 Hintergrund und geomorphologischen Ereignissen
basieren, z. B. Fluss-Hochwasser); ii)
Überflutungen können weltweit auf- Sturzfluten. Im nationalen Kontext wird
treten und gehören zu jenen Naturge- vielfach zwischen fluvialen (Wasser aus
fahren mit dem höchsten Schadens- einem Fließgewässer) und pluvialen
potenzial. Der globale wirtschaftliche Hochwässern (Wasser, welches nicht
Schaden aufgrund von Überflutungen aus einem Fließgewässer stammt) dif-
wird in der Zeitspanne von 1980 bis ferenziert. Ebenfalls muss aufgrund
DI R. Maier, BSc · 2013 auf eine Billion Dollar geschätzt der topografischen und meteorologi-
DI S. Reinstaller, BSc · (Berndtsson et al. 2019; Winsemius schen Gegebenheiten in Österreich eine
Univ.-Prof. Dr.-Ing. D. Muschalla () et al. 2016). Überflutungsmodelle sind mögliche Schmelzwasserproblematik
Institut für Siedlungswasserwirtschaft mittlerweile ein häufig angewandtes im Überflutungskontext berücksichtigt
und Landschaftswasserbau, Werkzeug in der Praxis, um die Über- werden. Diese Einteilungen beschrän-
Technische Universität Graz, flutungsflächen aufgrund von Starknie- ken sich jedoch vorwiegend auf die
Streymayrgasse 10/I, 8010 Graz, derschlägen in einem Einzugsgebiet zu Quelle und den daraus resultierenden
Österreich bestimmen. Aus den Ergebnissen kön- Abfluss. Andere Faktoren wie die Nie-
d.muschalla@tugraz.at nen in weiterer Folge geeignete Reduk- derschlagsart fließen nur am Rande in
76 Begriffe und Modelle der Überflutungsanalyse
Originalarbeit die Diskussion mit ein, sollten aller- levanten Prozesse im Modell enthalten Überflutungen anwendbar, da in die- dings für eine exakte Kategorisierung sind. In der Praxis zeigt sich allerdings, sem der Kanalabfluss als Prozess häufig mitberücksichtigt werden. Daher ist dass häufig Modelle zur Anwendung nicht enthalten ist. eine exakte Einteilung bezüglich der kommen, welche zwar für eine Über- Es ist daher zwingend erforderlich, Überflutungskategorien mit allen re- flutungsart geeignet sind, jedoch nicht eine klare Definition zu formulieren, levanten Faktoren notwendig, um die auf alle Aufgabenstellungen im Kontext welche Modelle und Modellansätze für relevanten Prozesse für die jeweilige der Überflutungsmodellierung über- welche Aufgabenstellung und Überflu- Überflutungsart identifizieren zu kön- tragbar sind. Beispielweise ist das 2D- tungsarten geeignet sind. In diesem nen. Modell von fluvialen Überflutungen Beitrag wird eine Methodik zur Klas- Es wird deutlich, dass je nach Fach- nicht in derselben Form auf urbane sifizierung von Überflutungen vorge- gebiet oftmals dieselben Definitionen für verschiedene Überflutungsarten verwendet werden. In urbanen Ein- zugsgebieten wird die Kategorisierung zusätzlich erschwert, da ein urbanes Überflutungsereignis aufgrund einer Kombination von mehreren Überflu- tungsquellen und Kategorien auftreten kann. Eine Überflutung kann aufgrund des Erreichens der hydraulischen Ka- pazitätsgrenze der Kanalisation oder des Fließgewässers entstehen. Zusätz- lich kann die Situation aufgrund eines auftretenden Hangabflusses aus einem naheliegenden Außengebiet beeinflusst werden. Es treten häufig Kombinatio- nen aus pluvialen und fluvialen Über- flutungen in urbanen Einzugsgebieten auf (Kron et al. 2019). Diese Vielzahl an möglichen Pro- zesskombinationen beeinflusst maß- geblich die Auswahl der Prozesse, die in einem Simulationsmodell zur Ana- lyse von urbanen Überflutungen und Hangwasser berücksichtig werden müs- sen und hat daher auch zwangsläufig Einfluss auf die Modellstruktur des Überflutungsmodells. Neben der räum- lichen Struktur des Einzugsgebiets wird die Auswahl der Prozesse zusätzlich durch den betrachteten Niederschlags- typ beeinflusst. Eventuell können ein- zelne Teilprozesse vernachlässigt wer- den. Beispielweise sind der laterale Zwischenabfluss und die Verdunstung bei einer Sturzflut aufgrund der kurzen Dauerstufen des Ereignisses zu