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Projektantrag Forschungsskizze
Umgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessen
an das Fachzentrum Klimawandel Hessen
Hochschule RheinMain Fachbereich Architektur und Bauingenieurwesen
Arbeitsgruppe ldquoStarkregen und Sturzflutenrdquo am Wasserbaulaboratorium
Ernesto Ruiz Rodriguez Lisa Trost
Wiesbaden Stand Januar 2015
FB Architektur und Bauingenieurwesen Wasserbaulaboratorium
Projektskizze Umgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessen (Arbeitstitel) Januar 2015 Seite 1
Inhalt 1 Vorbemerkungen 2
2 Arbeitspaket 1 Verwendung von Radardaten zur Simulation von Starkregen Sturzfluten fuumlr kleine Einzugsgebiete 4
21 Klaumlrung der Verfuumlgbarkeit von Radarniederschlagsdaten (fuumlr Modellierer Ingenieurbuumlros) 7
22 Aufwand zur Nutzung und Aufbereitung von Radarniederschlagsdaten fuumlr Modellierer Ingenieurbuumlros 10
Auswahl geeigneter konvektiver Ereignisse fuumlr das Untersuchungsgebiet (Regensammlung) 10
Aufbereitung der 5 minuumltigen Radarniederschlagsdaten fuumlr die gewaumlhlten konvektiven Ereignisse 12
23 Auswertung der RADOLAN Radarniederschlagsdaten des DWD 14
24 Praxisseminar Kolloquium bdquoVerwendung von Radardaten zur Simulation von Starkregen Sturzfluten in Hessenldquo 15
3 Arbeitspaket 2 Uumlberpruumlfung und Anpassung von Modellansaumltze zur Ermittlung des abflusswirksamen Niederschlages bei Starkregen 15
4 Arbeitspaket 3 Uumlberpruumlfung und Anpassung der hydraulischen Ansaumltze zur Berechnung des Oberflaumlchenabflusses bei Starkregen Sturzfluten an steilen Haumlngen 20
41 Korrektur der Flieszligformeln zur Simulation des Oberflaumlchenabflusses an steilen Haumlngen 22
42 Versuchseinrichtung zur Uumlberpruumlfung und Anpassung der Flieszligformeln zur Simulation des Oberflaumlchenabflusses an steilen Haumlngen 24
5 Arbeitspaket 4 Instationaumlre 2ndashdimensionale Modellierung des Oberflaumlchenabflusses bei Starkniederschlaumlgen 25
6 Arbeitspaket 5 Erarbeitung von Starkregen Gefahrenkarten fuumlr das Land Hessen 27
(Stufe 1) Identifikation der potentiell gefaumlhrdeten Hangflaumlchen und die Erstellung von Starkregen Hinweiskarten 28
(Stufe 2) Simulation des Oberflaumlchenabflusses der potentiell gefaumlhrdeten Flaumlchen und Erstellung von Starkregen Gefahrenkarten oder Flieszligpfadkarten 29
7 Arbeitspaket 6 Modell- Pilotprojekt bdquoUmgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessenldquo 31
8 Literatur und Quellen 32
9 Allgemeine Informationen Zeitplan und Ressourcen 36
91 Allgemeine Informationen 36
92 Zeitplan 37
93 Beantragte Mittel 38
Anlagen
1 Kipprinne zur Simulation des Oberflaumlchenabflusses an steilen Haumlngen
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1 Vorbemerkungen
Etwa 50 der Uumlberflutungsschaumlden ndash so zeigen die Erfahrungen aus extremen Niederschlagsereignissen und der Versicherungswirtschaft ndash werden durch lokale Sturzfluten und Hangabfluumlsse die nicht in direktem Zusammenhang mit der Ausuferung eines oberirdischen Gewaumlssers stehen verursacht Auf kommunaler Ebene wird die Starkregen-Problematik des- wegen verstaumlrkt diskutiert
In der 2012 veroumlffentlichten Strategie zur Anpassung an den Klimawandel in Hessen wird auf die erwartete Intensivierung der Starkregenereignisse und auf deren Wirkungen und Gefahrenpotentiale hingewiesen
Anders als bei groszligen Flusssystemen sind bei konvektiven Starkniederschlaumlge in kleinen Einzugsgebieten (Aelt 50 kmsup2) bislang keine guten raumlumlichen und zeitlichen Vorhersagen moumlglich
Zur Minderung der Schaumlden durch Starkregen und Sturzfluten muumlssen die regionale und kommunale Flaumlchenvorsorge sowie die Bauvorsorge intensiviert werden Dafuumlr muumlssen allerdings Informationen uumlber die Nutzung der gefaumlhrdeten Flaumlchen und die entsprechenden Einwirkungsintensitaumlten auf den Flaumlchen bekannt sein
Zwar wird im Rahmen der Umsetzung der EU-Hochwasserrisikomanagement Richtlinie (EU-HWRML) wird das Thema Starkregen bzw Sturzfluten zwar zur Kenntnis genommen aber das Land Hessen hat aber beispielsweise bei der Bearbeitung der Hochwasserrisikomanagementplaumlne die lokalen Wirkungen von Starkregen auf den Haumlngen(bdquoSturzflutenldquo) nicht beruumlcksichtigt In den Hochwassergefahrenkarten werden lediglich jene Flaumlchen dargestellt die die Folge von Ausuferungen sind
Um die identifizierten ErkenntnisluumlckenDefizite zu beheben schlaumlgt die Arbeitsgruppe bdquoStarkregen und Sturzflutenldquo am Fachbereich Architektur und Bauingenieurwesen der Hochschule RheinMain folgende Arbeitspakete vor
Arbeitspaket 1 Verwendung von Radardaten zur Simulation von Starkregen Sturzfluten fuumlr kleine Einzugsgebiete (In Zusammenarbeit mit dem DWD)
Arbeitspaket 2 Uumlberpruumlfung und Anpassung von Modellansaumltze zur Ermittlung des abflusswirksamen Niederschlages bei Starkregen
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Arbeitspaket 3 Uumlberpruumlfung und Anpassung der hydraulischen Ansaumltze zur Berechnung des Oberflaumlchenabflusses bei Starkregen Sturzfluten an steilen Haumlngen
Arbeitspaket 4 Instationaumlre 2ndashdimensionale Modellierung des Oberflaumlchenabflusses bei Starkniederschlaumlgen
Arbeitspaket 5 Erarbeitung von Starkregen Gefahrenkarten fuumlr das Land Hessen
Arbeitspaket 6 Modell- Pilotprojekt bdquoUmgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessenldquo
Mit einer verbesserten Methodik zur Erstellung von Starkregen-Gefahrenkarten die hier erarbeitet werden soll kann ein Beitrag zur Risikominderung oder ndashvermeidung infolge von Starkregen geleistet und somit eine Anpassung an den Klimawandel in Hessen optimiert werden
Die Arbeiten der Arbeitsgruppe bdquoStarkregen und Sturzflutenldquo sollen durch Studienarbeiten des Master Studienganges Umweltmanagement und Stadtplanung in Ballungsraumlumen (UMSB) unterstuumltzt werden Die organisatorische Abwicklung innerhalb der Hochschule und die Grundbetreuung sind durch Prof Dr Ernesto Ruiz Rodriguez und Frau BEng Lisa Trost gesichert Eine partnerschaftliche Betreuung durch das HLUG und den DWD ist moumlglich und wird ausdruumlcklich erwuumlnscht
Die benoumltigte Labor- und EDV-Infrastruktur zur Bearbeitung der Arbeitspakete wird vom FB Architektur und Bauingenieurwesen der Hochschule RheinMain bereitgestellt
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2 Arbeitspaket 1 Verwendung von Radardaten zur Simulation von Starkregen Sturzfluten fuumlr kleine Einzugsgebiete
In Anlehnung an das uumlbliche Vorgehen bei der Erstellung von Niederschlags-Abfluss Modellen werden bei allen aktuellen Simulationen von Starkregen stationaumlre statische Regen (gleichmaumlszligige Gebietsuumlberregnung) als Belastung auf das betrachtete Einzugsgebiet verwendet Sofern die Daten einer nahegelegen Niederschlagsstation zur Verfuumlgung stehen kann der Intensitaumltsverlauf waumlhrend des Niederschlagsereignisses beruumlcksichtigt werden Die Einordnung der Auftretenswahrscheinlichkeit des Ereignisses unter Beruumlcksichtigung der Niederschlagsdauer erfolgt meist mit Hilfe der KOSTRA DWD 2000 Auswertung
Befinden sich keine Niederschlagsstationen in der Naumlhe des Einzugsgebietes Ae wird ein Blockregen aus KOSTRA DWD 2000 mit der jeweiligen Regendauer T=(te-ta) und dem entsprechenden Wiederkehrintervall verwendet
Ae
iw T= (te - ta)
stationaumlrer statischer Blockregen iw uumlber dem Einzugsgebiet Ae
Der Intensitaumltsverlauf des Regens die Intensitaumltsverteilung uumlber dem Einzugsgebiet die Zugrichtung und -geschwindigkeit der Regenfront werden allerdings nicht beruumlcksichtigt Lokale Belastungsspitzen die sich aus der Intensitaumltsverteilung in Verbindung mit der Zugrichtung und der Zuggeschwindigkeit ergeben koumlnnen so nicht erfasst werden
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Als Beispiel hierfuumlr wird das Niederschlagsereignis von Freitag dem 11072014 im Teileinzugsgebiet (Rambach) des Salzbaches in der Landeshauptstadt Wiesbaden betrachtet
Die Niederschlagsmenge von 47 mm in einer Stunde (fuumlr das Teileinzugsgebiet des Rambachs mit Ae=21 kmsup2) kann nach KOSTRA DWD (Rasterfeld Wiesbaden) und einer angenommenen Konzentrationszeit von 1 h (Flieszligzeit der Welle in Teileinzugsgebiet) als ein Ereignis mit einem Wiederkehrintervall (WKI) von 100 Jahren einordnen werden
Die Gewitterfront vom 11072014 zog vom Nordosten Richtung Suumldwesten und somit genau in Flieszligrichtung des Rambachs Da die Frontrichtung und wahrscheinlich auch die Frontgeschwindigkeit mit dem Wellenablauf im Rambach
0107
76
124 122114
1 0902 01 01 01 0
0
2
4
6
8
10
12
14
1520 1525 1530 1535 1540 1545 1550 1555 1600 1605 1610 1615 1620
mm
in 5
min
11072014 1520 bis 1620 Uhr
Niederschlag WI AuringenN-Summe 468 mm in 1 h
1284
912
1488 14641368
12 10824 12 12 12
0
20
40
60
80
100
120
140
160
1520 1525 1530 1535 1540 1545 1550 1555 1600 1605 1610 1615 1620
Inte
nsi
taumlt
i [m
mh
]
11072014 1520 bis 1620 Uhr
Niederschlag WI AuringenN-Summe 468 mm in 1 h
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korrespondierten wurden das Wellenvolumen und auch der Wellenscheitel entscheidend vergroumlszligert
Gewaumlssernetz des Teileinzugsgebiets Rambach in der Landeshauptstadt Wiesbaden Zugrichtung der Gewitterfront am 11072014
Dieser fehlende Aspekt in der N-A-Modellierung ist bekannt wird aber aufgrund mangelnder Datengrundlagen oder notwendiger Finanzmittel bei der Simulation selten beruumlcksichtigt Ein Ansatz diese Luumlcke zu fuumlllen ist die Verwendung von Radarniederschlagsdaten
Nachfolgend werden Arbeitsschritte vorgeschlagen die dabei helfen sollen unter der Verwendung von Niederschlagsdaten aus Radaraufzeichnungen die Datengrundlagen fuumlr eine bessere Simulation von Starkregen und Sturzfluten zu verbessern
Im Rahmen der RADOLAN (Routineverfahren zur Online-
Aneichung der Radarniederschlagsdaten mit Hilfe von automatischen
Bodenniederschlagsstationen (Ombrometer)) und RADVOR-OP (Radargestuumltzte zeitnahe Niederschlagsvorhersage fuumlr den
operationellen Einsatz) Projekte des DWD sind Radarprodukte entstanden die geeignet waumlren die Simulation von Starkregen
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Sturzfluten besonders in kleinen Einzugsgebieten entscheidend zu verbessern
Voraussetzung hierfuumlr waumlre aber dass die Radarniederschlagsdaten in einer ausreichenden zeitlichen und raumlumlichen Aufloumlsung und in handhabbarer Form fuumlr die Anwender (Modellierer Ingenieurbuumlros) vorliegen (vgl auch Abschnitt 1)
21 Klaumlrung der Verfuumlgbarkeit von Radarniederschlagsdaten (fuumlr Modellierer Ingenieurbuumlros)
Vorab ist anzumerken dass im Rahmen dieser Projektskizze die Qualitaumlt der vorhandenen Radarniederschlagsdaten die Weiterentwicklung Korrektur (zB Abschattungskorrektur Verfeinerte Z-R-Beziehung etc) und die Verbesserung der Aneichung der Radarbilder nicht diskutiert werden soll
