Hochwassersimulation für Starkregen - Abschließende Ergebnisse der Testrechnungen und Ausblicke - LARSIM

Hochwassersimulation für Starkregen –
Abschließende Ergebnisse der Testrechnungen
               und Ausblicke

                              Dr. Manfred Bremicker
               LUBW, Referat 43 – Hydrologie, Hochwasservorhersage

                                    Norbert Demuth
     LfU Rheinland-Pfalz, Referat 72 – Hydrometeorologie, Hochwassermeldedienst

                                 Dr. Ingo Haag
                             HYDRON GmbH, Karlsruhe

Einführung
 Abflussreaktion kleinräumiger, intensiver Niederschläge auf
  trockenen Boden wurde in LARSIM WHM bis 2017 nicht ausreichend
  gut nachgebildet
                      LARSIM Weiterentwicklungen

   Berechnungs-Zeitschrittweite kleiner 1 Std. für WHM
     beliebige ZS-Weite ab 5 Minuten 

   Verbesserte Prozessabbildung: Dynamisches Infiltrationsmodul zur
    Simulation von Infiltrationsüberschuss und Horton-Overland-Flow
     Konzeption und modelltechnische Umsetzung 
     Ableitung der physikalisch basierten Boden-Parameter 
     Testrechnungen und Folgerungen

   19.03.2019                                             Folie 2

Dynamische Infiltration: Prozessbeschreibung
      Prozessbeschreibung in enger Anlehnung an bodenhydrologisches Modell RoGeR
             der Professur für Hydrologie / Uni Freiburg (Steinbrich et al., 2016)

                                                                                          (Quelle: Steinbrich et al., 2016)
Gekoppelte Simulation der Infiltration über:
 Matrix
 Makroporen
 Trockenrisse

Optional zusätzlich jahreszeitliche Verschlämmung

                                                 Abflussbildung        Abflusskonzentration
 Summe aus den 3 Teilprozessen:                  Wasserdargebot
  Dyn. berechnete maximale
   Gesamtinfiltration                               Infmax(t)               schneller
                                                                          Direktabfluss

                                                                            langsamer
                                                      BSF         A2
    19.03.2019                                                            Direktabfluss
                                                                          Folie 3

Dynamische Infiltration: Ableitung der Parameter
                                                                UTGB mit spez. Inf.-Parametern
   9 physikalisch basierte (Boden-) Parameter                   Innerhalb eines 1x1 km2 TGB

   Auf Ebene der Unterteilgebiete (Hydrotope)
Infiltrations-Parameter:
   kf: gesättigte hydraulische Leitfähigkeit [mm/h]
   nFKVol als Volumenanteil [ ]
   LKVol als Volumenanteil [ ]
   wsf: Saugspannung an der Sättigungsfront [mm]
   MPdichte: Dichte der vertikalen Makroporen [Anzahl/m2]
   MPlaenge: Länge bzw. Tiefe der vertikalen Makroporen [mm]
   TRtiefe_max: Maximale Tiefe der Trockenrisse [mm]
   AusrGr100: Wassergehalt bei der Ausrollgrenze
   SchrGr100: Wassergehalt bei der Schrumpfungsgrenze

 Ableitung der Parameter für Landesfläche von BaWü auf Basis
  von Bodenkarte und Landnutzung (in Zusammenarbeit mit Uni FR und LGRB)
 Dokumentation der Vorgehensweise
 Erfolgreiche Übertragung auf RLP ( Vortrag Berndt & Gerlach)

    19.03.2019                                                          Folie 4

Testrechnungen: Überblick BaWü

16 EZG      20 Ereignisse
 Variable Naturräume
 Variable Abflussreaktionen
 Zwei Radarprodukte
 19.03.2019                                    Folie 5

Testrechnungen: Ergebnisse BaWü

   Ausgangslage: Stations-Niederschlag, Stundenwerte, ohne Dyn. Infiltration
   Bekannte systematische Unterschätzung der Abflussreaktion

                         Messung          Simulationen                                                  ohne InfDyn, N-Stationen, 1h-Schritt
                                                                                                 1600
           Goppershofen/Rottum: Juni 2016                                                                   Scheitel 19 andere Ereignisse
                         mit InfDyn, Radolan
                                         mit YW, 5 Min-Schritt
                                             InfDyn,           mit5 InfDyn,
                                                     Radolan YW,            Radolan YW, 5 Min-Schritt
                                                                     Min-Schritt
                                                                                                 1400

                                                         Abflussscheitel simuliert [l/(s km2)]
                         mit InfDyn, Supermit
                                           HD,  5 Min-Schritt
                                              InfDyn, Super HD, 5mit
                                                                  Min-Schritt
                                                                     InfDyn, Super HD, 5 Min-Schritt
                                                                                                 1200