ver- nachlässigen (Mosley and McKerchar 1993). Bei Niederschlagsereignissen mit langer Dauerstufen ist eine solche Ver- nachlässigung nicht zulässig. Zusam- menfassend sind also die räumliche Struktur des Einzugsgebietes sowie der für die Aufgabenstellung relevante Nie- derschlagstyp die entscheidende Rand- bedingung für die Klassifizierung der Abb. 1 Klassifizierung von Überflutungen mit den 4 Hauptfaktoren Räumliche Struk- Überflutungen und der daraus abzulei- tur, Hauptkategorie der Überflutung, daraus resultierende mögliche Quellen in Form von tenden Modellansätze und -struktur. Abflüssen und die Zuweisung des maßgeblichen Niederschlagstyps; oben: allgemeine Obwohl die Prozesse häufig auf den- Einteilung für jede mögliche Struktur eines Einzugsgebiets, unten: exemplarisches Bei- selben physikalischen Grundsätzen spiel für ein urbanes Einzugsgebiet am Stadtrand (grün markierte Stellen symbolisieren basieren, muss die Modellstruktur in die relevanten Überflutungsquellen mit der Zuordnung zu der jeweiligen Hauptkatego- Abhängigkeit von der Überflutungsart rie) gewählt werden, sodass alle abflussre- Begriffe und Modelle der Überflutungsanalyse 77
Originalarbeit
stellt. In weiterer Folge werden die un- zesse ableiten, welche die Grundlage den Zusammenhang zwischen hydro-
terschiedlichen Modellierungsansätze für die Modellstruktur sind. In einem logischer Abflussbildung und dem hy-
der urbanen Überflutungsmodellierung letzten Schritt werden den einzelnen draulischen Fließverhalten an der Ober-
beschrieben sowie deren Stärken und Überflutungsquellen die maßgeblichen fläche im Überflutungsfall. Die hydrolo-
Schwächen hinsichtlich der Anwend- Niederschlagstypen zugewiesen. In die- gische Abflussbildung ist im Allgemei-
barkeit auf die unterschiedlichen Arten sem Zusammenhang wird zwischen nen eine Bilanz aus den hydrologischen
der Überflutungen diskutiert. kurzzeitig-intensiven und lokal auf- Prozessen Niederschlag, Verdunstung,
tretenden Niederschlägen (konvektiv) Transpiration, Interzeption, Infiltrati-
2 Klassifizierung von und langanhaltenden-konstanten Nie- on, Speicherverlusten, Zwischenabfluss
Überflutungen derschlägen (advektiv) unterschieden. und Grundwasserneubildung (Sitterson
Durch die alpingeprägte Topografie in et al. 2017).
Allgemein kann von Überflutungen Österreich kann es auch zu Überflutun- Diese Prozesse können je nach Auf-
gesprochen werden, wenn eine Ober- gen aufgrund einer saisonalen Schnee- gabenstellung und räumlich struktu-
fläche temporär vollständig mit Wasser schmelze kommen, welche vor allem reller Eigenschaften des Einzugsgebiets
bedeckt ist, welche im üblichen Zu- in ländlichen (ruralen) Einzugsgebieten vernachlässigt werden. Ist eine Hang-
stand frei von Wasser ist (EC 2007). in Österreich zu Überflutungsproble- lage innerhalb des Einzugsgebiets vor-
Dieser Zustand wird durch verschiede- men führen. Daraus resultieren vier handen, muss dies im Zuge der hydro-
ne Faktoren beeinflusst. Der erste Fak- entscheidende Faktoren zur Klassifi- logischen Modellparameter bereits in
tor ist der Typ der räumlichen Struk- zierung von Überflutungen (Abb. 1): der Abflussbildung berücksichtigt wer-
tur des Einzugsgebiets. Dazu werden i) Überflutungskategorie, ii) Überflu- den. Die Eingangsgröße ist dabei das
vier Hauptstrukturen definiert, welche tungsquelle, iii) räumliche Struktur des Niederschlagsvolumen, welches sowohl
in Österreich am häufigsten vorkom- Einzugsgebiets und iv) Niederschlags- eine zeitliche als auch eine räumliche
men: i) urbane Innenstadt; ii) urba- typ. Abhängigkeit aufweist. Das Modeller-
ne Randlage, iii) ländliche Kleinstadt; gebnis ist jenes Volumen, welches an
iv) rural – nicht besiedeltes Einzugsge- 3 Allgemeines der Oberfläche zum Abfluss kommt
biet. Je nach strukturellen Eigenschaf- Modellierungskonzept eines und als Oberflächenabfluss bezeichnet
ten des Einzugsgebiets wird die gro- Überflutungsmodells wird.