Es wird davon ausgegangen dass die raumlumlichen und zeitlichen Aufloumlsung der Radarniederschlagsdaten bei jetziger bdquoQualitaumltldquo eine deutlich bessere Datengrundlage zur Modellierung darstellen als die bisher verwendeten stationaumlren statischen Niederschlaumlge aus den Niederschlagsstationen oder aus dem KOSTRA DWD-Raster (845 km x 845 km)
Der Deutsche Wetterdienst (DWD) speichert im Rahmen des RADOLAN Projektes seit Juni-2005 bis heute Radaraufzeichnungen und stellt diese in verschiedenen Formaten und zu verschiedenen Konditionen zur Verfuumlgung
Fuumlr die 16 Radarstandorte des DWD stehen jeweils Radarbilder mit einer 5-minuumltigen Aufloumlsung zur Verfuumlgung
Am bekanntesten ist das sog RADOLAN-RW-Kompositprodukt fuumlr die Flaumlche der Bundesrepublik Deutschland (900 km x 900 km)
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RADOLAN RW Kompositprodukt fuumlr die Flaumlchen der Bundesrepublik Deutschlandkomposit (900 km x 900 km) aus [5] 2011
Hierbei handelt es sich um die mit Hilfe der Bodenniederschlagsstationen angeeichten und uumlberlagerten Radarbilder der 16 Radarstationen Dieses Produkt gibt den Niederschlag pro Stunde fuumlr ein Rasterfeld von 1km x 1km an und steht in einer zeitlichen Aufloumlsung von einer Stunde zur Verfuumlgung Die Daten sind frei verfuumlgbar und stehen auf dem FTP-Server des DWD (ftpftp-cdcdwddepubCDC) zur freien Download zur Verfuumlgung Sie liegen im RADOLAN Kompositformat Version 222 vor Dies ist ein Binaumlrformat mit ASCII Header und kann zB mit der Python Skript-Bibliothek bdquowradlibldquo gelesen werden
Auszug aus dem RADOLAN-Kurzbeschreibung (Stand April 2012)
bdquoDas derzeit bestmoumlgliche am schnellsten verfuumlgbare RADOLAN-Ergebnis (RW-Produkt) ist ein angeeichtes RadarndashDeutschlandkomposit mit stuumlndlichen Niederschlagshoumlhen in einer Intensitaumltsaufloumlsung von 01 mm und in einer raumlumlichen Aufloumlsung von einem Quadratkilometer welches zeitnah (innerhalb von 30 Minuten) zur Verfuumlgung stehtldquo
Die RADOLAN-Komposite liegen in polarstereografischer Projektion vor und haben in der Projektion eine aumlquidistante Rasterung von 10 km Das kartesische Koordinatensystem besitzt eine Groumlszlige von 900 km x 900 km (siehe auch [4] [5])
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Eine deutlich bessere zeitliche Aufloumlsung liefert das RADOLAN RY-Komposit Bei gleicher raumlumlicher Aufloumlsung wie das oben beschriebene RW-Komposit besitzt das RY-Komposit in einer zeitlichen Aufloumlsung von 5 Minuten Die Niederschlagshoumlhen werden in 001 mm bereitgestellt
Beide Radar-Komposit-Produkte (RW und RY) sind fuumlr behoumlrdliche Aufgaben im Rahmen des vorbeugenden Hochwasserschutzes der BRD entwickelt und optimiert worden Fuumlr mittlere und groszlige Einzugsgebiete ist die bereit gestellte raumlumliche und zeitliche Aufloumlsung beider Produkte voumlllig ausreichend
Fuumlr kleine Einzugsgebiete (lt 50 kmsup2) stellt die raumlumliche Aufloumlsung von 1km x 1km die bei beiden Komposit-Produkte moumlglich ist eine deutliche Verbesserung gegenuumlber der Dichte der Niederschlagsstationen und der DWD KOSTRA Rasterweite dar
Am Beispiel des Teileinzugsgebietes des Rambach Ae=21 kmsup2 in Wiesbaden erhaumllt man uumlber das Radar-Komposit-Produkt eine deutlich bessere raumlumliche Aufloumlsung der Niederschlagsverteilung als uumlber die einzelnen Niederschlagsstation in WI-Auringen oder WI-Biebrich
Die zeitliche Aufloumlsung von 5 Minuten bietet die Moumlglichkeit die zeitliche Entwicklung und die raumlumlich Verteilung der Niederschlagsintensitaumlt auch fuumlr kleine Einzugsgebieten in ausreichender Qualitaumlt abzubilden
Die Klaumlrung der Anfrage beim DWD (Ansprechpartner Elmar Weigl) ob auch ein bdquoHessen Kompositldquo mit houmlherer raumlumlicher Aufloumlsung denkbar und erhaumlltlich ist steht noch aus
Insgesamt sind die angebotenen Radarniederschlagsdaten Radarprodukte auf die Beduumlrfnisse der aktuellen Nutzer zugeschnitten Die Zugaumlnglichkeit fuumlr Lehre und Forschung ist ausreichend gegeben
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22 Aufwand zur Nutzung und Aufbereitung von Radarniederschlagsdaten fuumlr Modellierer Ingenieurbuumlros
Wie in Abschnitt 1 einfuumlhrend erlaumlutert sind neben einer ausreichenden raumlumlichen und zeitlichen Aufloumlsung
die Kosten fuumlr die Beschaffung der Radarniederschlagsdaten und
der Aufbereitungsaufwand fuumlr die Simulation
fuumlr Modellierer Ingenieurbuumlros entscheidend
Ingenieurbuumlros bearbeiten Projekte aufgrund der Ausschreibungsbedingungen und der starken Konkurrenzsituation in einem sehr engen Finanzrahmen
Die aktuell angebotenen Radarniederschlagsdaten Radarprodukte benoumltigen einen zu groszligen Aufbereitungsaufwand um diese fuumlr die Simulation von Starkregen und Sturzfluten in kleinen Einzugsgebieten zu nutzen
Vor einer Simulation muumlssen die folgenden zwei Schritte abgearbeitet werden
1) Auswahl geeigneter konvektiver Ereignisse fuumlr das Untersuchungsgebiet (Regensammlung)
2) Aufbereitung der 5-minuumltigen Radarniederschlagsdaten fuumlr die gewaumlhlten konvektiven Ereignisse
Auswahl geeigneter konvektiver Ereignisse fuumlr das Untersuchungsgebiet (Regensammlung)
Zur Erinnerung Aktuelle werden die Radarniederschlagsdaten noch nicht genutzt sondern der statischen Regen aus einer benachbarten Niederschlagsstation oder statischen Blockregen aus DWD KOSTRA 2000 entnommen Die Dauer der Modellregen orientiert sich dabei an der Konzentrationszeit Flieszligzeit im Niederschlagsgebiet Um den Aufwand zur Beschaffung Auswahl und Aufbereitung der Niederschlagsdaten von konvektiven Ereignissen einzelner Niederschlagsstationen zu umgehen werden stattdessen die DWD KOSTRA 2000 Blockregen verwendet
Um bei der Auswahl von konvektiven Ereignissen aus Radarniederschlagsdaten den Kostenrahmen fuumlr die Datenbeschaffung gering zu halten erscheint es sinnvoll auf die RADOLAN-RW-Komposit Radarniederschlagsdaten mit einer zeitliche Aufloumlsung von 1 h die auf dem FTP-Server des
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DWD (ftpftp-cdcdwddepubCDC) zum freien kostenlosen Download zur Verfuumlgung stehen zuruumlck zu greifen
Mit folgenden Systemen lassen sich zurzeit die Niederschlagsdaten des RADOLAN RW-Komposits visualisieren
KONRAD webKONRAD - Zugang uumlber das Feuerwehrinformationssystem (FEWIS)
IDLRaBiD 50 - Darstellungsprogramm fuumlr Radarbilder des Deutschen Wetterdienstes
WaWIS (Registrierung uumlber DWD notwendig)
NinJo Lizenz erhaumlltlich uumlber Ernst Basler + Partner GmbH
Python Skript Bibliothek bdquowradlibldquo (Darstellen der einzelnen RW Komposite)
KONRAD bzw webKONRAD ist nur uumlber den Zugang des Feuerwehrinformationssystems (FEWIS) zu erreichen und steht Ingenieurbuumlros nicht zur Verfuumlgung
IDLRaBiD 50 ist eine interne Software des DWD und steht Ingenieurbuumlros nicht zur Verfuumlgung
WaWIS steht nur Behoumlrden zur Verfuumlgung die im Rahmen des Katastrophenschutzes taumltig sind
NinJo 17 kann als Lizenzprodukt erworben werden Auf das Ingenieurbuumlro kaumlmen Lizenz- und Installationskosten welche sich im 5 stelligen Bereich bewegen zu Fuumlr Forschungsinstitutionen fallen die Lizenzkosten weg es verbleiben jedoch Installationskosten von ca 5000 Euro Eine Betrachtung von konvektiven Fronten uumlber mehrere Tage hinweg ist fuumlr ausgesuchte Zeitabschnitte moumlglich
Eine weitere Alternative ist die Nutzung der umfangreichen Phyton-Skript Bibliothek bdquowradlibldquo Hier muss jedes einzelne RW-Komposit eingelesen und visualisiert werden Natuumlrlich wird dies durch geeignete wradlib utility functions (Batch Routinen zur Verarbeitung vieler RW-Komposite) erleichtert Der Gesamtaufwand zur Visualisierung ist dennoch erheblich
Der Einsatz der letzten zwei Alternativen setzt jedoch voraus dass man bestimmte konvektive Ereignisse bereits identifiziert hat Dh die entsprechenden historischen Ereignisse sind bekannt oder es wurden aus den Aufzeichnungen der Bodenniederschlagsstationen bereits Ereignisse ausgewaumlhlt
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Zurzeit gibt es noch kein System welches frei zugaumlnglich ist und die historischen RW RADOLAN-Daten (Juni-2005 bis heute) visualisieren kann
Optimal waumlre es wenn die RW-RADOLAN-1h-Komposite jahresweise in einem Video mit Datum Kartenhintergrund und N-Intensitaumltsskala vor- und ruumlckspulbar betrachtet werden koumlnnten Auf diese Weise waumlre es moumlglich maszliggebende konvektive Ereignisse Szenarien (Regensammlung mit verschiedenen Niederschlagsdauern und verschiedenen Niederschlagsmengen) zur Simulation leichter zu identifizieren (vgl auch Abschnitt 7)
Arbeitsziel unterstuumltzt durch Studienarbeit Entwurf und Umsetzung eines Werkzeugs zur Visualisierung der archivierten und aktuellen Radarniederschlagsdaten (DWD-RADOLAN-RW-Komposit)
Aufbereitung der 5 minuumltigen Radarniederschlagsdaten fuumlr die gewaumlhlten konvektiven Ereignisse
Sind die konvektiven Ereignisse Szenarien zur Simulation identifiziert muumlssen deren Radarniederschlagsdaten je nach Anforderung des verwendeten Simulationsmodells aufbereitet werden
Alle Simulationsmodelle nutzen fuumlr die Eingabeaufbereitung und Ergebnispraumlsentation GIS-Oberflaumlchen So lassen sich Simulationsergebnisse mit anderen Datengrundlagen (Amtliches Liegenschaftskatasterinformationssystem ALKIS Bodeninformationen Luftbilder Nutzung etc) verschneiden und fachlich interpretieren (zB Erstellung von Starregen Gefahrenkarten) Oftmals werden die Simulationsmodelle als aufgesetzte bdquoFachschaltenldquo zu GIS-Systemen realisiert
Diese Tatsache macht es unumgaumlnglich die Komposit-Radarniederschlagsdaten auf ein GIS-System kompatibles Format mit geeigneter Projektion (zB Gauszlig-Kruumlger- oder UTM-Projektion) zu uumlberfuumlhren
Die fuumlr die DWD ndashRADOLAN-RW-Komposit-Radarniederschlagsdaten verwendete polarstereographische Projektion (siehe [5]) ist fuumlr die derzeitigen Anwendungen geeignet Man betrachtet und beurteilt groszligraumlumige Wetterlagen uumlber Staats- Bundeslandgrenzen hinweg
Fuumlr eine Simulation von kleinraumlumigen Starkregenereignissen und eine fachliche Verschneidung der Simulationsergebnisse mit weiteren Daten eignet sich die polarstereographische Projektion jedoch nicht
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In [33 Kapitel 5] werden die Probleme beim Georeferenzieren der DWD-RADOLAN-Komposite ausfuumlhrlich erlaumlutert
Arbeitsziel unterstuumltzt durch Studienarbeiten Entwurf und Umsetzung eines Werkzeugs zur Transformation und Projektion der DWD-RADOLAN-RW und RY-Komposit-Radarniederschlagsdaten in Gauszlig-Kruumlger undoder UTM-Projektion
Innerhalb des HLUG sollte eine Diskussion zur Festlegung einheitlicher Projektionen fuumlr kuumlnftige wasserwirtschaftliche Projekte im Land Hessen stattfinden