                                                                                                 1000

                                                                                                  800

                                                                                                  600

                                                                                                  400

                                                                                                  200

                                                                                                    0
                                                                                                        0     200     400   600    800   1000     1200    1400   1600
                                                                                                                    Abflussscheitel gemessen [l/(s   km2)]

    19.03.2019                                                                                                                                  Folie 6

Testrechnungen: Ergebnisse BaWü
      Dynamisches Infiltrationsmodul + Zeitschritte 5 Minuten
      Radolan YW Produkt des DWD (Re-Analyse-Daten)
      Meist plausible Abbildung der Ereignisse, leichte Tendenz zur Überschätzung
                                                                                                        ohne InfDyn, N-Stationen, 1h-Schritt
      Aber: Ausreißer         Analyse
                                                                                                        mit InfDyn, Radolan YW, 5 Min-Schritt
                      Messung         Simulationen                                                      ohne InfDyn, N-Stationen, 1h-Schritt
                                                           mit InfDyn, Super HD, 5 Min-Schritt
                                                                                             1600
                     mit InfDyn, Radolan
                                     mit YW, 5 Min-Schritt
                                         InfDyn, Radolan YW,mit InfDyn, Radolan YW, 5 Min-Schritt
                                                             5 Min-Schritt
                                                                                             1400

                                                     Abflussscheitel simuliert [l/(s km2)]
                     mit InfDyn, Supermit
                                       HD,  5 Min-Schritt
                                          InfDyn, Super HD, 5mit InfDyn, Super HD, 5 Min-Schritt
                                                             Min-Schritt
                                                                                             1200

                                                                                             1000

                                                                                              800

                                                                                              600

                                                                                              400

                                                                                              200

                                                                                                0
                                                                                                    0      200     400   600    800   1000     1200    1400   1600
                                                                                                                 Abflussscheitel gemessen [l/(s   km2)]
    19.03.2019                                                                                                                               Folie 7

Testrechnungen: Ergebnisse BaWü
                                                     Analyse der Ausreißer:                                       Ursachen?       Modell  Inputdaten
                                        1600

                                        1400                                                              Beispiel Wannweil / Echaz:
Abflussscheitel simuliert [l/(s km2)]

                                        1200
                                                                                                           Am 22.7.15 landesweit nur ein signifikantes Ereignis
                                        1000
                                                                                                           Für Aneichung verfügbare Stationen liegen außerhalb des Nied.-Gebiets
                                         800
                                                                                                            (rote Punkte)
                                         600

                                         400
                                                                                                           Kontrollstation Reutlingen (schwarzer Punkt) im Nied.-Gebiet,
                                         200
                                                                                                            liefert wesentlich geringere Nied.-Summe als Radolan
                                           0
                                               0   200     400   600    800   1000   1200   1400   1600
                                                         Abflussscheitel gemessen [l/(s km2)]

                                                                                                                                                                Reutlingen: 17 mm

                                                                                                                                                              Radolan: 60 mm

                                                                                                                              Hier: Überschätzung des Niederschlags
                                                                                                                               um Faktor ~3,5 durch Radolan
                                                                                                                              Auch die anderen Ausreißer sind durch
                                                                                                                               unplausible Nied-Daten bedingt

                                               19.03.2019                                                                                                       Folie 8

Testrechnungen: Ergebnisse BaWü
      Dynamisches Infiltrationsmodul + Zeitschritte 5 Minuten
      Super HD Produkt der Firma Meteologix (nurohne7InfDyn,
                                                         der 20    Ereignisse)
                                                               N-Stationen, 1h-Schritt
      Deutliche Unterschiede der zwei Radar-Produkte
                                                 mit InfDyn, Radolan YW, 5 Min-Schritt
      Super HD liefert in der Regel geringere Niederschläge       als Radolan
                                                  ohne InfDyn, N-Stationen, 1h-Schritt YW

                                                                                                           mit InfDyn, Super HD, 5 Min-Schritt
                         Messung         Simulationen                                                      mit InfDyn, Radolan YW, 5 Min-Schritt
                                                                                                           ohne InfDyn, N-Stationen, 1h-Schritt
                                                                                                1600
                        mit InfDyn, Radolan
                                        mit YW, 5 Min-Schritt
                                            InfDyn, Radolan YW,mit
                                                                5 Min-Schritt
                                                                   InfDyn, Super HD, 5 Min-Schritt
                                                              mit InfDyn, Radolan YW, 5 Min-Schritt
                                                                                                1400
                        mit InfDyn, Supermit
                                          HD,  5 Min-Schritt
                                             InfDyn, Super HD, 5 Min-Schritt