be Überflutungskategorie (fluvial und/ Die räumliche Ausbreitung des Ober-
oder pluvial) bestimmt, wobei auch Der dominierende Prozess bezüglich flächenabflusses sowie der zeitliche
die Kombination der beiden Katego- Überflutungen ist der Oberflächenab- Verlauf der Abflusswelle werden an-
rien möglich ist. Auf Basis der Über- fluss. Da dieser vor allem vom Nie- hand des Oberflächenabflussmodells
flutungskategorien werden die einzel- derschlagsvolumen abhängig ist, wird berechnet. Je nach gegebener Struktur
nen Überflutungsquellen im Einzugs- in der Hydrologie oftmals von Nieder- des Einzugsgebiets müssen zusätzliche
gebiet definiert. Auf diesen lassen sich schlags-Abfluss-Modellen gesprochen. Überflutungsquellen wie ein mögliches
die einzelnen abflussrelevanteren Pro- Diese Definition verdeutlicht bereits Überstauvolumen aus der Kanalisa-
Abb. 2 Allgemeines Modellkonzept eines Überflutungsmodells zur Bestimmung der Überflutungsflächen (Zielgrößen: Geschwin-
digkeitsvektor (v(x,t)) und Wasserstand (h(x,t)) basierend auf der hydrologischen Abflussbildung (Niederschlag (P(x,t)), Verdunstung
und Transpiration (ET), Oberflächenabfluss (RO(x,t)), Interzeption (Iz), Muldenverluste (Ds), Infiltration (If), laterale Zwischenabfluss
(ZA), Grundwasseranreicherung (ΔGW)) und der räumlichen und zeitlichen Ausbreitung des Oberflächenabflusses (beeinflusst durch
einen angrenzenden Hangabfluss sowie einem Abfluss aus der Kanalisation und eines Fließgewässers (Q(x,t))))
78 Begriffe und Modelle der Überflutungsanalyse
Originalarbeit
tion sowie eines Fließgewässers be-
rücksichtigt werden. Zusätzlich kann
ein Hangabfluss aus einer naheliegen-
den Hanglage das Abflussvolumen an
der Oberfläche erhöhen. Das Ergebnis
des Oberflächenabflussmodells sind
die Fließwege und Überflutungsflächen
an der Oberfläche, welche durch den
resultierenden Wasserstand und Ge-
schwindigkeitsvektoren dargestellt wer-
den können. Das Modellergebnis sind
daher Wasserstand, Fließgeschwindig-
keit sowie Fließrichtung. Zusammen-
fassend besteht ein Überflutungsmo-
dell grob aus zwei Teilmodellen: hy-
drologisches Modell zur Abflussbildung
und Oberflächenabflussmodell zur Be-
stimmung des Fließwegs und der Über-
flutungsflächen, welche unidirektional
miteinander gekoppelt sind (Abb. 2).
4 Modellierungsansätze zur
Abb. 3 HierarchischgeordneteModellansätzeder Überflutungs-
Bestimmung der Fließwege und
modellierung basierend auf vier Faktoren der Modellauswahl (Mo-
Überflutungsflächen an der
dellkomplexität, Datenerfordernis, Simulationszeit und Zielgrö-
Oberfläche
ßen)
Es existiert eine Vielzahl an unter-
schiedlichen Modellen bezüglich Über- Fairfield and Leymarie 1991) kann an- essenziell, um brauchbare Abflussak-
flutungen, welche sowohl kommerziell hand eines digitalen Geländemodells kumulationen berechnen zu können.
vertrieben werden als auch offen als (DGM) angewandt werden. Dabei wird Ebenso müssen in diesem Bereich so-
Open-source- oder Freewareprodukt die räumliche Höheninformation an- wohl die Bebauung (wie etwa Gebäude
verfügbar sind. Die Modellierungsan- hand einer GIS-Software verarbeitet, als Abflusshindernisse) und etwaige
sätze reichen dabei von einfachen An- um daraus Fließwege und eine Ab- Besonderheiten der Infrastruktur (z. B.
sätzen mit geringem Datenaufwand flussakkumulation berechnen zu kön- Unterführungen) als auch auftreten-
und kurzen Rechenzeiten (z. B. GIS- nen. de Senken berücksichtigt werden, um
basierte D8-Methode zur Fließweg- Abb. 4 zeigt die Funktionsweise der korrekte Ergebnisse zu generieren.