Waumlhrend die in Gauszlig-Kruumlger- oder UTM transformierten Radarniederschlagsdaten in einem Raster von ca 1km x 1km vorliegen koumlnnen die Simulationsmodelle (vgl Abschnitt 0) je nach gewaumlhlten Randbedingungen deutlich kleinere Rasterweiten (zB 5m x 5 m bis 100 m x 100m) verwenden
Fuumlr eine Simulation muss ein gemeinsames Rasters definiert und alle Datengrundlagen in dieses Raster uumlberfuumlhrt werden
Uumlberlagerung eines Transformierten RADOLAN Raster mit Gauszlig-Kruumlger oder UTM Raster
Gauszlig-Kruumlger oder UTM transformiertes RADOLAN Raster (schiefes Veireck 950x950 m)
zur Simulation verwendetes Raster
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Arbeitsziel unterstuumltzt durch Studienarbeit Entwurf und Umsetzung eines GIS Werkzeugs zur Aufbereitung der DWD-RADOLAN-Komposit-Raster zur Simulation von Starkregen in kleinen Einzugsgebieten
23 Auswertung der RADOLAN Radarniederschlagsdaten des DWD
Wie in Abschnitt 2 erlaumlutert koumlnnen die Zugrichtung und die Zuggeschwindigkeit einer konvektiven Starkregenfront Starkregenzelle die Einwirkungsintensitaumlt in einem Niederschlagseinzugsgebiet entscheidend beeinflussen Die Abmessungen der Starkregenfront Starkregenzelle in Verbindung mit der Zuggeschwindigkeit sowie die Regendauer koumlnnen im unguumlnstigen Fall mit der Konzentrationszeit im Niederschlagseinzugsgebiet zusammenfallen und zu einer entscheidenden Verschaumlrfung des Wellenscheitels fuumlhren
Unter der Voraussetzung dass die in Abschnitt 22 beschriebenen Werkzeuge erstellt worden sind sollen nun mit deren Hilfe die historischen RADOLAN Radarniederschlagsdaten ausgewertet werden
Identifizieren von Starkregenfronten Starkregenzellen Hierfuumlr sind Identifikationskriterien zu erarbeiten
Einordnung des Wiederkehrintervalls der Starkregenfront Starkregenzelle (Dauer und Niederschlagsmenge) mit Hilfe der DWD KOSTRA2000-Auswertung
Identifikation und Digitalisierung des Intensitaumltsschwerpunktes der jeweiligen Starkregenfront
Zeitliche Entwicklung der Intensitaumltsverteilung innerhalb der Starkregenfront
Fuumlr jede identifizierte Starkregenfront Starkregenzelle sollen in Abhaumlngigkeit der JahreszeitWetterlage folgende Parameter ermittelt und statistisch ausgewertet werden
Digitalisierung der Abmessungen (Laumlngenausdehnung Breitenausdehnung) und der Form (Laumlngen-Breitenverhaumlltnis oder Flaumlche-Umfangverhaumlltnis)
Digitalisierung der Zugrichtung (Zugbahn Zugtrajektorie) und Zuggeschwindigkeit (im Schwerpunkt der Intensitaumlt)
Darstellung der Abmessungen der Zugrichtungen und Zugbahnen in Karten und Uumlberlagerung mit dem digitalen Gelaumlndemodell
Auf diese Weise koumlnnen eventuell Starkregenschwerpunkte (-regionen) in Hessen identifiziert und in Karten dargestellt werden
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Arbeitsziel unterstuumltzt durch Studienarbeit(en) Auswertung historischer RADOLAN Radarniederschlagsdaten des DWD
24 Praxisseminar Kolloquium bdquoVerwendung von Radardaten zur Simulation von Starkregen Sturzfluten in Hessenldquo
In Zusammenarbeit mit dem Wissenschaftsforum Umwelt und der Weiterbildungsplattform NATURUMWELTTECHNIK (NUT) der Hochschule RheinMain sollen in einem 1-taumlgigen Praxisseminar die Moumlglichkeiten zur Nutzung von Radarniederschlagsdaten zur Simulation von Starkregen Sturzfluten vorgestellt werden
Zielgruppe Ingenieurhydrologen Hydrologen Ingenieurbuumlros (Modellierer) und andere am Thema Interessierten
Die Organisation uumlbernimmt die Weiterbildungsplattform NUT der Hochschule RheinMain Die fachliche Koordination ist durch Prof Dr Ernesto Ruiz Rodriguez und Frau BEng Lisa Trost gesichert Eine partnerschaftliche Koordination durch das HLUG und den DWD ist moumlglich und wird ausdruumlcklich erwuumlnscht
3 Arbeitspaket 2 Uumlberpruumlfung und Anpassung von Modellansaumltze zur Ermittlung des abflusswirksamen Niederschlages bei Starkregen
Unter dem abflusswirksamen (effektiven) Niederschlag versteht man den Anteil des Niederschlages der in einem Einzugsgebiet unmittelbar nach dem Niederschlagsereignis als Direktabfluss wirksam wird
Zu Beginn des Niederschlagsereignisses sind die Verluste idR besonders groszlig (Benetzung der der Vegetationsdecke und Muldenverluste) Bei Starkregen werden diese Speicherraumlume jedoch schnell gefuumlllt und die hohen Niederschlagsintensitaumlten uumlbersteigen oft die Infiltrationsfaumlhigkeit des Bodens und es kommt zum Oberflaumlchenabfluss (vgl auch Abschnitt 4)
Insofern spielt besonders bei Starkregen der Anteil an abflusswirksamen Oberflaumlchenabfluss eine entscheidende Rolle Dieser bildet gemeinsam mit dem oberflaumlchennahen Interflow in der belebten Bodenzone den Hauptanteil am sog abflusswirksamen Niederschlag
Der in der Ingenieurhydrologie am haumlufigsten verwendete Modellansatz zur Ermittlung des abflusswirksamen Niederschlags ist der Ansatz des Abflussbeiwertes Er wird sowohl in der Urbanhydrologie (Kanalnetzberechnung) als auch
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bei der Modellierung von Niederschlags-Abfluss-Prozessen (NA-Modellierung) auf natuumlrlichen Flaumlchen eingesetzt
Abflussbeiwert-Ansaumltze
)()()(
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)(
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tititi
titi
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ti
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w
w
Ψ ndash Abflussbeiwert [-]
i(t) ndash Niederschlagsintensitaumlt [mmh]
iw(t) ndash wirksame Niederschlagsintensitaumlt [mmh]
a) konstanter Abflussbeiwert Ψ
b) Konstanter Abflussbeiwert Ψ mit Anfangsverlust hva
Der Anfangsverlust hva wird durch die Mulden- und Benetzungsverluste begruumlndet
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c) Zeitvarianter Abflussbeiwert Ψ mit oder ohne Anfangsverlust hva
In der Urbanhydrologie wird der konstante Abflussbeiwert Ψ ohne Anfangsverlust hva bei der NA-Modellierung kommt fast immer der konstante Abflussbeiwert Ψ mit Anfangsverlust hva zum Einsatz
Liegen Niederschlags- und Abflussaufzeichnungen des Direktabflusses QD(t) vor und ist der Verlauf des Basisabflusses QB(t) bekannt so kann der Abflussbeiwert Ψ aus der Volumen-Massenbilanz ermittelt werden Der Anfangsverlust hva wird in der Regel mit 3 bis 4 mm Niederschlagshoumlhe geschaumltzt Der gefallene effektive Niederschlag iw(t)=Ψ i(t) findet sich im Direktabfluss QD(t) oberhalb des Basisabflusses QB(t)
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Liegen keine Niederschlags undoder Pegelaufzeichnungen vor wird in der Ingenieurpraxis der Abflussbeiwert mit Hilfe oder im Anlehnung an das SCS Verfahrens (US Soil Conversation Service der USA) ermittelt Diese Verfahren wird ua in der
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DVWK-Regel 113 beschrieben Das SCS-Verfahren unterscheidet folgende Bodentypen
Bodentyp A Boumlden mit groszligem Versickerungsvermoumlgen auch nach starker Vorbefeuchtung zB tiefe Sand- und Kiesboumlden
Bodentyp B Boumlden mit mittlerem Versickerungsvermoumlgen tiefe bis maumlszligig tiefe Boumlden mit maumlszligig feiner bis maumlszligig grober Textur zB mitteltiefe Sandboumlden Loumlszlig (schwach) lehmiger Sand
Bodentyp C Boumlden mit geringem Versickerungsvermoumlgen Boumlden mit feiner bis maumlszligig feiner Textur oder mit wasserstauender Schicht zB flache Sandboumlden sandiger Lehm
Bodentyp D Boumlden mit sehr geringem Versickerungsvermoumlgen Ton Boumlden sehr flache Boumlden uumlber nahezu undurchlaumlssigem Material Boumlden mit dauernd sehr hohem Grundwasserspiegel
BodennutzungBodentyp A B C D
Oumldland (ohne nenneswerten Bewuchs) 77 86 91 94
Hackfruumlchte Wein 70 80 87 90
Wein (Terrassen) 64 73 79 82
Getreide Futterpflanzen 64 76 84 88
Weide (normal) 49 69 79 84
Weide (kark) 68 79 86 89
Dauerwiese 30 58 71 78
Wald (stark aufgelockert) 45 66 77 83
Wald (mittel aufgelockert) 36 60 73 79
Wald (dicht) 25 55 70 77
undurchlaumlssige bzw versiegelte Flaumlchen 100 100 100 100
CN-Beiwert des SCS-Verfahrens
In Abhaumlngigkeit der Bodennutzung und des Bodentyps wird fuumlr das Niederschlagseinzugsgebiet ein flaumlchengewichteter CN-Beiwert ermittelt und der effektive Niederschlag hNE berechnet
4258800425
22004252
NN
NNNe
Ch
Chh
N
Ne
h
h
Das Originalverfahren hat Schwaumlchen und wurde mehrfach modifiziert (zB nach Oslashverland Zaiszlig und Lutz) Dabei wurde versucht den Einfluss der aktuellen Bodenfeuchte des Bodens besser zu beruumlcksichtigen Je nach Bodentyp kann diese einen groszligen Einfluss auf den effektiven Niederschlag (vgl auch Abschnitt 41) haben
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Alle diese Ansaumltze beruumlcksichtigen nicht die bei Starkregen beobachteten und in [17] beschriebenen Effekte der Bodenluftkompression die die Infiltrationsfaumlhigkeit des Porenraumes bei hohen Niederschlagsintensitaumlten mindert und somit den Anteil des Oberflaumlchenabflusses erhoumlht
Arbeitsziel unterstuumltzt durch Studienarbeit Uumlberpruumlfung und Anpassung der Modelansaumltze zur Ermittlung des abflusswirksamen Niederschlages bei Starkniederschlaumlgen unter besonderer Beruumlcksichtigung von Bodenfeuchte und Bodenluftkompressionseffekten
Die Verwendung der Radarniederschlagsdaten macht es moumlglich die zeitliche und raumlumliche Niederschlagsverteilung im Einzugsgebiet zu betrachten Da die Niederschlagsintensitaumlten und -mengen im Einzugsgebiet variieren werden sich demzufolge raumlumlich verteilte Abflussbeiwerte ergeben Die oben beschriebenen Ansaumltze zur Ermittlung des abflusswirksamen Oberflaumlchenabflusses muumlssen daraufhin angepasst und ggf weiterentwickelt werden
Arbeitsziel unterstuumltzt durch Studienarbeit Uumlberpruumlfung und Anpassung der Modelansaumltze zur Ermittlung des abflusswirksamen Niederschlages bei raumlumlich und zeitlich sich veraumlndernden Starkniederschlaumlgen
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4 Arbeitspaket 3 Uumlberpruumlfung und Anpassung der hydraulischen Ansaumltze zur Berechnung des Oberflaumlchenabflusses bei Starkregen Sturzfluten an steilen Haumlngen
Beim Oberflaumlchenabfluss muss zwischen dem klassischen Oberflaumlchenabfluss nach Horton (1933) und dem Saumlttigungsoberflaumlchenabfluss unterschieden werden
Der Oberflaumlchenabfluss nach Horton entsteht durch einen Infiltrationsuumlberschuss Die Niederschlagsintensitaumlt ist houmlher als die Infiltrationskapazitaumlt der Boumlden und das nicht infiltrierte Niederschlagswasser flieszligt dann in Fallrichtung auf der Hangoberflaumlche ab
Der Saumlttigungsoberflaumlchenabfluss setzt dann ein wenn der Boden seine maximale Wassersaumlttigung erreicht hat dh das Porenvolumen vollstaumlndig mit Wasser gesaumlttigt ist Bei diesem Abfluss tritt haumlufig Wasser aus einem vergangenen Ereignis wieder aus dem Boden aus (Exfiltration) und vermischt sich mit dem Niederschlag des aktuellen Ereignisses
