Extremhochwasser an der Aare - Resultatmappe 2 Projekt EXAR Analysestandorte und Schlüsselstellen im Gesamtsystem Subsystem SSM, Limmat, Zürichsee ...
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Extremhochwasser an der Aare
Resultatmappe 2 Projekt EXAR
Analysestandorte und Schlüsselstellen im
Gesamtsystem
Subsystem SSM, Limmat,
Zürichsee - Obersiggenthal/Turgi
Resultatmappe 2 Projekt EXAR - Analysestandorte und Schlüsselstellen im Gesamtsystem, SSM
Fotos Umschlag
1. Stauanlage Mühleberg, Mühleberg. Foto: IUB Engineering AG, Begehung vom 5. April 2017.
2. Mündungsbereich Hagneckkanal in Bielersee. Foto: IUB Engineering AG, Begehung vom 10. April 2017.
3. Höhenmodell der Rutschung Brättele, nahe des Beurteilungsperimeters Mühleberg. Quelle: GEOTEST AG, 2020.
4. Wasser- und Kernkraftwerk bei Beznau. Foto: Schweizer Luftwaffe 2005, © VBZ.
5. Verklausung der Mattenschwelle bei Bern während des Hochwassers im August 2005. Foto: Schweizer Luftwaffe 2005, © VBZ.
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Resultatmappe 2 Projekt EXAR - Analysestandorte und Schlüsselstellen im Gesamtsystem, SSM
Impressum
Datum: 26.02.2020
Herausgeber
ARGE GEOTEST-HZP-IUB, c/o GEOTEST AG, Bernstrasse 165, CH-3052 Zollikofen
Auftraggeber
Bundesamt für Umwelt (BAFU), Eidgenössisches Nuklearsicherheitsinspektorat (ENSI), Bundesamt für
Energie (BFE), Bundesamt für Meteorologie und Klimatologie (MeteoSchweiz), Bundesamt für
Bevölkerungsschutz (BABS)
Projektleitung
Severin Schwab (GEOTEST AG, SPOC AP3 & AP4), Roni Hunziker (Hunziker, Zarn & Partner AG, AP3),
Michael Müller (IUB Engineering AG, AP4)
Experten/innen EXAR-Projekt
Helmut Habersack, BOKU Wien
Douglas Maraun, Universität Graz
Christian Pfister, em. Universität Bern
Bettina Schaefli, Universität Lausanne, Universität Bern
Anton Schleiss, em. École polytechnique fédérale de Lausanne EPFL
Bruno Sudret, ETH Zürich
Redaktion
Patrick Baer, Andreas Sutter; GEOTEST AG
Sebastian Jaberg, Matthias Pfäffli; Hunziker, Zarn & Partner AG
Tobias Karrer, Michael Müller; IUB Engineering AG
Autoren und Mitarbeit
GEOTEST AG Patrick Baer, Kaspar Graf, Alexandre Loye, Lorenz Moser, Annik Raissig,
Severin Schwab, Andreas Sutter
HZP Roni Hunziker, Andrea Irniger, Sebastian Jaberg, Matthias Pfäffli
IUB Engineering AG Benjamin Auf der Maur, Peter Billeter, Renato Hemund, Tobias Karrer, Andrin
Kasper, Luzia Meier, Georg Möller, Michael Müller
Zitiervorschlag
ARGE GEOTEST-HZP-IUB 2020: Extremhochwasser an der Aare. Resultatmappe 2 Projekt EXAR.
Analysestandorte und Schlüsselstellen im Gesamtsystem, Subsystem SSM, Limmat, Zürichsee -
Obersiggenthal/Turgi. Zollikofen, Aarau, Bern: 11 S.
Hinweis
Dieser Bericht wurde im Auftrag der Bundesämter BAFU, ENSI, BFE, MeteoSchweiz und BABS
verfasst. Für den Inhalt ist allein der Auftragnehmer verantwortlich.
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Resultatmappe 2 Projekt EXAR - Analysestandorte und Schlüsselstellen im Gesamtsystem, SSM
Inhalt
Subsystem SSM ....................................................................................................................................................... 5
1. Übersichtskarte ........................................................................................................................................... 5
2. Untersuchte Szenarien und Prozessketten ................................................................................................. 6
3. Hydrologische Szenarien – Synthetische Ganglinien .................................................................................. 7
4. Resultate der Analysestandorte .................................................................................................................. 7
I. Stauanlage Wettingen ........................................................................................................................... 8
I.1 HW-Entlastung ausser Betrieb (n-n)....................................................................................................... 8
I.2 vollständiger Bruch............................................................................................................................... 10
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Resultatmappe 2 Projekt EXAR - Analysestandorte und Schlüsselstellen im Gesamtsystem, SSM
Subsystem SSM
1. Übersichtskarte
Übersicht der Analysestandorte im Subsystem M. Subsystemrelevante Analysestandorte mit einem kritischen Szenario
hinsichtlich der Ausscheidung als Schlüsselstelle sind rot umkreist.