bestimmung) bis hin zu komplexen D8-Methode. Es wird angenommen, Die D8-Methode allein eignet sich
Ansätzen mit enormen Datenmengen dass jede Rasterzelle von acht Nach- vor allem dafür, einen ersten, aber
sowie langen Simulationszeiten (z. B. barzellen umschlossen wird und dieser wichtigen Überblick über ein Einzugs-
hydrodynamische integrierte 1D-2D- Zelle aufgrund ihrer und der benach- gebiet zu erhalten. Für die Analyse wird
Modelle). In Abhängigkeit von den ge- barten Zellhöhen eine Abflussrichtung nur ein Oberflächenabfluss angenom-
suchten Zielgrößen muss ein passendes zugeteilt wird (mittlere Bilder in Abb. 4). men, die Abflussbildung selbst wird
Modell gewählt werden, welches je nach Kann aufgrund der Höhensituation nicht berücksichtigt. Da diese Methode
Modellansatz variieren kann (Fließweg kein Abfluss stattfinden, wird von ei- schnell und einfach anzuwenden ist
an der Oberfläche, Überflutungsflächen ner Senke gesprochen. Durch die D8- und DGM-Daten in der Regel in aus-
sowie Überstauvolumen). Methode wird somit für jede Zelle in- reichender Auflösung verfügbar sind,
Um ein geeignetes Modell für eine nerhalb des Rasters die Abflussrichtung können erste kritische Punkte in Unter-
wasserwirtschaftliche Fragestellung im bestimmt, womit sich schlussendlich suchungsgebieten bereits identifiziert
Überflutungskontext auszuwählen, be- ein Oberflächenabfluss akkumulieren werden. Der Nachteil dieser Metho-
darf es mehrerer Faktoren als Entschei- lässt (Anzahl der Zellen, die in eine de ist, dass dynamische Abflüsse und
dungsgrundlage. Neben der Modell- bestimmte Zelle fließen – letztes Bild damit auftretende Effekte wie Rück-
komplexität, den notwendigen Daten in Abb. 4). Durch die Kombination der stau und daraus resultierende etwaige
und den erwarteten Simulationszeiten gewonnenen Informationen lässt sich Fließumkehrungen nicht abgebildet
sind auch die gesuchten Zielgrößen des ein Oberflächenentwässerungssystem werden können. Die D8-Methode kann
Modells ein entscheidender Faktor für ermitteln. als Grundlage für komplexere Oberflä-
die Auswahl (Abb. 3). Die Qualität des Berechnungsergeb- chenabflussmodelle dienen, um neur-
nisses hängt dabei von der Auflösung algische Punkte im Betrachtungsgebiet
4.1 GIS-basierte D8-Methode zur des DGM und von etwaigen notwen- zu identifizieren und die zu berück-
Bestimmung der Fließwege an der digen Anpassungen des verwendeten sichtigenden Einzugsgebietsgrenzen zu
Oberfläche Modells ab, dabei gilt grundsätzlich: je bestimmen. Die Methode wird auch
höher die Auflösung des DGM, desto angewandt, um Fließpfadkarten zur
Die D8-Methode (O’Callaghan and besser die Ergebnisse. Vor allem im ur- Darstellung der theoretischen Fließ-
Mark 1984; Jenson and Domingue 1988; banen Bereich ist eine hohe Auflösung wege des Oberflächenabflusses bzw.
Begriffe und Modelle der Überflutungsanalyse 79
Originalarbeit
Abb. 4 Veranschaulichung der D8-Methode – Fließrichtung bzw. Abflussakkumulation. (ESRI 2021 mod.)
Abb. 5 Beispielhafte Ausführung eines Zellulären Automaten zur Bestimmung des Wasserstands (hij ) in Zelleij und einer gegebe-
nen Zellenauflösung in Abhängigkeit von der Auflösung des digitalen Geländemodells. Berechnung des Wasserstands auf Basis der
Kontinuitätsgleichung (GL-1) und der kinematischen Wellengleichung (GL-2) zur Ermittlung des Durchflusses von Zelle zu Zelle, mit
dflow = Fließtiefe zwischen zwei Zellen, n = Manning-Rauheit und Q = Volumenströme zwischen zwei Zellen. (Mod. Bates und De Roo
2000)
Hangwassers zu erstellen, wie sie in teilt, welche in erster Linie von der schriebenen D8-Methode) mit einer
Österreich mittlerweile vielfach auf den Auflösung des verwendeten Digitalen dynamischen Volumenbilanz zwischen
entsprechenden Portalen der Bundes- Geländemodells (DGM) abhängig ist. den beiden betrachteten Rasterzellen.