Im Folgenden wird zunaumlchst nur die Einphasenstroumlmung des Oberflaumlchenwassers betrachtet der Bewegungsbeginn und der Transport von Teilen der Bodenmatrix (Erosion) werden nicht analysiert Der Massentransport koumlnnte nachdem die Bewegungsgleichungen der Einphasenstroumlmung in steilen Haumlngen verifiziert oder korrigiert wurden in spaumlteren Arbeitsschritten betrachtet werden
Fuumlr die Simulation des Oberflaumlchenabflusses an Steilhaumlngen werden aktuell dieselben Ansaumltze verwendet wie zur Berechnung des Oberflaumlchenabflusses auf flachen Uumlberflutungsflaumlchen in Gewaumlssern und auf Auen Die dabei erzielten Ergebnisse scheinen so plausibel sodass die verwendeten Modelle bislang noch nicht hinterfragt wurden Und das obwohl die geometrischen und hydraulischen Randbedingungen an steilen Hanglagen sich von denen auf flachen Uumlberflutungsflaumlchen stark unterscheiden
In diesem Zusammenhang verglich beispielsweise Herr Dipl-Ing Klaus Schmalzl des Wasserwirtschaftsamtes Rosenheim in seinem Vortrag bdquoSturzfluten hydrodynamisch numerisch mit HYDRO_AS-2D berechnenldquo [38] den er im Rahmen des Treffens der Anwender des 2D-Hydrodynamik-Programms HYDRO_AS-2D der Fa Hydrotec am 11Okt 2014 in Muumlnchen hielt das Programm HYDRO_AS-2D welches eigentlich fuumlr die 2-Dimensionale Simulation in Gewaumlssern entwickelt worden ist mit einem bdquoSchweizer Messerldquo welches als Symbol fuumlr einen vielseitigen Einsatz steht
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In Kongress INTERPRAEVENT 2012 in Grenoble [25] wurde bdquoEin neuer Ansatz zur Modellierung von Oberflaumlchenabflussldquo vorgestellt In der Zusammenfassung
bdquoOberflaumlchenabfluss wird als der Teil des Niederschlags verstanden welcher einem Vorfluter uumlber die Bodenoberflaumlche unmittelbar zufliesst Auswertungen von Unwetterereignissen in den letzten Jahren in der Schweiz haben gezeigt dass bis zu 50 der durch Wassergefahren verursachten Schadenfaumllle durch Oberflaumlchenabfluss verursacht worden sind Dennoch ist Oberflaumlchenabfluss in der Schweiz kaum in den Gefahrenkartierungsprozess integriert Um diese Luumlcke zu fuumlllen wurde auf der Basis der Software FloodArea eine Methode entwickelt welche eine Modellierung von Oberflaumlchenabfluss mit einheitlichen Kriterien uumlber grosse Gebiete erlaubt In dieser Studie werden die Methodenentwicklung und zwei Fallstudien vorgestellt Die Resultate zeigen dass an den Raumlndern von Siedlungsflaumlchen und im Landwirtschaftsland gute Ergebnisse erzielt werden Potenziell gefaumlhrdete Gebaumlude oder Bauparzellen werden erkannt Innerhalb von Siedlungsgebieten sind die Differenzen zu realen Ereignissen groumlsser Daher liegt der Fokus von Folgearbeiten auf einer weiteren Verbesserung der Genauigkeit des Gelaumlndemodells und der Integration von zusaumltzlichen Strukturen (zB Kleinbauten) welche Fliesswege entscheidend beeinflussen koumlnnenldquo aus [25]
wird auf die Software FloodArea der Fa Geomer Heidelberg verwiesen
FloodArea und auch HYDRO_AS-2D sind Beispiele von in der Praxis verwendeten Programmen zur Berechnung von Wasserspiegellagen in Gewaumlssern und zur 2-D Uumlberflutungssimulation auf Auen Wie das nachfolgende Bild zeigt sind die mit FloodArea erzielten Simulationsergebnisse plausibel
Oberflaumlchenabflussmodellierung in Busswil (Kanton Bern Schweiz) aus [25]
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Der Verfasser dieser Projektskizze selbst hat in Zusammenarbeit mit der Fa Geomer in Heidelberg die hydraulischen Kernroutinen fuumlr das Programm FloodArea entwickelt und ist daher in der Lage deren Einsatzgrenzen gut beurteilen zu koumlnnen
41 Korrektur der Flieszligformeln zur Simulation des Oberflaumlchenabflusses an steilen Haumlngen
Die nachfolgende Tabelle zeigt die unterschiedlichen Auspraumlgungen von wichtigen hydraulischen und geometrischen Randbedingungen fuumlr den steilen Oberflaumlchenabfluss und fuumlr die Wasserausbreitung auf den vergleichsweise flachen Gewaumlsserauen
Parameter Auspraumlgung
Gewaumlsser und Aue Steile Hanglage
Gefaumllle klein permil bis 10
groszlig 5 bis uumlber 100
Wassertiefe groszlig Dezimeter bis mehrere Meter
klein Duumlnnfilmabfluss bis Dezimeter
Betrachten wir zunaumlchst ein Fluidelement 119889119909 times ℎ times 119880 auf einer steilen Hangflaumlche mit dem Hangneigungswinkel β und formulieren in x- Richtung das Kraumlftegleichgewicht zwischen der hangabwaumlrts treibenden Kraft
119866 times sin 120573 = 119889119909 times ℎ times 119880 times 120588 times 119892 times sin 120573 und der Hangreibungskraft T
119879 = 120591 times 119880 times 119889119909 Man erhaumllt so den bekannten Ansatz fuumlr die Schleppspannung
120591 auf einer Hangflaumlche
120591 = 120588 times 119892 times119860
119880times sin 120573 [
119873
1198982]
dx
Q
vdx cosszlig
h
G
G sinszlig
T
U
Ah
szlig
x
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Mit dem in der turbulenten Hydraulik uumlblich verwendeten Ansatz
120591 =120582
81199072 [
119873
1198982]
ergibt sich die Flieszligformel fuumlr den Oberflaumlchenabfluss
119907 =1
radic120582times radic8 times 119892 times
119860
119880times 119904119894119899 120573 [
119898
119904]
mit
v - mittl Flieszliggeschwindigkeit [ms]
1
radic120582 - Reibungskoeffizient [-]
g - Erdbeschleunigung [mssup2]
A - Abflussquerschnitt [msup2]
U - benetzte Sohle [m]
β - Hangneigungswinkel [Grad]
Da in der Flusshydraulik die Neigungswinkel der Gewaumlssersohlen deutlich kleiner sind als die Neigungswinkel steiler Hanglagen werden die Flieszligformeln vereinfach
119907 =1
radic120582times radic8 times 119892 times
119860
119880times 119868119864
Anstelle des 119904119894119899 120573 wird das Gefaumllle IE verwendet Dh
119904119894119899 120573 = 120573 oder 119904119894119899 120573 = 119905119886119899 120573 = 119868119864
mit
IE - Sohlgefaumllle [minuspermil]
Fuumlr Gefaumllle bis 20 oder 113 Grad Neigung ist diese Vereinfachung vertretbar und liefert gute Ergebnisse Ab Neigungen groumlszliger 20 darf diese Vereinfachung nicht mehr angesetzt werden Bei einer Hangneigung mit 45 Grad oder IE=1=100 Gefaumllle weichen die Ergebnisse fuumlr die Flieszliggeschwindigkeit um 16 ab
radic1 = 1 radic119904119894119899 45 = 07071 = 084 119865119890ℎ119897119890119903 =1minus084
1times 100 = 16
Bei aktuellen Simulationen werden diese Fehler manchmal auch aus Unkenntnis hingenommen oder mit Hilfe des Reibungskoeffizienten der Oberflaumlchen versucht zu korrigieren
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42 Versuchseinrichtung zur Uumlberpruumlfung und Anpassung der Flieszligformeln zur Simulation des Oberflaumlchenabflusses an steilen Haumlngen
Auf dem Gelaumlnde des Wasserbaulaboratoriums der Hochschule RheinMain soll im naumlchsten Sommersemester 2015 eine Versuchseinrichtung zur Simulation von Oberflaumlchenabfluss auf Hanglagen bis 45deg (11 100) errichtet werden
Es soll eine kippbare Versuchsrinne mit einer Breite von 10 m einer Houmlhe von 026 m und einer Laumlnge von 63 m errichtet werden (vgl auch Anlage 1) Zur vertikalen Regensimulation soll uumlber der Versuchsrinne eine Beregnungsanlage mit schwenkbaren Duumlsen angebracht werden
Kipprinne zur Simulation von Oberflaumlchenabfluumlssen an steilen Haumlngen vgl Anlage 1
In einer ersten Phase sollen die in Abschnitt 41 diskutierten hydraulischen Ansaumltze in Versuchen verifiziert werden Hierbei gilt es besonders zu uumlberpruumlfen ob bei sehr kleinen Abflusstiefen (Duumlnnfilmabfluss) die Oberflaumlchenspannung der Wassers bei den Bewegungsgleichungen von Bedeutung ist
Fuumlr die Versuchsreihen koumlnnen die Beregnungslaumlnge die Niederschlagsintensitaumlt und der Neigungswinkel der Versuchsrinne variiert werden
Arbeitsziel unterstuumltzt durch Studienarbeit Uumlberpruumlfung und Anpassung der Flieszligformeln zur Simulation des Oberflaumlchenabflusses an steilen Haumlngen
In einer spaumlteren Versuchsphase soll SohlsubstratBoden eingebracht werden um mit oder ohne kuumlnstlichen Bewuchsstrukturen verschiedene Hangrauheiten simulieren zu koumlnnen Dies soll zur Klaumlrung des Erosionsbeginns der Bodenmatrix beitragen
1000 cm
260 cm
Sohlsubstrat zur Aufnahmevon kuumlnstlichen Bewuchsstrukturen
Beregnungsanlage mit schwenkbaren Duumlsen zurvertikalen Regensimulation
Wasserkoumlrper desOberflaumlchenabflusses
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5 Arbeitspaket 4 Instationaumlre 2ndashdimensionale Modellierung des Oberflaumlchenabflusses bei Starkniederschlaumlgen
Um dem Programmieraufwand im Rahmen des Projektes so gering wie moumlglich zu halten wird vorgeschlagen das Programm Floodarea der Fa Geomer Heidelberg welches sich bisher in der Praxis bewaumlhrt hat als Basis fuumlr die Simulationen zu verwenden FloodArea ist ein vollstaumlndig in ArcGISreg integriertes 2D-Modell zur Berechnung von Uumlberschwemmungsflaumlchen Wie in Abschnitt 4 bereits erwaumlhnt war der Verfasser dieser Skizze in die Erarbeitung der hydraulischen Kernroutinen dieser Software involviert und kann insofern ihre Einsatz- und Anpassungsmoumlglichkeiten sehr gut abschaumltzen Eine Abstimmung mit Herrn Dr Assmann von der Fa Geomer erfolgte vor dem Verfassen dieser Projektskizze
Folgende Anpassungen bzw Erweiterungen des Programms sollen realisiert werden
Schnittstelle zu den DWD-Radarniederschlagsdaten um die 5-minuumltigen RADOLAN RY-Komposite fuumlr eine instationaumlre 2-dimensionale Modellierung des Oberflaumlchenabflusses verwenden zu koumlnnen(vgl Abschnitt 2)
Einarbeitung der angepassten und erweiterten Ansaumltze zur Ermittlung des abflusswirksamen Niederschlages bei Starkregen
Einarbeitung der uumlberarbeiteten hydraulischen Ansaumltze fuumlr den Oberflaumlchenabfluss in steilen Hanglagen
Fuumlr die in Abschnitt 7 vorgeschlagenen Pilot-Einzugsgebiete sollen fuumlr ausgesuchte Starkregenereignisse (Regensammlung vgl Abschnitt 22) Simulationen des Oberflaumlchenabflusses durchgefuumlhrt werden
Die Ergebnisse dieser Simulationen sollen die hydraulische Grundlage fuumlr die in Abschnitt 6 beschriebenen Starkregen-Gefahrenkarten bilden
Folgende Datengrundlagen sind in die Simulationen des Oberflaumlchenabflusses zu intergrieren
Radarniederschlagsdaten (vgl Abschnitt 2)
ein hoch aufgeloumlstes digitales Gelaumlndemodell aus Laserscandaten Bereits durchgefuumlhrte Simulationen des Landes Baden Wuumlrttemberg im Einzugsgebiet der Starzel und [25] zeigen dass der Einfluss von Kleinstrukturen und Hindernissen (Mauern Graumlben Strassendammprofile) auf den Verlauf des Abflussgeschehens einen groszligen Einfluss haben koumlnnen
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Diese Kleinstrukturen werden allerdings durch das digitale Gelaumlndemodell nicht immer vollstaumlndig abgebildet Ggf muumlssen die Kleinstrukturen nachdigitalisiert werden um das digitale Gelaumlndemodell bdquohydraulischldquo zu vervollstaumlndigen
Gewaumlssernetz