                                                        Abflussscheitel simuliert [l/(s km2)]
                                                          1200
                                                                mit InfDyn, Super HD, 5 Min-Schritt

                                                                                                1000

                                                                                                 800

                                                                                                 600

                                                                                                 400

                                                                                                 200

                                                                                                   0
                                                                                                       0      200     400   600    800   1000   1200   1400   1600
                                                                                                                    Abflussscheitel gemessen [l/(s km2)]
    19.03.2019                                                                                                                               Folie 9

Testrechnung: Obermoschel RLP
 Extremes Starkregenereignis am 20.09.2014
 Im EZG Obermoschel / Moschel (61 km2)
 Erzeugte innerhalb sehr kurzer Zeit extremes Hochwasser
 Ereignis wurde von LARSIM mit Stationsdaten nicht erfasst
 Testrechnungen für dieses Ereignis mit Dynamischer Infiltration

                                                               3 Stunden

                                83,5 mm/h

 19.03.2019                                                         Folie 10

Testrechnungen: Ergebnisse RLP
      Ausgangslage: Ereignis wird mit N-Stationen nicht erfasst
      Mit 5 Min.-Schritten + Radolan ohne Dyn. Infiltration  grobe Unterschätzung
      Mit 5 Min.-Schritten + Radolan mit Dyn. Infiltration  Ereignis wird gut erfasst
      Aber: Volumen mit Radolan und InfDyn überschätzt

    19.03.2019                                                         Folie 11

Zusammenfassung
 Dynamische (und statische) Infiltration erfolgreich in LARSIM implementiert und getestet
 Vorgehen zur physikalischen Parametrisierung für Baden-Württemberg abgeleitet und
  dokumentiert, darauf basierend erfolgreich auf RLP übertragen

Testrechnungen für 21 Ereignisse und 17 Pegel zeigen:
 Durch das Infiltrationsmodul und Nutzung raum-zeitlich hoch aufgelöster Radardaten
  werden Hochwasser infolge von Starkregen wesentlich besser erfasst und abgebildet
 Einzelne Ausreißer können auf klar unplausible Radar-Niederschläge zurückgeführt werden
 Mit DWD Radolan YW Tendenz zur Überschätzung der Abflussereignisse
  (Niederschlags-Bias? Modell-Bias?)
 Große Unterschiede zwischen Meteologix Super HD und DWD Radolan YW (7 Ereignisse)

                   Erfolgreiche Weiterentwicklung von LARSIM WHM
                   Detailverbesserungen an LARSIM sicher möglich
                   Basis für weitere Verbesserung der Hochwasser-Frühwarnung
                    für kleine Einzugsgebiete
                   Weiterführende Anwendungsmöglichkeiten

     14.03.2018                                                               Folie 12

Ausblick
Radarprodukte:
 Deutliche Unterschiede von zwei hier analysierten Radar-Produkten
 Unsicherheit durch Radar-Nied vermutlich größer als durch Modell / Parametrisierung
 Weitere Verbesserung der Radar-Niederschläge sehr wünschenswert

LARSIM Analyse / Entwicklung:
 Indirekter Einfluss der Kalibrierung über Bodenfeuchte und EQD2 auf Starkregenabfluss
   Analyse und Berücksichtigung in Kalibrierstrategie
 Mittelfristig Überprüfung / Verbesserung der Parametrisierung der Dyn. Infiltration
  (z. B. Makroporen, Trockenrisse, Verluste bei Abflusskonzentration)

Kurzfristige Nutzungsmöglichkeiten:
 Weiterentwicklung der Hochwasser-Frühwarnung
 Ermittlung von Oberflächen-Abfluss-Karten / Bemessungsgrößen
  auch kleinräumig auf Ebene der Unterteilgebiete / Hydrotope

   14.03.2018                                                                 Folie 13

Vielen Dank für Ihre
                               Aufmerksamkeit!

Literatur und Quellen:
Haag, I., Aigner, D., Krumm, J., Regenauer, J., Steinbrich, A., Weiler, M., Sieber, A., Bremicker, M., 2019.
  Simulation von Hochwassern in der Folge von Starkregen mit LARSIM – ein Beispiel für die
  zielführende Nutzung vorhandener Bodendaten. Forum für Hydrologie und Wasserbewirtschaftung,
  Heft 41.19 (im Druck).

Steinbrich, A., Leistert, H., Weiler, M., 2016. Model-based quantification of runoff generation processes at
   high spatial and temporal resolution. Environ. Earth Sci. (2016)75, 1423 (DOI 10.1007/s12665-016-
   6234-9)

   14.03.2018                                                                           Folie 14