länder zu finden sind. Der Oberflächenabfluss wird anschlie- Über die Fläche der Rasterzelle kann
ßend in Abhängigkeit von der Höhen- im Anschluss der Wasserstand in der
4.2 Zelluläre Automaten zur lage der Rasterzellen von Nachbarzelle Rasterzelle dynamisch berechnet wer-
Bestimmung von zu Nachbarzelle dynamisch bestimmt den. Die Fließgeschwindigkeit wird an-
Überflutungsflächen (Abb. 5). Dabei wird der Oberflächenab- schließend über die Manning-Strickler-
fluss hydrodynamisch mit Lösung der Gleichung berechnet. Kommerzielle
Überflutungen sind ein räumlich dis- entsprechenden physikalischen Glei- Modelle wie FloodArea der geomer
kreter und dynamischer Vorgang. Daher chungen in stark vereinfachter Form GmbH nutzen ähnliche Modellansätze
kann der Modellansatz der zellulären (z. B. Manning-Strickler-Gleichung) ab- zur Bestimmung des Wasserstands an
Automaten für deren Modellierung an- gebildet (LISFLOOD-FP, Bates und De der Oberfläche. Häufig werden dabei
gewendet werden. Mit diesem Ansatz Roo 2000). Modelle wie das CADDIES die abflussrelevanten hydrologischen
wird die gesamte Oberfläche im Ein- Model (Ghimire et al. 2013) kombi- Prozesse durch vereinfachte Ansätze
zugsgebiet in ein Netz aus Rasterzel- nieren die Methodik zur Bestimmung berücksichtigt. Für die hydrologische
len mit einer festen Auflösung einge- der Fließwegrichtung (ähnlich der be- Abflussbildung wird beispielweise häu-
80 Begriffe und Modelle der Überflutungsanalyse
Originalarbeit fig das Abflussbeiwertverfahren ver- Fragestellungen großer ruraler Einzugs- lösen und somit Rückstau und damit wendet. Rein hydrologische Modelle gebiete zur Vorhersage von fluvialen auch Überstau während einer even- wie LISFLOOD (Burek et al. 2013) nut- Abflussganglinien bis hin zur Modellie- tuellen hydraulischen Kanalnetzüber- zen dabei ebenfalls den Ansatz der rung pluvialer und fluvialer Überflutun- lastung abbilden. Bekannte Software- zellulären Automaten, um die Abfluss- gen im ländlichen und urbanen Raum. produkte, die im deutschsprachigen bildung detailliert pro Rasterzelle zu Durch die Abhängigkeit zur Auflösung Raum häufig für solche Modelle An- berechnen. Allerdings werden diese der Rasterzelle ist es auch möglich, wendung finden, sind neben anderen Modelle eher für wasserwirtschaftli- Modelle für größere Einzugsgebiete das Open-Source-Projekt SWMM5 der chen Fragestellungen (Entstehung einer aufzubauen. Allerdings können pluvia- US EPA, Mike Urban von DHI, Hystem- Hochwasserwelle) verwendet. le Überflutungen aus der Kanalisation Extran von ITWH und Kanal++ von Ein großer Vorteil dieser Ansätze ist häufig nicht abgebildet werden, da der AKG Software. Anhand des Kanalnetz- die gute Schnittstelle zu allen gängi- bidirektionale Austausch des Überstau- katasters und etwaiger notwendiger gen GIS-Software-Produkten, da zel- volumens zwischen Oberfläche und Informationen über Sonderbauwerke luläre Automaten häufig das dasselbe Kanal in den meisten Modellen nicht im Kanal und die Einleitungspunkte Datenformat wie Rasterdaten in GIS- implementiert ist. Aus diesem Grund des Systems (Betriebe, Haushalte etc.) Systemen verwenden. Dadurch werden eignet sich dieser Modellansatz nur be- kann ein hydrodynamisches Kanalnetz- darüber hinaus die Visualisierung und dingt zur Modellierung von pluvialen modell für eine Kommune aufgebaut die Kopplung mit anderen Modellen Überflutungsereignissen in urbanen werden (siehe dazu Muschalla et al. erleichtert. Durch die starken Vereinfa- Einzugsgebieten. Jüngste Publikationen 2015). Zusammen mit einer Messkam- chungen der abflussrelevanten Prozes- zu diesem Thema zeigen jedoch, dass pagne an signifikanten Punkten des se sind sehr schnelle Simulationszeiten durch eine Kopplung zweier Modelle zu untersuchenden Systems sollte das zu erreichen. Der Datenaufwand (hoch- auch Überflutungen in urbanen Ein- Modell kalibriert und validiert werden, aufgelöstes DGM und Landnutzungsda- zugsgebieten modelliert werden kön- um damit im Anschluss realitätsna- ten als wichtigste Datengrundlage) ist nen (z. B. Kopplung des 1D-Kanal- he Szenarien analysieren zu können. moderat. Die starken Vereinfachungen modells SWMM mit dem zellulären Typische Ziele der Anwendung dieser hinsichtlich des Oberflächenabflusses Automaten CA-FFé (Jamali et al. 2020)). Modellklasse sind die Nachweisfüh- müssen berücksichtigt werden, da diese rung verschiedener Belastungsfälle, die je nach Gebietsstruktur zu ungenauen 4.3 1D-Kanalmodell Optimierung der Kanalnetzsteuerung Ergebnissen führen können. Beispiel- bis hin zur Anlagendimensionierung weise werden abflussrelevante Rück- 1D-Kanalabflussmodelle gibt es in ver- und Fremdwasseruntersuchung. Dabei staueffekte und Fließumkehr häufig schiedenen Komplexitätsstufen. Mit ermöglichen heute verfügbare Rechen- durch die Eliminierung der Beschleuni- den heute zur Verfügung stehenden leistungen auch Langzeitsimulationen gungsterme in den Grundgleichungen Rechenkapazitäten werden hauptsäch- über Zeiträume von mehreren Jah- nicht berücksichtigt. lich hydrodynamische Kanalnetzmo- ren, bzw. gibt es bekannte Methoden, Die Anwendung von zellulären Au- delle verwendet, die das vollständige um entsprechende Anforderungen und tomaten reicht von rein hydrologischen de Saint Venant’sche Gleichungssystem Abb. 6 Beispielergebnis eines Überstaunachweises ermittelt mit einer 10-jährigen Niederschlagsserie folgend der Methodik von Leimgruber et al. (2018) Begriffe und Modelle der Überflutungsanalyse 81
Originalarbeit
Fragestellungen effizient zu lösen, wie Kanalnetz induzierte pluviale Überflu- aus dem Kanal austretendes Volumen
Leimgruber et al. (2018) demonstrieren. tungen und eine wertvolle Grundlage (Überstau) oder durch eine über das
Um nicht nur den Trockenwetterab- für den Aufbau eines detaillierten 1D- Kanalnetz räumlich verlagerte Überflu-
fluss simulieren zu können, werden 1D- 2D-Überflutungsmodells. tung bestehen.