Nutzungsmodell (zB ATKIS ALKIS CORINE LAND COVER) ggf mit Luftbildaufnahmen zur Verifizierung und Praumlzisierung der Nutzung und zur Ermittlung der Bearbeitungsrichtung bei landwirtschaftlichen Flaumlchen Hydraulisch nicht aktive Gebaumludeflaumlchen muumlssen bdquomarkiertldquo werden damit die Simulation an einer moumlglichst reellen Oberflaumlchengeometrie durchgefuumlhrt werden kann
Bodenkarte
Informationen uumlber die Bodenfeuchte oder Betrachtung der Regenmengen in den letzten 30 Tagen
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6 Arbeitspaket 5 Erarbeitung von Starkregen Gefahrenkarten fuumlr das Land Hessen
Wie im einfuumlhrenden Abschnitt 1 erlaumlutert muumlssen aufgrund der zu kurzen Vorwarnzeiten in kleinen Einzugsgebieten die Flaumlchen- und Bauvorsorge intensiviert werden um Schaumlden durch Starkregen und Sturzfluten mindern zu koumlnnen Die dazu notwendigen Informationen uumlber die in dieser Hinsicht gefaumlhrdeten Flaumlchen und deren Nutzung muumlssen bei der angepassten kommunalen Planung beruumlcksichtigt werden Flaumlchennutzungs- und Bebauungsplaumlne sind auf die topographischen Gegebenheiten und auf die Abflusseigenschaften des Gebietes bei Starkregen abzustimmen
Starkregen Hinweis- oder Starkregen Gefahrenkarten koumlnnen als Ergaumlnzung zu den mittlerweile bundesweit eingefuumlhrten Hochwassergefahrenkarten diese Informationen bereitstellen
Die im Folgenden verwendeten Begriffe
Starkregen-Hinweiskarte
Starkregen-Gefahrenkarten oder Flieszligpfadkarten
sind vorlaumlufige Benennungen Wie auch bei den Hochwassergefahrenkarten muss die LAWA fuumlr eine bundesweit einheitliche Benennung Sorge tragen
Aus der Sicht der Verfasser wird ein zweistufiges Vorgehen empfohlen
1 Identifikation der potentiell gefaumlhrdeten Hangflaumlchen und die Erstellung von Starkregen Hinweiskarten
2 Simulation des Oberflaumlchenabflusses der potentiell gefaumlhrdeten Flaumlchen und Erstellung von Starkregen Gefahrenkarten oder Flieszligpfadkarten
Eine flaumlchendeckende Simulation des Oberflaumlchenabflusses im betrachteten Projektraum sollte aufgrund der dabei entstehenden Projekt- bzw Ingenieurkosten uumlberdacht werden
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(Stufe 1) Identifikation der potentiell gefaumlhrdeten Hangflaumlchen und die Erstellung von Starkregen Hinweiskarten
Es wird vorgeschlagen in einem ersten Schritt den betrachteten Projektraum flaumlchendeckend auf potentiell gefaumlhrdete Hangflaumlchen zu untersuchen
Dazu sollen die Gelaumlndeneigung die Bodennutzung sowie die Lage der steilen Hangflaumlchen zu den schadensempfindlichen Flaumlchen (zB Siedlungsgebiete) fachlich miteinander verknuumlpft werden
Beispielsweise lassen sich auf Grundlage der folgenden fachlich begruumlndeten Matrix mit Hilfe der GIS Werkzeuge die potentiell gefaumlhrdeten Hangflaumlchen leicht identifizieren
Gruumlnland Ackerland
Gelaumlndenutzung Gelaumlndeneigung
Be
arb
eitu
ng
que
r zur
Fallr
ich
tun
g
Be
arb
eitu
ng
in
Fallr
ich
tun
g
kleiner 5 nicht
gefaumlhrdet wenig
gefaumlhrdet
5 bis 10 maumlszligig
gefaumlhrdet
10 bis 20 maumlszligig
gefaumlhrdet
groszliger 20 stark
gefaumlhrdet sehr stark gefaumlhrdet
sehr stark gefaumlhrdet
Liegen unterhalb stark oder maumlszligig gefaumlhrdeter Flaumlchen Siedlungsgebiete oder sind in den gefaumlhrdeten Flaumlchen Siedlungsentwicklungen geplant ist eine detaillierte Untersuchung des Oberflaumlchenabflusses erforderlich (Stufe 2)
Die bislang verwendeten Kriterien zur Einschaumltzung den potentiell betroffenen Flaumlchen sollten uumlberpruumlft und weiterentwickelt werden
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Beispiel fuumlr eine Starkregen-Hinweiskarte Stadt Nidderau
(Stufe 2) Simulation des Oberflaumlchenabflusses der potentiell gefaumlhrdeten Flaumlchen und Erstellung von Starkregen Gefahrenkarten oder Flieszligpfadkarten
Fuumlr die in Stufe 1 identifizierten gefaumlhrdeten Flaumlchen ist in der zweiten Stufe der Oberflaumlchenabfluss zu simulieren Je nach Groumlszlige des zu betrachtenden Niederschlagseinzugsgebietes oberhalb der gefaumlhrdeten Siedlungsflaumlchen und Infrastrukturen muumlssen aus der Regensammlung (vgl Abschnitt 22) konvektive Ereignisse geeigneter Dauer ausgewaumlhlt werden
Aus der instationaumlren 2D-Simulation erhaumllt man fuumlr definierte Zeitpunkte nach dem Beginn des Niederschlages folgende fuumlr das gewaumlhlte Berechnungsraster raumlumlich aufgeloumlste hydraulisch relevante Grundinformationen
Ist die Flaumlche benetzt (janein)
Wasserstand (bdquoUumlberflutungshoumlheldquo) auf der Flaumlche
Flieszligrichtung und Flieszliggeschwindigkeit auf der Flaumlche
Diese hydraulischen Grundinformationen muumlssen aufbereitet fachlich interpretiert und auf geeignete Weise dargestellt werden
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Letztlich geht es darum die Frage zu klaumlren welche Fachinformationen eine Starkregen-Gefahrenkarte beinhalten sollte
Aus der Sicht der Verfasser sollten in den Gefahrenkarten folgende hydraulische Informationen enthalten sein
Abflussrinnen und Flieszligpfade auf den Hangflaumlchen (Vervollstaumlndigung des Gewaumlssernetzes gegen Flieszligrichtung vgl auch Bild Abschnitt 4 Seite 21)
Starkregen-Gefahrenkarte mit Flieszligpfaden und Flieszligrichtung aus BWK [1]
Wassertiefenentwicklung entlang der Flieszligpfade
Flieszliggeschwindigkeiten entlang der Flieszligpfade
Diese Fachinformationen sollten zusammen mit einem fuumlr den Nutzer geeigneten Kartenhintergrund (Luftbildaufnahmen ALK topographische Karte etc) visualisiert werden
Im Rahmen der Bearbeitung der vorgeschlagenen Pilot-Einzugsgebiete (siehe Abschnitt 7) sind geeignete Inhalte und Darstellungsmoumlglichkeiten fuumlr Starkregen-Gefahrenkarten zu entwickeln
Wie auch bei den Hochwassergefahrenkarten sollte die LAWA fuumlr bundesweit einheitliche Standards der Starkregen-Gefahrenkarten Sorge tragen
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7 Arbeitspaket 6 Modell- Pilotprojekt bdquoUmgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessenldquo
In einem letzten Arbeitsabschnitt sollen anhand ausgesuchter Einzugsgebiete mit Hilfe des in Abschnitt 6 vorgeschlagenen Vorgehens Starkregen-Hinweiskarten und Starkregen-Gefahrenkarten erstellt werden
Die Verwendung von Niederschlagsdaten aus Radarbeobachtungen (vgl Abschnitt 1) und der Einsatz des verbesserten Simulationsmodells (vgl Abschnitte 3 und 4) werden gegenuumlber der heutigen Praxis bessere fachliche Informationen zur Bewaumlltigung von Starkregen-Gefahrenlagen bereitstellen koumlnnen
Folgende Pilot-Einzugsgebiete in hessischen Rheingau werden zur Auswahl gestellt
Walluf (AE=281 kmsup2) Die Walluf besitzt einen Pegel (Martinsthal AE=245 kmsup2 36 km oberhalb der Muumlndung) im Einzugsgebiet An der Hochschule RheinMain steht ein Niederschlags-Abfluss Modell der Walluf zur Verfuumlgung
Erbbach Kisselbach (AE= 106 kmsup2)
Pfingstbach (AE= 84 kmsup2)
Stegbach Blaubach (AE= 127 kmsup2)
Der Hochwasserrisikomanagementplan Rheingau steht zurzeit in der oumlffentlichen Abstimmung und wird im Laufe 2015 fertig gestellt werden Nach Aussage von Frau Tremper des Regierungspraumlsidiums Darmstadt Abteilung IVWi 412 waumlre eine Ergaumlnzung des HWRM-PL Rheingau durch Starkregen-Hinweis- und -Gefahrenkarten der Rheingaubaumlche hilfreich Diese wuumlrden die im HWRM-PL Rheingau betrachteten Rhein-Hochwasserszenarien ergaumlnzen
Arbeitsziel unterstuumltzt durch Studienarbeiten Erstellung von Niederschlags- Abfluss Modellen fuumlr die Rheingaubaumlche Erbach Kisselbach Pfingstbach Stegbach Blaubach
Bei der Erstellung der Starkregen-Hinweiskarten und Starkregen-Gefahrenkarten fuumlr die Pilot-Einzugsgebiete sollen die in Abschnitt 6 weiterentwickelten Ansaumltze erprobt und die Karteninhalte mit den spaumlteren Nutzern diskutiert werden Dabei sollen insbesondere die Kartendarstellung und deren Inhalte den jeweiligen fachlichen Beduumlrfnissen entsprechen
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8 Literatur und Quellen
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[4] Deutscher Wetterdienst (DWD) Abteilung Hydrometeorologie (Hrsg)(2004) Projekt RADOLAN Routineverfahren zur Online-Aneichung der Radarniederschlagsdaten mit Hilfe von automatisierten Bodenniederschlagsstationen (Ombrometer)
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[6] Deutscher Wetterdienst (DWD) (Hrsg)(2008) Radarniederschlag-Prinzip der Niederschlagsbestimmung mit Radar inklusive Umrechnung der Radarreflektivitaumlten in Momentanwerte des Niederschlages Version 10
[7] Deutscher Wetterdienst (DWD) Abteilung Hydrometeorologie (Hrsg)(2005) Projekt RADVOR-OP
[8] Deutscher Wetterdienst (DWD) Abteilung Hydrometeorologie (Hrsg)(2012) Projekt RADVOR-OP
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[10] DWA Regelwerk Arbeitsblatt DWA-A 118 (2006) Hydraulische Bemessung und Nachweis von Entwaumlsserungssystemen
[11] DWA Regelwerk Merkblatt DWA-M 153 (2007) Handlungsempfehlungen zum Umgang mit Regenwasser
[12] DWA Kommentar zum DWA Regelwerk (2008) Planung Bau und Betrieb von Anlagen zur Versickerung von Niederschlagswasser
[13] DWA Themen (2010) Abfluumlsse aus extremen Niederschlaumlgen Ergebnisse einer Bestandsaufnahme Hochwasserereignisse und Modellansaumltze zu ihrer Abbildung
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[14] DWA-Arbeitsgruppe ES-26 (2008) Abfluumlsse aus Auszligengebieten der Kanalisation Arbeitsbericht
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[22] Hydrotec Ingenieurgesellschaft fuumlr Wasser und Umwelt mbH Fachhochschule Aachen DWD (2008) Ergebnisse des Forschungsvorhabens In Bundesministerium fuumlr Bildung und Forschung (Hrsg) Foumlrderprogramm des BMBF Aachen
[23] IHK Rhein-Neckar (2011) Starkregen ndash Auswirkungen und Anpassungsstrategien 8Hochwasserschutzforum in der Metropolregion Rhein-Neckar In Schriftenreihe des Verbandes Region Rhein-Neckar Heft 9
[24] KEIL C (2000) Numerische Simulation von Starkniederschlagsereignissen mit mesoskaligen Wettervorhersagemodellen Dissertation Institut fuumlr Physik und Atmosphaumlre Universitaumlt Muumlnchen
[25] KIPFER A KIENHOLZ C LIENER S (2012) Ein neuer Ansatz zur Modellierung von Oberflaumlchenabfluss 12 Kongress INTERPRAEVENT GrenobleFrankreich
[26] Kommission Reinhaltung der Luft im VDI und DIN-Normenausschuss KRdL (2014) Wetterradar-Anwendungen fuumlr die Wasserwirtschaft In VDI-Expertenforum Offenbach
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Projektskizze Umgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessen (Arbeitstitel) Januar 2015 Seite 34
[27] KORNDOumlRFER C SEIFERT J KROLL H FUHRMANN L (2000) Hydrologie und Wasserbewirtschaftung Ziele und Planungsgrundlagen einer naturnahen Regenwasserbewirtschaftung in Dresden In DWA (Hrsg) KA AbwasserAbfall Dresden
[28] KRAumlMER S VERWORN H-R TREIS A PFISTER A BECKER M (2009) Korrektur von C-Band-Radardaten fuumlr die Niederschlags-Abfluss-Modellierung Grundlagen Algorithmen und Verifikation In DWA (Hrsg) Fachbeitraumlge Korrespondenz Wasserwirtschaft Essen Hannover