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Resultatmappe 2 Projekt EXAR - Analysestandorte und Schlüsselstellen im Gesamtsystem, SSM
2. Untersuchte Szenarien und Prozessketten
Die Versagensszenarien wurden in der Schlüsselstellenanalyse hinsichtlich eines besseren
Systemverständnisses und der Ausscheidung der Schlüsselstellen (Key Sites) gewählt. Dazu erfolgte in einem
ersten Schritt die Analyse der Resultate aus den Nullläufen sowie aus der geologischen Einschätzung bzgl.
grosser Massenbewegungen. Eine Übersicht der ermittelten, kritischen Szenarien der entsprechenden
Analysestandorte findet sich in der Übersichtskarte (vgl. Kap. 1) und in der untenstehenden Tabelle. In der
Tabelle ist zudem die Resultatblatt Nr. ersichtlich, die auf die detaillierten Resultate in Kapitel 4 verweist.
Mit dem Subsystem Zürichsee - Obersiggenthal/Turgi wird der letzte grosse Zubringer der Aare, die Limmat
detaillierter beschrieben. Auch wenn der Zürichsee Hochwasserabflüsse aus dem oberen Einzugsgebiet
dämpfen kann, kommt es immer wieder zu grossen Abflussmengen Richtung Wasserschloss, u.a. aus der Sihl
mit deren typischen steilen Ganglinienspitzen. Analog zu den anderen Zubringern spielt auch hier das Timing
der Hochwasserspitzen der beiden Flüsse Limmat und Aare für die Unterlieger eine wichtige Rolle. Auf die
Fragen bzgl. des zeitlichen Zusammentreffens der Spitzen wird in der Gesamtsystemanalyse sowie in der
detaillierten Gefährdungsanalyse basierend auf den Simulationen mit Ganglinien aus der Hydrologie (AP2)
eingegangen (Hauptbericht, Kap. 11). Hinsichtlich Ausscheidung von Schlüsselstellen kann eine
Hochwasserganglinie in diesem Subsystem im Wesentlichen lediglich durch eine Fehlfunktion oder den Bruch
des Stauwehrs Wettingen verändert werden.
Bei einer kompletten Verlegung des Stauwehrs Wettingen kann im Oberwasser zusätzliches Retentionsvolumen
aktiviert werden. Dieses Szenario wurde mit zwei Ganglinien, einem HQ100 und HQ10'000 in der Limmat
gerechnet.
• Stauanlage Wettingen, HW-Entlastung ausser Betrieb (n-n)
Komplettverlegung aller Wehrfelder beim Stauwehr Wettingen mit Aktivierung des Retentionsraums
Neuenhof/Killwangen.
Käme es gar zu einem Bruch des Stauwehrs, würde die daraus resultierende Flutwelle die Ganglinie im
Unterwasser wesentlich verändern, es bleibt zu prüfen, inwieweit eine Flutwelle bis zur Rheinmündung, resp.
dem Beurteilungsperimeter Beznau (hinsichtlich Gefährdungsbeurteilung) gedämpft wird.
• Stauanlage Wettingen, vollständiger Bruch
Bruch des Stauwehrs Wettingen mit Flutwellenbildung aus dem Limmatstauraum Richtung Unterwasser.
Die verbleibenden inventarisierten Bauwerke (HWS-Dämme, Brücken und Stauanlagen) innerhalb des
Subsystems SSM wurden gemäss den Ausscheidungskriterien (Detailbericht D, Kap. 4.3) beurteilt und als nicht
kritisch, resp. subsystemirrelevant ausgeschieden.
Übersicht der eruierten Szenarien der einzelnen Analysestandorte.
Analysestandort & Szenario
Ereignis (Hydrologie)
Versagensprozess
Resultatblatt Nr.