Kanalabflussmodelle in der Regel mit Ist eine gekoppelte Betrachtung not-
hydrologischen Modellen für die Ab- 4.4 2D- und gekoppeltes 1D-2D- wendig, müssen daher die Wasserstän-
flussbildung und den Oberflächenab- Überflutungsmodell de und Fließgeschwindigkeit auf der
fluss gekoppelt. Diese Kopplung erlaubt Oberfläche zeitsynchron mit einem
es, den Niederschlag über Abflussbil- Wie die Erfahrungen aus vergange- möglichen Überstauvolumen aus der
dung und Abflusskonzentration zu be- nen Ereignissen gezeigt haben, treten Kanalisation berechnet werden. Dabei
rechnen und in das Kanalnetz einzulei- Überflutungen häufig aufgrund einer werden die dynamischen Wellenglei-
ten, womit der Niederschlags-Abfluss- Kombination mehrerer Ursachen auf chungen in zwei- und eindimensiona-
Prozess für ganze Einzugsgebiete und (Sene 2015). Beispielweise kann das ler Form gelöst. Dieser Anwendungs-
eine hohe zeitliche und räumliche Auf- Entwässerungssystem aufgrund der er- fall wurde vielfach in verschiedensten
lösung simuliert werden können. Die in höhten Belastung aus einem Starknie- urbanen Einzugsgebieten erfolgreich
Österreich geforderten Nachweise über derschlagsereignis an seine Kapazi- demonstriert (siehe dazu Leandro et al.
die Überstausicherheit eines Kanalsys- tätsgrenzen kommen und den Oberflä- 2009; Löwe et al. 2017; Fan et al. 2017).
tems nach ÖWAV-Regelblatt 11 (2009), chenabfluss zusätzlich erhöhen. Gleich- Bekannte kommerzielle Modelle, die im
exemplarisch dargestellt in Abb. 6, oder zeitig kann es zu einer Überlastung deutschsprachigen Raum für diese Auf-
den Mindestweiterleitungswirkungs- eines naheliegenden Fließgewässers gabe angewendet werden, sind MIKE
grad eines Mischwassersystems nach kommen, welche durch einer Verklau- FLOOD des Danish Hydraulic Institute
ÖWAV-Regelblatt 19 (2007) können da- sung von Durchlässen zusätzlich ver- (DHI) sowie HYSTEM EXTRAN 2D der
mit durchgeführt werden. Mittlerweile stärkt werden kann. Besonders in besie- itwh GmbH.