[29] LANG P (2003) CONRAD In DWD (Hrsg)
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[31] MARX A (2006) Einsatz gekoppelter Modelle und Wetterradar zur Abschaumltzung von Niederschlagsintensitaumlten und zur Abflussvorhersage In Universitaumlt Stuttgart Institut fuumlr Wasserbau (Hrsg) Mitteilungen - Institut fuumlr Wasserbau Universitaumlt Stuttgart 160
[32] Ministerium fuumlr Umwelt und Forsten Rheinland Pfalz (2000) Naturnaher Umgang mit Niederschlagswasser Konzeption und ausgefuumlhrte Beispiele Mainz
[33] PEUszligNER J (2013) Untersuchung der Nutzbarkeit von zeitlich hoch aufgeloumlsten Radardaten des Niederschlags zur verbesserten Simulation des Bodenabtrags durch Wasser Masterarbeit Institut fuumlr Physische Geographie und Landschaftsoumlkologie Universitaumlt Hannover
[34] PFAFF T (2012) Processing and Analysis of Weather Radar Data for Use in Hydrologie In Universitaumlt Stuttgart Institut fuumlr Wasser- und Umweltsystemmodellierung (Hrsg) Mitteilungen - Institut fuumlr Wasser- und Umweltsystemmodellierung Universitaumlt Stuttgart 216
[35] PLATE E J ZEHE E (Hrsg)(2008) Hydrologie und Stoffdynamik kleiner Einzugsgebiete Prozesse und Modelle Verlagsbuchhandlung Schweizerbart
[36] SCHATZL R (2001) Skalenabhaumlngiger Vergleich zwischen Wetterradardaten und Niederschlagsmessungen In TU Graz (Hrsg) Schriftenreihe zur Wasserwirtschaft Technische Universitaumlt Graz 39
[37] SCHAumlDEL W (2006) Schritte zur Verbesserung einer Hochwasserfruumlhwarnung mittels Online-Bodenfeuchtemessungen Dissertation Universitaumlt Karlsruhe (TH)
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[39] Stadt Graz (2013) Flieszligpfadkarte Graz
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[40] THUNIG S (2004) Berechnung der Hochwasserscheitelminderung der Windach am Auslass des Windachspeichers durch den Bau zweier geplanter Retentionsbecken Diplomarbeit Institut fuumlr Wasserwesen Universitaumlt der Bundeswehr Muumlnchen
[41] Verein Deutscher Ingenieure (2014) Umweltmeteorologie Bodengebundene Fernmessung des Niederschlags Wetterradar In VDI-Richtlinien
[42] WETZEL M (2005) Modellierung der Hangwasserdynamik eines Untersuchungsgebietes im Nationalpark Hainich mit dem Modell HYDRUS-2D Diplomarbeit Universitaumlt Jena
[43] WINTERRATH T Dr WEIGL E (2012) RADOLAN RADVOR-OP und die RADOLAN-Klimatologie Status und Plaumlne In DWD (Hrsg) DWD-Kundenforum Hydrometeorologie Offenbach
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9 Allgemeine Informationen Zeitplan und Ressourcen
91 Allgemeine Informationen
Antragsteller Prof Dr-Ing Ernesto Ruiz Rodriguez Wasserbaulaboratorium am Fachbereich Architektur und Bauingenieurwesen Hochschule RheinMain Kurt-Schumacher-Ring 18 65197 Wiesbaden
Projektbearbeiter Arbeitsgruppe bdquoStarkregen und Sturzflutenldquo am Wasserbaulaboratorium Prof Dr-Ing Ernesto Ruiz Rodriguez (Projektleitung) BEng Lisa Trost (Projektbearbeitung) Frank Salffner (Vermessungstechniker Laborant am Wasserbaulaboratorium und in der EDV- Arbeitsgruppe des Fachbereichs) Die Arbeitsziele werden durch Studienarbeiten des Master- Studienganges bdquoUmweltmanagement und Stadtplanung in Ballungsraumlumenldquo (UMSB) unterstuumltzt
Partnerschaften Kooperationspartner Prof Dr Ralf Doumlrner Hochschule RheinMain
FG Graphische Datenverarbeitung und Virtuelle Realitaumlt Prof Dr Robert Seuszlig Fachhochschule Frankfurt FG Geoinformation und Kommunaltechnik Berufsfeuerwehr Wiesbaden Dr Andreacute Assmann Fa Geomer Heidelberg
gewuumlnschte Zusammenarbeit Deutscher Wetterdienst Abt Hydrometeorologie Projektdauer 4 Jahre (vgl 92 Zeitplan) Eigenmittel Projektleitung durch Prof Dr E Ruiz Rodriguez
Nutzung der Einrichtungen des Wasserbaulaboratoriums der Hochschule RheinMain Unterstuumltzung bei Laborarbeiten und EDV Infrastruktur durch Frank Salffner
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Projektskizze Umgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessen (Arbeitstitel) Januar 2015 Seite 37
92 Zeitplan
1
Jah
r
2
Jah
r
3
Jah
r
4
Jah
r Bemerkung
Arbeitspaket 1 Verwendung von Radardaten zur Simulation von Starkregen Sturzfluten fuumlr kleine Einzugsgebiete
Beginn der Arbeiten
Klaumlrung der Verfuumlgbarkeit von Radarniederschlagsdaten (fuumlr Modellierer Ingenieurbuumlros)
Aufwand zur Nutzung und Aufbereitung von Radarniederschlagsdaten fuumlr Modellierer Ingenieurbuumlros Erstellung eines Werkzeugs zur Visualisierung der archivierten und aktuellen Radarniederschlagsdaten Erstellung eines Werkzeugs zur Transformation und Projektion der DWD-RADOLAN-RW und RY-Komposit-Radarniederschlagsdaten in Gauszlig-Kruumlger undoder UTM-Projektion Erstellung eines GIS Werkzeugs zur Aufbereitung der DWD-RADOLAN-Komposit-Raster zur Simulation von Starkregen in kleinen Einzugsgebieten
1 Berichterstattung Arbeitspaket 1 (Teil 1)
Auswertung der RADOLAN Radarniederschlagsdaten des DWD
Praxisseminar Kolloquium bdquoVerwendung von Radardaten zur Simulation von Starkregen Sturzfluten in Hessenldquo
Arbeitspaket 2 Uumlberpruumlfung und Anpassung von Modellansaumltze zur Ermittlung des abflusswirksamen Niederschlages bei Starkregen
Uumlberpruumlfung und Anpassung der Modellansaumltze zur Ermittlung des abflusswirksamen Niederschlages bei Starkniederschlaumlgen unter besonderer Beruumlcksichtigung von Bodenfeuchte und Bodenluftkompressionseffekten
Arbeitspaket 3 Uumlberpruumlfung und Anpassung der hydraulischen Ansaumltze zur Berechnung des Oberflaumlchenabflusses bei Starkregen Sturzfluten an steilen Haumlngen
Bau der Versuchsrinne am Wasserbaulaboratorium Durchfuumlhrung und Auswertung der Versuche Uumlberpruumlfung und Anpassung der hydraulischen Ansaumltze zur Berechnung des Oberflaumlchenabflusses
2 Berichterstattung Arbeitspaket 2 und Arbeitspaket 3 (Teil1)
Arbeitspaket 4 Instationaumlre 2ndashdimensionale Modellierung des Oberflaumlchenabflusses bei Starkniederschlaumlgen
Anpassen des 2-dimensionallen Modelles auf instationaumlre Niederschlagsfronten Schnittstelle zu DWD RADOLAN Komposite Einarbeiten der verbesserten Ansaumltze zu Berechnung des abflusswirksamen Niederschlages bei Starkniederschlaumlgen Einarbeiten der verbesserten hydraulischen Ansaumltze
wird fortgesetzt
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1
Jah
r
2
Jah
r
3
Jah
r
4
Jah
r Bemerkung
Arbeitspaket 5 Erarbeitung von Starkregen Gefahrenkarten fuumlr das Land Hessen
Uumlberpruumlfen und Anpassung von fachlichen Kriterien fuumlr die Erstellung von Starkregen-Karten Definition der Inhalte von Starkregen-Hinweiskarten Definition der Inhalte von Starkregen- Gefahrenkarten
3 Berichterstattung Arbeitspaket 3 (Teil 2) Arbeitspaket 4 und Arbeitspaket 5 (Teil1)
Arbeitspaket 6 Modell- Pilotprojekt bdquoUmgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessenldquo
Erarbeitung von Starkregen-Hinweiskarten fuumlr die ausgewaumlhlten Pilot-Einzugsgebiete Erarbeitung von Starkregen-Gefahrenkarten fuumlr die ausgewaumlhlten Pilot-Einzugsgebiete Uumlberpruumlfen der fachlichen Kriterien und Ansaumltze (Arbeitspaket 5) fuumlr die Erstellung von Starkregen-Karten Diskussion uumlber die Starkregen-Karteninhalte und Starkregen-Kartendarstellung mit den Nutzern
4 Berichterstattung Arbeitspaket 5 (Teil 2) und Arbeitspaket 6 (Abschlussbericht)
93 Beantragte Mittel
Zur Durchfuumlhrung und Erreichung der im Antrag beschriebenen Arbeitsziele werden fuumlr das
1 Projektjahr 35000 Euro
2 Projektjahr 35000 Euro
3 Projektjahr 35000 Euro
4 Projektjahr 35000 Euro
beantragt
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1160 cm
280 cm
260 cm
1000 cm
1080 cm
6300 cm280 cm
3000 cm3000 cm
3000 cm 3000 cm
1000 cm624 cm
1500deg
Kipprinne zur Simulation des Oberflaumlchenabflusses an steilen HaumlngenLaumlnge= 630 mBreite= 10 mHoumlhe= 026 mmax Neigungswinkel 45deg
variableBeregnungslaumlnge
Maszligstab 120
1000 cm
260 cm
Sohlsubstrat zur Aufnahmevon kuumlnstlichen Bewuchsstrukturen
Beregnungsanlage mit schwenkbaren Duumlsen zurvertikalen Regensimulation
Wasserkoumlrper desOberflaumlchenabflusses
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Projektskizze Umgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessen (Arbeitstitel) Januar 2015 Anlage 1
1830 cm
2625 cm
Drehpunkt
1330 cm
6300 cm
280 cm
1500deg
Maszligstab 120
Kipprinne zur Simulation des Oberflaumlchenabflusses an steilen HaumlngenLaumlnge= 630 mBreite= 10 mHoumlhe= 026 mmax Neigungswinkel 45deg
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Inhalt 1 Vorbemerkungen 2
2 Arbeitspaket 1 Verwendung von Radardaten zur Simulation von Starkregen Sturzfluten fuumlr kleine Einzugsgebiete 4
21 Klaumlrung der Verfuumlgbarkeit von Radarniederschlagsdaten (fuumlr Modellierer Ingenieurbuumlros) 7
22 Aufwand zur Nutzung und Aufbereitung von Radarniederschlagsdaten fuumlr Modellierer Ingenieurbuumlros 10
Auswahl geeigneter konvektiver Ereignisse fuumlr das Untersuchungsgebiet (Regensammlung) 10
Aufbereitung der 5 minuumltigen Radarniederschlagsdaten fuumlr die gewaumlhlten konvektiven Ereignisse 12
23 Auswertung der RADOLAN Radarniederschlagsdaten des DWD 14
24 Praxisseminar Kolloquium bdquoVerwendung von Radardaten zur Simulation von Starkregen Sturzfluten in Hessenldquo 15
3 Arbeitspaket 2 Uumlberpruumlfung und Anpassung von Modellansaumltze zur Ermittlung des abflusswirksamen Niederschlages bei Starkregen 15
4 Arbeitspaket 3 Uumlberpruumlfung und Anpassung der hydraulischen Ansaumltze zur Berechnung des Oberflaumlchenabflusses bei Starkregen Sturzfluten an steilen Haumlngen 20
41 Korrektur der Flieszligformeln zur Simulation des Oberflaumlchenabflusses an steilen Haumlngen 22
42 Versuchseinrichtung zur Uumlberpruumlfung und Anpassung der Flieszligformeln zur Simulation des Oberflaumlchenabflusses an steilen Haumlngen 24
5 Arbeitspaket 4 Instationaumlre 2ndashdimensionale Modellierung des Oberflaumlchenabflusses bei Starkniederschlaumlgen 25
6 Arbeitspaket 5 Erarbeitung von Starkregen Gefahrenkarten fuumlr das Land Hessen 27
(Stufe 1) Identifikation der potentiell gefaumlhrdeten Hangflaumlchen und die Erstellung von Starkregen Hinweiskarten 28
(Stufe 2) Simulation des Oberflaumlchenabflusses der potentiell gefaumlhrdeten Flaumlchen und Erstellung von Starkregen Gefahrenkarten oder Flieszligpfadkarten 29
7 Arbeitspaket 6 Modell- Pilotprojekt bdquoUmgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessenldquo 31
8 Literatur und Quellen 32
9 Allgemeine Informationen Zeitplan und Ressourcen 36
91 Allgemeine Informationen 36
92 Zeitplan 37
93 Beantragte Mittel 38
Anlagen
1 Kipprinne zur Simulation des Oberflaumlchenabflusses an steilen Haumlngen
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1 Vorbemerkungen
Etwa 50 der Uumlberflutungsschaumlden ndash so zeigen die Erfahrungen aus extremen Niederschlagsereignissen und der Versicherungswirtschaft ndash werden durch lokale Sturzfluten und Hangabfluumlsse die nicht in direktem Zusammenhang mit der Ausuferung eines oberirdischen Gewaumlssers stehen verursacht Auf kommunaler Ebene wird die Starkregen-Problematik des- wegen verstaumlrkt diskutiert