Kilometrierung
Schlüsselstelle
Einwirkung
I Stauanlage Wettingen
I.1 HQ100 Limmat HW-Entlastung ausser Betrieb (n-n) keine / Umströmen Limmat, km 012.381 nein
I.1 HQ10'000 Limmat HW-Entlastung ausser Betrieb (n-n) keine / Umströmen Limmat, km 012.381 nein
I.2 HQ100 Limmat Vollständiger Bruch Vollständiger Bruch Limmat, km 012.381 nein
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Resultatmappe 2 Projekt EXAR - Analysestandorte und Schlüsselstellen im Gesamtsystem, SSM
3. Hydrologische Szenarien – Synthetische Ganglinien
Messstation: Limmat, Zürich Unterhard (km 033.160)
Vergleich der synthetischen Ganglinien mit beobachteten Hochwasserereignissen.
4. Resultate der Analysestandorte
Im Folgenden findet sich für den Analysestandort Stauanlage Wettingen (vgl. Übersichtstabelle Kap. 2) ein
Resultatblatt. Dieses Resultatblatt beinhaltet für beide Szenarien (HW-Entlastung ausser Betrieb sowie
vollständiger Bruch) einen detaillierten Szenarienbeschrieb, die PQ-Beziehung für die Umsetzung im
hydraulischen Modell sowie die Grundlagen (Überflutungskarten, Ganglinienvergleich zwischen Nulllauf und
Szenario inkl. Ausscheidungskriterien) und den kommentierten Entscheid zur Ausscheidung der Schlüsselstelle.
Die hier vorgestellten Resultatblätter beziehen sich ausschliesslich auf die Gefährdung durch Überflutung
(hydraulische Belastung), wie sie in Kap. 7.1 des EXAR-Hauptberichts bzw. im Detailbericht E beschrieben
werden. Bei der Gefährdungsanalyse in den Beurteilungsperimeter wird im EXAR-Hauptbericht bzw. im
Detailbericht F zusätzlich auf Gefährdung durch Terrain- und Gerinneveränderungen infolge von fluvial
bedingten morphologischen Prozessen eingegangen. Weiter sind Aufstauhöhen infolge möglicher
Schwemmholzverklausung bei den Beurteilungsperimetern in den Resultatmappen 3 abgeschätzt und
dokumentiert.
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EXAR Phase B – Resultatmappe 2: Analysestandorte und Schlüsselstellen im Gesamtsystem, SSM
I. Stauanlage Wettingen
Lokalität Szenarien
Limmat, km 012.381 I.1 HW-Entlastung ausser Betrieb (n-n)
I.2 vollständiger Bruch
I.1 HW-Entlastung ausser Betrieb (n-n)
Komplette Verlegung oder Ausfall der Hochwasserentlastungsorgane am Stauwehr Wettingen, mit
Aktivierung des Retentionsraumes Neuenhof/Killwangen.
Szenarienbeschrieb
Aufgrund von Betriebs-/Entscheidungsfehlern, technischen Fehlern oder hohem Schwemmholzaufkommen
wird die Hochwasserentlastung des Stauwehrs stark beeinträchtigt. Es wird davon ausgegangen, dass
sämtliche Wehröffnungen ausfallen und der gesamte Abfluss durch Über- und Umströmen der Wehranlage
die Stadt Wettingen passiert. Der so resultierende Überfall über das komplett geschlossene Wehr wurde als
Randbedingung mittels neuer errechneter PQ-Beziehung an das numerische Modell weitergegeben.
Stauanlage Wettingen, Wettingen. Blick aus dem OW (links, Quelle: IUB Engineering, Begehung vom 23. August 2017)
und Blick aus dem UW (rechts, Quelle: Von Badener - Eigenes Werk, CC BY 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=7377250).
Untersuchte hydrologische Szenarien Szenario-ID
HQ100 Limmat SSM_HQ100kLIM-LIM-012381-SW-Pnn
HQ10’000 Limmat SSM_HQ10000kLIM-LIM-012381-SW-Pnn
PQ-Beziehung (Normalbetrieb und Versagen)
388.00
386.00
WSPL [m ü.M.]
384.00
382.00
P-Q HW-Entlaster "n"
380.00
P-Q HW-Entlaster "n-n"
378.00
0 500 1000 1500 2000
Abfluss HW-Entlastung [m3/s]
PQ-Beziehung des Stauwehrs Wettingen, mit n = 3 offenen (schwarz gestrichelt, Normalbetrieb) und komplett
geschlossenen Wehrfeldern n-n (blau, bei Versagen der Regulierorgane) und Grundablass.
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Resultatmappe 2 Projekt EXAR - Analysestandorte und Schlüsselstellen im Gesamtsystem, SSM
Maximale Überflutungsfläche
Fliesstiefenkarte für Nulllauf HQ100 Limmat Fliesstiefenkarte für Szenariolauf HQ100 Limmat
(Normalbetrieb an der Stauanlage Wettingen). (n-n-Bedingungen an der Stauanlage Wettingen).
