Informations- und Modellierungssysteme für das Management von großräumigen Hochwassersituationen

Die Helmholtz-Nachwuchswissenschaftlergruppe führt die statistischen Hochwasseranalysen durch und entwickelt Informations- und Modellierungstools zur Quantifizierung und Darstellung von Hochwassergefährdung und Risiko in großen Einzugsgebieten am Beispiel der Elbe. Dabei soll die komplette Wirkungskette „Meteorologie – Hydrologie – Hydraulik – Geotechnik – Überflutung – Schaden“ berücksichtigt werden. Die Nachwuchsgruppe wird als Projekt im Rahmen des Kompetenzzentrums CEDIM getragen, das vom Helmholtz-Zentrum Potsdam Deutsches GeoForschungsZentrum und der Universität Karlsruhe eingerichtet wurde, um die durch Katastrophen hervorgerufenen Risiken grundlegend zu erfassen, früher zu erkennen und deren Schäden signifikant zu reduzieren.

Projektbeschreibung

Im Rahmen der Forschungsarbeiten der Nachwuchswissenschaftlergruppe werden die hochwassergenerierenden Faktoren analysiert und bewertet. Dabei werden für das Einzugsgebiet der Mulde die Großwetterlagen identifiziert, die maßgeblich zu dem Hochwasserentstehen und Ausmaß in unterschiedlichen Jahreszeiten beitragen. Außerdem sollen die deutschlandsweiten Pegelanalysen die signifikanten Hochwassertrends quantifizieren (Abb. 1). Besonders in Anbetracht der Klimawandel sind diese Informationen von großer Bedeutung. Eine umfassende Modellierung des Hochwassergeschehens von Entstehung bis zum Schaden soll in mehreren Schritten erfolgen. Das Konzept des entwickelten Modellierungssystems beinhaltet die Verwendung von fünf Modellen. Das hydrologische Modell J2000 (Krause, 2000) simuliert die Komponente der Abflussbildung, um den Niederschlag-Abfluss-Vorgang auf Landflächen zu beschreiben. Die Aufstellung des hydrologischen Modells ermöglicht unter anderem die Bewertung von zukünftigen Klimaszenarien hinsichtlich der resultierenden Hochwassermagnituden und Häufigkeit. Die meteorologischen sowie die hydrologischen Daten werden gesammelt, homogenisiert und regionalisiert bevor sie als Eingabe in das Modell bereitstehen. Mit dem Ziel eine Hochwassergefährdung- und Risikobewertung sowie deren Kartierung für die eingedeichten Flussstrecken zu ermöglichen wurden 1D hydrodynamisch-numerisches Modell mit einem probabilistischen Deichbruchmodell und einem vereinfachten 2D raster-basiertem Überflutungsmodell gekoppelt. Das System ermöglicht, den Wellenablauf im Gerinne und daraus resultierende Überflutung unter Berücksichtigung von Deichbrüchen abzubilden. Durch die dynamische Betrachtung der Hochwasserwelle und innovative probabilistische Modellierung des Deichversagens aufgrund von drei wichtigen Bruchmechanismen: Überströmen, hydraulischer Grundbruch und Böschungsinstabilität infolge der Durchsickerung, können die probabilistischen Gefährdungskarten erstellt werden (Abb. 2). Die Unsicherheiten der Hochwasserintensitätsindikatoren werden in der Monte Carlo Simulation analysiert. Am Beispiel der Mulde wird der „Probable Worst Flood“ mit dem hydrologischen und hydraulischen Modellen simuliert, um die Auswirkungen von einem extremen Ereignis abzuschätzen. Ein quasi-2D Poldermodell (1D-Modell DYNYD (Ambrose et al., 1993) mit einer 2D-Diskretisierung des Polders) wird an der Mittleren Elbe eingesetzt und simuliert die Kappung des Hochwasserscheitels im Flussgerinne im Falle einer Aktivierung der geplanten Polder. Mit dem gekoppeltem 1D-Deichbruch-2D Modell soll die Auswirkung der Polder auf die Hochwassergefährdung für die Unterlieger unter der Eingabe von optimalen Steuerungsregeln abgeschätzt werden.