In der 2012 veroumlffentlichten Strategie zur Anpassung an den Klimawandel in Hessen wird auf die erwartete Intensivierung der Starkregenereignisse und auf deren Wirkungen und Gefahrenpotentiale hingewiesen
Anders als bei groszligen Flusssystemen sind bei konvektiven Starkniederschlaumlge in kleinen Einzugsgebieten (Aelt 50 kmsup2) bislang keine guten raumlumlichen und zeitlichen Vorhersagen moumlglich
Zur Minderung der Schaumlden durch Starkregen und Sturzfluten muumlssen die regionale und kommunale Flaumlchenvorsorge sowie die Bauvorsorge intensiviert werden Dafuumlr muumlssen allerdings Informationen uumlber die Nutzung der gefaumlhrdeten Flaumlchen und die entsprechenden Einwirkungsintensitaumlten auf den Flaumlchen bekannt sein
Zwar wird im Rahmen der Umsetzung der EU-Hochwasserrisikomanagement Richtlinie (EU-HWRML) wird das Thema Starkregen bzw Sturzfluten zwar zur Kenntnis genommen aber das Land Hessen hat aber beispielsweise bei der Bearbeitung der Hochwasserrisikomanagementplaumlne die lokalen Wirkungen von Starkregen auf den Haumlngen(bdquoSturzflutenldquo) nicht beruumlcksichtigt In den Hochwassergefahrenkarten werden lediglich jene Flaumlchen dargestellt die die Folge von Ausuferungen sind
Um die identifizierten ErkenntnisluumlckenDefizite zu beheben schlaumlgt die Arbeitsgruppe bdquoStarkregen und Sturzflutenldquo am Fachbereich Architektur und Bauingenieurwesen der Hochschule RheinMain folgende Arbeitspakete vor
Arbeitspaket 1 Verwendung von Radardaten zur Simulation von Starkregen Sturzfluten fuumlr kleine Einzugsgebiete (In Zusammenarbeit mit dem DWD)
Arbeitspaket 2 Uumlberpruumlfung und Anpassung von Modellansaumltze zur Ermittlung des abflusswirksamen Niederschlages bei Starkregen
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Arbeitspaket 3 Uumlberpruumlfung und Anpassung der hydraulischen Ansaumltze zur Berechnung des Oberflaumlchenabflusses bei Starkregen Sturzfluten an steilen Haumlngen
Arbeitspaket 4 Instationaumlre 2ndashdimensionale Modellierung des Oberflaumlchenabflusses bei Starkniederschlaumlgen
Arbeitspaket 5 Erarbeitung von Starkregen Gefahrenkarten fuumlr das Land Hessen
Arbeitspaket 6 Modell- Pilotprojekt bdquoUmgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessenldquo
Mit einer verbesserten Methodik zur Erstellung von Starkregen-Gefahrenkarten die hier erarbeitet werden soll kann ein Beitrag zur Risikominderung oder ndashvermeidung infolge von Starkregen geleistet und somit eine Anpassung an den Klimawandel in Hessen optimiert werden
Die Arbeiten der Arbeitsgruppe bdquoStarkregen und Sturzflutenldquo sollen durch Studienarbeiten des Master Studienganges Umweltmanagement und Stadtplanung in Ballungsraumlumen (UMSB) unterstuumltzt werden Die organisatorische Abwicklung innerhalb der Hochschule und die Grundbetreuung sind durch Prof Dr Ernesto Ruiz Rodriguez und Frau BEng Lisa Trost gesichert Eine partnerschaftliche Betreuung durch das HLUG und den DWD ist moumlglich und wird ausdruumlcklich erwuumlnscht
Die benoumltigte Labor- und EDV-Infrastruktur zur Bearbeitung der Arbeitspakete wird vom FB Architektur und Bauingenieurwesen der Hochschule RheinMain bereitgestellt
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2 Arbeitspaket 1 Verwendung von Radardaten zur Simulation von Starkregen Sturzfluten fuumlr kleine Einzugsgebiete
In Anlehnung an das uumlbliche Vorgehen bei der Erstellung von Niederschlags-Abfluss Modellen werden bei allen aktuellen Simulationen von Starkregen stationaumlre statische Regen (gleichmaumlszligige Gebietsuumlberregnung) als Belastung auf das betrachtete Einzugsgebiet verwendet Sofern die Daten einer nahegelegen Niederschlagsstation zur Verfuumlgung stehen kann der Intensitaumltsverlauf waumlhrend des Niederschlagsereignisses beruumlcksichtigt werden Die Einordnung der Auftretenswahrscheinlichkeit des Ereignisses unter Beruumlcksichtigung der Niederschlagsdauer erfolgt meist mit Hilfe der KOSTRA DWD 2000 Auswertung
Befinden sich keine Niederschlagsstationen in der Naumlhe des Einzugsgebietes Ae wird ein Blockregen aus KOSTRA DWD 2000 mit der jeweiligen Regendauer T=(te-ta) und dem entsprechenden Wiederkehrintervall verwendet
Ae
iw T= (te - ta)
stationaumlrer statischer Blockregen iw uumlber dem Einzugsgebiet Ae
Der Intensitaumltsverlauf des Regens die Intensitaumltsverteilung uumlber dem Einzugsgebiet die Zugrichtung und -geschwindigkeit der Regenfront werden allerdings nicht beruumlcksichtigt Lokale Belastungsspitzen die sich aus der Intensitaumltsverteilung in Verbindung mit der Zugrichtung und der Zuggeschwindigkeit ergeben koumlnnen so nicht erfasst werden
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Als Beispiel hierfuumlr wird das Niederschlagsereignis von Freitag dem 11072014 im Teileinzugsgebiet (Rambach) des Salzbaches in der Landeshauptstadt Wiesbaden betrachtet
Die Niederschlagsmenge von 47 mm in einer Stunde (fuumlr das Teileinzugsgebiet des Rambachs mit Ae=21 kmsup2) kann nach KOSTRA DWD (Rasterfeld Wiesbaden) und einer angenommenen Konzentrationszeit von 1 h (Flieszligzeit der Welle in Teileinzugsgebiet) als ein Ereignis mit einem Wiederkehrintervall (WKI) von 100 Jahren einordnen werden
Die Gewitterfront vom 11072014 zog vom Nordosten Richtung Suumldwesten und somit genau in Flieszligrichtung des Rambachs Da die Frontrichtung und wahrscheinlich auch die Frontgeschwindigkeit mit dem Wellenablauf im Rambach
0107
76
124 122114
1 0902 01 01 01 0
0
2
4
6
8
10
12
14
1520 1525 1530 1535 1540 1545 1550 1555 1600 1605 1610 1615 1620
mm
in 5
min
11072014 1520 bis 1620 Uhr
Niederschlag WI AuringenN-Summe 468 mm in 1 h
1284
912
1488 14641368
12 10824 12 12 12
0
20
40
60
80
100
120
140
160
1520 1525 1530 1535 1540 1545 1550 1555 1600 1605 1610 1615 1620
Inte
nsi
taumlt
i [m
mh
]
11072014 1520 bis 1620 Uhr
Niederschlag WI AuringenN-Summe 468 mm in 1 h
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korrespondierten wurden das Wellenvolumen und auch der Wellenscheitel entscheidend vergroumlszligert
Gewaumlssernetz des Teileinzugsgebiets Rambach in der Landeshauptstadt Wiesbaden Zugrichtung der Gewitterfront am 11072014
Dieser fehlende Aspekt in der N-A-Modellierung ist bekannt wird aber aufgrund mangelnder Datengrundlagen oder notwendiger Finanzmittel bei der Simulation selten beruumlcksichtigt Ein Ansatz diese Luumlcke zu fuumlllen ist die Verwendung von Radarniederschlagsdaten
Nachfolgend werden Arbeitsschritte vorgeschlagen die dabei helfen sollen unter der Verwendung von Niederschlagsdaten aus Radaraufzeichnungen die Datengrundlagen fuumlr eine bessere Simulation von Starkregen und Sturzfluten zu verbessern
Im Rahmen der RADOLAN (Routineverfahren zur Online-
Aneichung der Radarniederschlagsdaten mit Hilfe von automatischen
Bodenniederschlagsstationen (Ombrometer)) und RADVOR-OP (Radargestuumltzte zeitnahe Niederschlagsvorhersage fuumlr den
operationellen Einsatz) Projekte des DWD sind Radarprodukte entstanden die geeignet waumlren die Simulation von Starkregen
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Sturzfluten besonders in kleinen Einzugsgebieten entscheidend zu verbessern
Voraussetzung hierfuumlr waumlre aber dass die Radarniederschlagsdaten in einer ausreichenden zeitlichen und raumlumlichen Aufloumlsung und in handhabbarer Form fuumlr die Anwender (Modellierer Ingenieurbuumlros) vorliegen (vgl auch Abschnitt 1)
21 Klaumlrung der Verfuumlgbarkeit von Radarniederschlagsdaten (fuumlr Modellierer Ingenieurbuumlros)
Vorab ist anzumerken dass im Rahmen dieser Projektskizze die Qualitaumlt der vorhandenen Radarniederschlagsdaten die Weiterentwicklung Korrektur (zB Abschattungskorrektur Verfeinerte Z-R-Beziehung etc) und die Verbesserung der Aneichung der Radarbilder nicht diskutiert werden soll
Es wird davon ausgegangen dass die raumlumlichen und zeitlichen Aufloumlsung der Radarniederschlagsdaten bei jetziger bdquoQualitaumltldquo eine deutlich bessere Datengrundlage zur Modellierung darstellen als die bisher verwendeten stationaumlren statischen Niederschlaumlge aus den Niederschlagsstationen oder aus dem KOSTRA DWD-Raster (845 km x 845 km)
Der Deutsche Wetterdienst (DWD) speichert im Rahmen des RADOLAN Projektes seit Juni-2005 bis heute Radaraufzeichnungen und stellt diese in verschiedenen Formaten und zu verschiedenen Konditionen zur Verfuumlgung
Fuumlr die 16 Radarstandorte des DWD stehen jeweils Radarbilder mit einer 5-minuumltigen Aufloumlsung zur Verfuumlgung
Am bekanntesten ist das sog RADOLAN-RW-Kompositprodukt fuumlr die Flaumlche der Bundesrepublik Deutschland (900 km x 900 km)
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RADOLAN RW Kompositprodukt fuumlr die Flaumlchen der Bundesrepublik Deutschlandkomposit (900 km x 900 km) aus [5] 2011
Hierbei handelt es sich um die mit Hilfe der Bodenniederschlagsstationen angeeichten und uumlberlagerten Radarbilder der 16 Radarstationen Dieses Produkt gibt den Niederschlag pro Stunde fuumlr ein Rasterfeld von 1km x 1km an und steht in einer zeitlichen Aufloumlsung von einer Stunde zur Verfuumlgung Die Daten sind frei verfuumlgbar und stehen auf dem FTP-Server des DWD (ftpftp-cdcdwddepubCDC) zur freien Download zur Verfuumlgung Sie liegen im RADOLAN Kompositformat Version 222 vor Dies ist ein Binaumlrformat mit ASCII Header und kann zB mit der Python Skript-Bibliothek bdquowradlibldquo gelesen werden
Auszug aus dem RADOLAN-Kurzbeschreibung (Stand April 2012)
bdquoDas derzeit bestmoumlgliche am schnellsten verfuumlgbare RADOLAN-Ergebnis (RW-Produkt) ist ein angeeichtes RadarndashDeutschlandkomposit mit stuumlndlichen Niederschlagshoumlhen in einer Intensitaumltsaufloumlsung von 01 mm und in einer raumlumlichen Aufloumlsung von einem Quadratkilometer welches zeitnah (innerhalb von 30 Minuten) zur Verfuumlgung stehtldquo
Die RADOLAN-Komposite liegen in polarstereografischer Projektion vor und haben in der Projektion eine aumlquidistante Rasterung von 10 km Das kartesische Koordinatensystem besitzt eine Groumlszlige von 900 km x 900 km (siehe auch [4] [5])
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Eine deutlich bessere zeitliche Aufloumlsung liefert das RADOLAN RY-Komposit Bei gleicher raumlumlicher Aufloumlsung wie das oben beschriebene RW-Komposit besitzt das RY-Komposit in einer zeitlichen Aufloumlsung von 5 Minuten Die Niederschlagshoumlhen werden in 001 mm bereitgestellt
Beide Radar-Komposit-Produkte (RW und RY) sind fuumlr behoumlrdliche Aufgaben im Rahmen des vorbeugenden Hochwasserschutzes der BRD entwickelt und optimiert worden Fuumlr mittlere und groszlige Einzugsgebiete ist die bereit gestellte raumlumliche und zeitliche Aufloumlsung beider Produkte voumlllig ausreichend