können auch Maßnahmen zur Nieder- delten Einzugsgebieten führen solche In ähnlicher Form kann mittels des
schlagswasserbewirtschaftung (oft als Kombinationswirkungen verstärkt zu 1D-2D-Ansatzes auch die Überlastung
grün-blaue Infrastruktur bezeichnet) Überflutungen mit hoher Schadensfol- eines Fließgewässers und dessen Aus-
über das hydrologische Modell berück- ge (Zekâi 2017). Aus diesem Grund sol- breitung auf der Oberfläche ermittelt
sichtigt werden, womit eine nachhaltige len die verwendeten Modellansätze alle werden. Hierbei wird der Abfluss im
Niederschlagswasserbewirtschaftungs- möglichen abflussrelevanten Teilpro- Fließgewässer eines Außengebiets ein-
strategie geplant und analysiert werden zesse berücksichtigen, um die Vorher- dimensional als äußere Randbedin-
kann (Kleidorfer et al. 2019). sagefähigkeit der Modelle zu erhöhen. gung ermittelt und die Ausbreitung auf
1D-Kanalnetzmodelle erlauben die Der gekoppelte 1D-2D-Modellansatz ist der Oberfläche zweidimensional gelöst
Identifikation von hydraulischen Über- dabei in der Lage, diese Bedingungen (beispielhaft demonstriert in Finaud-
lastungen des Kanalsystems und eine großenteils zu erfüllen, sodass dieser Guyot et al. 2011). Ebenfalls kann der
Ableitung der Überstauhäufigkeit von für viele Fragestellung bezüglich der Wasserstand eines stehenden Gewäs-
Kanalschächten. Dabei kann neben der Überflutungsproblematik angewendet sers als äußere Randbedingung strom-
Eintrittswahrscheinlichkeit auch das werden können. abwärts angesetzt werden (Pasquier
damit einhergehende Überstauvolu- Eine Anwendung dieses Ansatzes ist et al. 2019), dies kann in Österreich
men bestimmt und bilanziert werden. die Kombination von zweidimensiona- beispielweise in Einzugsgebieten, die
Damit liefert das Modellergebnis wich- lem Oberflächenabfluss mit dem eindi- einen größeren See beinhalten, seine
tige Hinweise zur Identifikation von mensionalen Abflussverhalten der Ka- Anwendung finden. Ein verbreitertes
durch Überflutung gefährdeten Berei- nalisation (Schmitt et al. 2004). Hierfür Modell für diesen Anwendungsfall ist
chen. Da die Ausbreitung des aus dem kommen 2D-hydrodynamische Ober- HEC-RAS in der Version 5.0 des Pio-
Kanalnetz austretenden Volumens an flächenabflussmodelle, die zumeist die nierkorps des Heeres der Vereinigten
der Oberfläche jedoch nicht möglich tiefengemittelten Flachwassergleichun- Staaten (USACE).
ist, kann das Überflutungsrisiko nicht gen lösen, in Kombination mit den be- Da die Oberfläche des Einzugsge-
ermittelt werden. reits beschriebenen 1D-hydrodynami- biets durch ein zweidimensionales
Mit diesen Modellen ist es aller- schen Kanalnetzmodellen zur Anwen- Netz des 2D-Modells räumlich auf-
dings nicht möglich, direkte Aussagen dung. 2D-Oberflächenabflussmodelle geteilt wird, kann der Ansatz gleicher
zur Überflutungsgefahr zu treffen, da sind ein seit Jahren in der (fluvialen) hydrologischer Elemente (HRU) ver-
das aus dem Kanalnetz austretende Überflutungsanalyse etablierter Stan- wendet werden, um die hydrologische
Volumen an der Oberfläche zwar bilan- dard, der die dynamische Berechnung Abflussbildung bestimmen zu können
ziert wird, die Oberfläche selbst aber von Wasserspiegellagen, Wasserständen (Leavesley et al. 1983). Jedem Ele-
nur abstrahiert über das gekoppelte und Fließgeschwindigkeiten ermöglicht ment im Netz werden in Abhängigkeit
hydrologische Modell berücksichtigt und damit die Ermittlung aller relevan- von seiner Oberflächenbeschaffenheit
ist. Eine Berechnung der Ausbreitung ten Größen für eine Überflutungsanaly- (Landnutzung) hydrologische Parame-
des aus dem Kanalnetz ausgetretenen se erlaubt. Je nachdem, ob ein Einfluss ter zugewiesen, wobei die notwendigen
Wassers auf den Oberflächen ist somit des Kanalnetzes auf ein Überflutungs- Parameter von den abflussrelevanten
nicht möglich. Nichtsdestotrotz liefern risiko vorhanden ist, müssen die 2D- hydrologischen Teilprozessen sowie der
ein hydrodynamisches Modell und ein hydrodynamischen Modelle mit einem räumlichen Struktur des Einzugsge-
mit diesem durchgeführter Überstau- entsprechenden Kanalnetzmodell ge- biets abhängig sind. Der entstehen-
nachweis wichtige Hinweise zur Iden- koppelt werden. Der Einfluss der Ka- de Abfluss wird anschließend je nach
tifikation von durch ein überlastetes nalisation kann dabei einerseits durch Landnutzung unidirektional dem 2D-