Fliesstiefenkarte für Nulllauf HQ10’000 Limmat Fliesstiefenkarte für Szenariolauf HQ10’000 Limmat
(Normalbetrieb an der Stauanlage Wettingen). (n-n-Bedingungen an der Stauanlage Wettingen).
Ganglinienvergleich Nulllauf mit Szenario am Transferpunkt Turgi (Limmat, km 005.000)
HQ100 Limmat. HQ10’000 Limmat.
Differenz Differenz
Versagens- Entscheid
Szenario HQ Abflussspitze Volumen
auslösung Schlüsselstelle
[%] [%]
100
von Beginn 0.3 -0.4 NEIN
HW-Entlastung ausser Limmat
Betrieb (n-n) 10'000
von Beginn 0.0 -0.3 NEIN
Limmat
Fazit
Der Ausfall sämtlicher Wehröffnungen an der Stauanlage Wettingen führt zum Erschliessen eines
zusätzlichen Retentionsvolumens im Staubereich der Anlage. Das zusätzlich gespeicherte Wasservolumen ist
im Vergleich zum Volumen der gesamten Inputganglinie jedoch marginal, weshalb dieses Szenario nicht als
Schlüsselszenario klassiert werden kann.
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Resultatmappe 2 Projekt EXAR - Analysestandorte und Schlüsselstellen im Gesamtsystem, SSM
I.2 vollständiger Bruch
Bruch des Stauwehrs Wettingen mit Flutwellenbildung aus dem Limmatstauraum Richtung Unterwasser.
Szenarienbeschrieb
Im vorliegenden Szenario wird angenommen, dass der Wehrkörper der Stauanlage Wettingen bricht und der
gesamte aufgestaute Fliessquerschnitt plötzlich freigegeben wird (Breite Wehr rund 50 m). Der Stauraum
fliesst aus, was zu einer Flutwelle im Unterwasser führt. Für die Abflussganglinie an der Stauanlage
Wettingen wurde zuerst mittels Flutwellenberechnung eine Pegel-Abfluss-Beziehung hergeleitet und diese
anschliessend in das Modell des Subsystems für die Schlüsselstellenanalyse eingefügt.
Untersuchte hydrologische Szenarien Szenario-ID
HQ100 Limmat SSM_HQ100kLIM-LIM-012381-SW-PB
PQ-Beziehung (Normalbetrieb und Versagen)
P-Q-Beziehung der Stauanlage Wettingen bei Normalbetrieb (schwarz gestrichelt) sowie beim Sperrenbruch (Bruch
Wehrkörper – rot).
10Resultatmappe 2 Projekt EXAR - Analysestandorte und Schlüsselstellen im Gesamtsystem, SSM
Maximale Überflutungsfläche
Fliesstiefenkarte für Nulllauf HQ100 Limmat Fliesstiefenkarte für Szenariolauf HQ100 Limmat
(Normalbetrieb an der Stauanlage Wettingen). (Bruch der Stauanlage Wettingen).
Ganglinienvergleich Nulllauf mit Szenario am Transferpunkt Turgi (Limmat, km 005.000)
HQ100 Limmat.
Differenz Differenz
Versagens- Entscheid
Szenario HQ Abflussspitze Volumen
auslösung Schlüsselstelle
[%] [%]
bei max.
vollständiger 100 Wasserstand
215.8 2.2 NEIN
Dammbruch Limmat im
Staubereich
Fazit
Der Bruch des Wehrkörpers Wettingen verursacht eine Flutwelle in der Limmat mit einem massiv höheren
Abflussspitze als im Nulllauf (HQ100). Bis zum Ende des Subsystems am Transferpunkt Obersiggenthal –
Turgi erfüllt die Flutwelle die Kriterien für die Ausscheidung als Schlüsselstelle immer noch deutlich. Da in
der Aare unterhalb des Wasserschlosses bei einem HQ1‘000 und HQ10‘000 jedoch bereits bei den rein
hydrologischen Szenarien höhere Abflüsse auftreten als jene die bei einer Flutwelle aus der Limmat zu
erwarten sind, wird die Stauanlage Wettingen nicht als Schlüsselstelle ausgeschieden. Die
Wahrscheinlichkeit eines Sperrenbruchs ist deutlich geringer als die Wahrscheinlichkeit eines rein
hydrologischen Abflusses im Bereich HQ10‘000, womit die durch den Sperrenbruch Wettingen entstehende
Gefährdung mit anderen Szenarien bereits abgedeckt ist.
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