82 Begriffe und Modelle der ÜberflutungsanalyseOriginalarbeit Abb. 7 Exemplarische Anwendung des gekoppelten 1D-2D-Ansatzes für eine Überflutungsmodellierung in einem urbanen Ein- zugsgebiet. a Kopplung eines 1D-Kanalmodells mit einem 2D-Oberflächenabflussmodell (Auflösung des 2D-Rasters anhand der Auflösung der HRUs (2D-Elemente)); b Modellergebnisse eines 1D-2D-Überflutungsmodells mittels Überlagerung der beiden Ziel- größen Wasserstand und Fließgeschwindigkeit Modell (z. B. bei Grünflächen oder Stra- die entsprechende Datenaufbereitung Die mittlerweile zur Verfügung stehen- ßen) oder dem 1D-Modell (z. B. über einen hohen Zeitaufwand bedeuten den Ansätze umfassen: angeschlossene Dachflächen) über- können. • GIS-basierte Methoden zur Bestim- geben. Abb. 7 stellt exemplarisch die mung der Fließwege an der Oberflä- Anwendung eines gekoppelten 1D-2D- 5 Zusammenfassung che, Ansatzes dar. • zelluläre Automaten zur Bestim- Der gekoppelte 1D-2D-Ansatz eignet Überflutungen im urbanen Raum ha- mung von Überflutungsflächen, sich aufgrund seiner hohen Flexibilität ben in den letzten Jahren hohe Auf- • 1D-hydrodynamische Kanalnetzmo- für eine Vielzahl von Fragestellungen merksamkeit erlangt. Während die Ana- delle, im Kontext der Überflutungsmodellie- lyse von „klassischen“ Flusshochwäs- • 2D-hydrodynamische Oberflächen- rung. Besonders für pluviale Überflu- sern seit langem Gegenstand in Wissen- abflussmodelle, tungen in urbanen Einzugsgebieten ist schaft und Praxis ist, ist die Betrachtung • gekoppelte 1D-2D-Überflutungsmo- dieser Ansatz geeignet, da dieser die von Überflutungen, die außerhalb von delle. hydrologische Abflussbildung, die Aus- Fließgewässern entstehen, ein relativ breitung des Oberflächenabflusses in junges Themenfeld. Die hierarchische Darstellung der Mo- 2D und den Kanalabfluss in 1D parallel In Österreich, aber auch im interna- dellansätze bedeutet dabei keine Wer- berechnet. Ebenfalls können fluvia- tionalen Raum, werden teilweise unter- tung der Modelle, vielmehr ist eine der le Überflutungsereignisse mit diesem schiedliche Begriffe für diese Art von jeweiligen Aufgabe und dem jeweili- Ansatz modelliert werden (1D-Abfluss Überflutungen genutzt. Neben der Un- gen Untersuchungsgebiet angepasste im Gerinne mit einer 2D-Ausbreitung terscheidung in fluviale Hochwässer – Auswahl der Modellansätze und eine des Oberflächenabflusses bei Erreichen Hochwässer, die aus einem Gewäs- eventuelle Kombination dieser Ansätze der Kapazitätsgrenzen), was vor allem ser heraus entstehen – und pluvialen anzustreben. auch die Berücksichtigung von Stadt- Hochwässern – Hochwässer, die ohne bächen erlaubt. Durch die eindimen- einen Beitrag aus einem ständig Wasser Funding Open access funding provided sionale Modellierung der Gerinne sind führenden Gewässer entstehen –, wer- by Graz University of Technology. Auswirkungen wie Verklausungen von den für die pluvialen Hochwässer noch Durchlässen sehr leicht in Form ver- weitere Begriffe verwendet. Open Access Dieser Artikel wird unter kleinerter Querschnitte zu berücksich- Dabei werden die Begriffe pluviale der Creative Commons Namensnen- tigen. Zusätzlich können Wasserstände Überflutung, Sturzfluten, Hangwasser nung 4.0 International Lizenz veröffent- sowie Zuflüsse aus den Randgebie- und Überflutung durch Oberflächen- licht, welche die Nutzung, Vervielfäl- ten (Hangwasser, Hochwasserwelle) in wasser häufig für die gleichen Prozesse tigung, Bearbeitung, Verbreitung und Form von äußeren Randbedingungen benutzt. Im Rahmen einer Überflu- Wiedergabe in jeglichem Medium und in das Modell integriert werden, sodass tungsanalyse ist daher eine exakte Be- Format erlaubt, sofern Sie den/die ur- auch größere Flusseinzugsgebiete sowie stimmung und Kommunikation der sprünglichen Autor(en) und die Quelle Hangeinzugsgebiete im urbanen und beteiligten Prozesse notwendig. ordnungsgemäß nennen, einen Link zur ruralen Raum mit akzeptablen Simula- Für die Überflutungsanalyse steht Creative Commons Lizenz beifügen und tionszeiten modelliert werden können. mittlerweile eine Vielzahl von Werkzeu- angeben, ob Änderungen vorgenom- Allerdings ist aufgrund der Kopplung gen zur Verfügung. In diesem Beitrag men wurden. zweier Modelle ein hoher Datenauf- wurden die wichtigsten Modellansätze wand erforderlich, sodass der Aufbau hierarchisch geordnet kurz dargestellt. eines 1D-2D-Überflutungsmodells und Begriffe und Modelle der Überflutungsanalyse 83
Originalarbeit
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