Fuumlr kleine Einzugsgebiete (lt 50 kmsup2) stellt die raumlumliche Aufloumlsung von 1km x 1km die bei beiden Komposit-Produkte moumlglich ist eine deutliche Verbesserung gegenuumlber der Dichte der Niederschlagsstationen und der DWD KOSTRA Rasterweite dar
Am Beispiel des Teileinzugsgebietes des Rambach Ae=21 kmsup2 in Wiesbaden erhaumllt man uumlber das Radar-Komposit-Produkt eine deutlich bessere raumlumliche Aufloumlsung der Niederschlagsverteilung als uumlber die einzelnen Niederschlagsstation in WI-Auringen oder WI-Biebrich
Die zeitliche Aufloumlsung von 5 Minuten bietet die Moumlglichkeit die zeitliche Entwicklung und die raumlumlich Verteilung der Niederschlagsintensitaumlt auch fuumlr kleine Einzugsgebieten in ausreichender Qualitaumlt abzubilden
Die Klaumlrung der Anfrage beim DWD (Ansprechpartner Elmar Weigl) ob auch ein bdquoHessen Kompositldquo mit houmlherer raumlumlicher Aufloumlsung denkbar und erhaumlltlich ist steht noch aus
Insgesamt sind die angebotenen Radarniederschlagsdaten Radarprodukte auf die Beduumlrfnisse der aktuellen Nutzer zugeschnitten Die Zugaumlnglichkeit fuumlr Lehre und Forschung ist ausreichend gegeben
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22 Aufwand zur Nutzung und Aufbereitung von Radarniederschlagsdaten fuumlr Modellierer Ingenieurbuumlros
Wie in Abschnitt 1 einfuumlhrend erlaumlutert sind neben einer ausreichenden raumlumlichen und zeitlichen Aufloumlsung
die Kosten fuumlr die Beschaffung der Radarniederschlagsdaten und
der Aufbereitungsaufwand fuumlr die Simulation
fuumlr Modellierer Ingenieurbuumlros entscheidend
Ingenieurbuumlros bearbeiten Projekte aufgrund der Ausschreibungsbedingungen und der starken Konkurrenzsituation in einem sehr engen Finanzrahmen
Die aktuell angebotenen Radarniederschlagsdaten Radarprodukte benoumltigen einen zu groszligen Aufbereitungsaufwand um diese fuumlr die Simulation von Starkregen und Sturzfluten in kleinen Einzugsgebieten zu nutzen
Vor einer Simulation muumlssen die folgenden zwei Schritte abgearbeitet werden
1) Auswahl geeigneter konvektiver Ereignisse fuumlr das Untersuchungsgebiet (Regensammlung)
2) Aufbereitung der 5-minuumltigen Radarniederschlagsdaten fuumlr die gewaumlhlten konvektiven Ereignisse
Auswahl geeigneter konvektiver Ereignisse fuumlr das Untersuchungsgebiet (Regensammlung)
Zur Erinnerung Aktuelle werden die Radarniederschlagsdaten noch nicht genutzt sondern der statischen Regen aus einer benachbarten Niederschlagsstation oder statischen Blockregen aus DWD KOSTRA 2000 entnommen Die Dauer der Modellregen orientiert sich dabei an der Konzentrationszeit Flieszligzeit im Niederschlagsgebiet Um den Aufwand zur Beschaffung Auswahl und Aufbereitung der Niederschlagsdaten von konvektiven Ereignissen einzelner Niederschlagsstationen zu umgehen werden stattdessen die DWD KOSTRA 2000 Blockregen verwendet
Um bei der Auswahl von konvektiven Ereignissen aus Radarniederschlagsdaten den Kostenrahmen fuumlr die Datenbeschaffung gering zu halten erscheint es sinnvoll auf die RADOLAN-RW-Komposit Radarniederschlagsdaten mit einer zeitliche Aufloumlsung von 1 h die auf dem FTP-Server des
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DWD (ftpftp-cdcdwddepubCDC) zum freien kostenlosen Download zur Verfuumlgung stehen zuruumlck zu greifen
Mit folgenden Systemen lassen sich zurzeit die Niederschlagsdaten des RADOLAN RW-Komposits visualisieren
KONRAD webKONRAD - Zugang uumlber das Feuerwehrinformationssystem (FEWIS)
IDLRaBiD 50 - Darstellungsprogramm fuumlr Radarbilder des Deutschen Wetterdienstes
WaWIS (Registrierung uumlber DWD notwendig)
NinJo Lizenz erhaumlltlich uumlber Ernst Basler + Partner GmbH
Python Skript Bibliothek bdquowradlibldquo (Darstellen der einzelnen RW Komposite)
KONRAD bzw webKONRAD ist nur uumlber den Zugang des Feuerwehrinformationssystems (FEWIS) zu erreichen und steht Ingenieurbuumlros nicht zur Verfuumlgung
IDLRaBiD 50 ist eine interne Software des DWD und steht Ingenieurbuumlros nicht zur Verfuumlgung
WaWIS steht nur Behoumlrden zur Verfuumlgung die im Rahmen des Katastrophenschutzes taumltig sind
NinJo 17 kann als Lizenzprodukt erworben werden Auf das Ingenieurbuumlro kaumlmen Lizenz- und Installationskosten welche sich im 5 stelligen Bereich bewegen zu Fuumlr Forschungsinstitutionen fallen die Lizenzkosten weg es verbleiben jedoch Installationskosten von ca 5000 Euro Eine Betrachtung von konvektiven Fronten uumlber mehrere Tage hinweg ist fuumlr ausgesuchte Zeitabschnitte moumlglich
Eine weitere Alternative ist die Nutzung der umfangreichen Phyton-Skript Bibliothek bdquowradlibldquo Hier muss jedes einzelne RW-Komposit eingelesen und visualisiert werden Natuumlrlich wird dies durch geeignete wradlib utility functions (Batch Routinen zur Verarbeitung vieler RW-Komposite) erleichtert Der Gesamtaufwand zur Visualisierung ist dennoch erheblich
Der Einsatz der letzten zwei Alternativen setzt jedoch voraus dass man bestimmte konvektive Ereignisse bereits identifiziert hat Dh die entsprechenden historischen Ereignisse sind bekannt oder es wurden aus den Aufzeichnungen der Bodenniederschlagsstationen bereits Ereignisse ausgewaumlhlt
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Zurzeit gibt es noch kein System welches frei zugaumlnglich ist und die historischen RW RADOLAN-Daten (Juni-2005 bis heute) visualisieren kann
Optimal waumlre es wenn die RW-RADOLAN-1h-Komposite jahresweise in einem Video mit Datum Kartenhintergrund und N-Intensitaumltsskala vor- und ruumlckspulbar betrachtet werden koumlnnten Auf diese Weise waumlre es moumlglich maszliggebende konvektive Ereignisse Szenarien (Regensammlung mit verschiedenen Niederschlagsdauern und verschiedenen Niederschlagsmengen) zur Simulation leichter zu identifizieren (vgl auch Abschnitt 7)
Arbeitsziel unterstuumltzt durch Studienarbeit Entwurf und Umsetzung eines Werkzeugs zur Visualisierung der archivierten und aktuellen Radarniederschlagsdaten (DWD-RADOLAN-RW-Komposit)
Aufbereitung der 5 minuumltigen Radarniederschlagsdaten fuumlr die gewaumlhlten konvektiven Ereignisse
Sind die konvektiven Ereignisse Szenarien zur Simulation identifiziert muumlssen deren Radarniederschlagsdaten je nach Anforderung des verwendeten Simulationsmodells aufbereitet werden
Alle Simulationsmodelle nutzen fuumlr die Eingabeaufbereitung und Ergebnispraumlsentation GIS-Oberflaumlchen So lassen sich Simulationsergebnisse mit anderen Datengrundlagen (Amtliches Liegenschaftskatasterinformationssystem ALKIS Bodeninformationen Luftbilder Nutzung etc) verschneiden und fachlich interpretieren (zB Erstellung von Starregen Gefahrenkarten) Oftmals werden die Simulationsmodelle als aufgesetzte bdquoFachschaltenldquo zu GIS-Systemen realisiert
Diese Tatsache macht es unumgaumlnglich die Komposit-Radarniederschlagsdaten auf ein GIS-System kompatibles Format mit geeigneter Projektion (zB Gauszlig-Kruumlger- oder UTM-Projektion) zu uumlberfuumlhren
Die fuumlr die DWD ndashRADOLAN-RW-Komposit-Radarniederschlagsdaten verwendete polarstereographische Projektion (siehe [5]) ist fuumlr die derzeitigen Anwendungen geeignet Man betrachtet und beurteilt groszligraumlumige Wetterlagen uumlber Staats- Bundeslandgrenzen hinweg
Fuumlr eine Simulation von kleinraumlumigen Starkregenereignissen und eine fachliche Verschneidung der Simulationsergebnisse mit weiteren Daten eignet sich die polarstereographische Projektion jedoch nicht
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In [33 Kapitel 5] werden die Probleme beim Georeferenzieren der DWD-RADOLAN-Komposite ausfuumlhrlich erlaumlutert
Arbeitsziel unterstuumltzt durch Studienarbeiten Entwurf und Umsetzung eines Werkzeugs zur Transformation und Projektion der DWD-RADOLAN-RW und RY-Komposit-Radarniederschlagsdaten in Gauszlig-Kruumlger undoder UTM-Projektion
Innerhalb des HLUG sollte eine Diskussion zur Festlegung einheitlicher Projektionen fuumlr kuumlnftige wasserwirtschaftliche Projekte im Land Hessen stattfinden
Waumlhrend die in Gauszlig-Kruumlger- oder UTM transformierten Radarniederschlagsdaten in einem Raster von ca 1km x 1km vorliegen koumlnnen die Simulationsmodelle (vgl Abschnitt 0) je nach gewaumlhlten Randbedingungen deutlich kleinere Rasterweiten (zB 5m x 5 m bis 100 m x 100m) verwenden
Fuumlr eine Simulation muss ein gemeinsames Rasters definiert und alle Datengrundlagen in dieses Raster uumlberfuumlhrt werden
Uumlberlagerung eines Transformierten RADOLAN Raster mit Gauszlig-Kruumlger oder UTM Raster
Gauszlig-Kruumlger oder UTM transformiertes RADOLAN Raster (schiefes Veireck 950x950 m)
zur Simulation verwendetes Raster
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Arbeitsziel unterstuumltzt durch Studienarbeit Entwurf und Umsetzung eines GIS Werkzeugs zur Aufbereitung der DWD-RADOLAN-Komposit-Raster zur Simulation von Starkregen in kleinen Einzugsgebieten
23 Auswertung der RADOLAN Radarniederschlagsdaten des DWD
Wie in Abschnitt 2 erlaumlutert koumlnnen die Zugrichtung und die Zuggeschwindigkeit einer konvektiven Starkregenfront Starkregenzelle die Einwirkungsintensitaumlt in einem Niederschlagseinzugsgebiet entscheidend beeinflussen Die Abmessungen der Starkregenfront Starkregenzelle in Verbindung mit der Zuggeschwindigkeit sowie die Regendauer koumlnnen im unguumlnstigen Fall mit der Konzentrationszeit im Niederschlagseinzugsgebiet zusammenfallen und zu einer entscheidenden Verschaumlrfung des Wellenscheitels fuumlhren
Unter der Voraussetzung dass die in Abschnitt 22 beschriebenen Werkzeuge erstellt worden sind sollen nun mit deren Hilfe die historischen RADOLAN Radarniederschlagsdaten ausgewertet werden
Identifizieren von Starkregenfronten Starkregenzellen Hierfuumlr sind Identifikationskriterien zu erarbeiten
Einordnung des Wiederkehrintervalls der Starkregenfront Starkregenzelle (Dauer und Niederschlagsmenge) mit Hilfe der DWD KOSTRA2000-Auswertung
Identifikation und Digitalisierung des Intensitaumltsschwerpunktes der jeweiligen Starkregenfront
Zeitliche Entwicklung der Intensitaumltsverteilung innerhalb der Starkregenfront
Fuumlr jede identifizierte Starkregenfront Starkregenzelle sollen in Abhaumlngigkeit der JahreszeitWetterlage folgende Parameter ermittelt und statistisch ausgewertet werden
Digitalisierung der Abmessungen (Laumlngenausdehnung Breitenausdehnung) und der Form (Laumlngen-Breitenverhaumlltnis oder Flaumlche-Umfangverhaumlltnis)
Digitalisierung der Zugrichtung (Zugbahn Zugtrajektorie) und Zuggeschwindigkeit (im Schwerpunkt der Intensitaumlt)
Darstellung der Abmessungen der Zugrichtungen und Zugbahnen in Karten und Uumlberlagerung mit dem digitalen Gelaumlndemodell
Auf diese Weise koumlnnen eventuell Starkregenschwerpunkte (-regionen) in Hessen identifiziert und in Karten dargestellt werden
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Arbeitsziel unterstuumltzt durch Studienarbeit(en) Auswertung historischer RADOLAN Radarniederschlagsdaten des DWD
24 Praxisseminar Kolloquium bdquoVerwendung von Radardaten zur Simulation von Starkregen Sturzfluten in Hessenldquo
In Zusammenarbeit mit dem Wissenschaftsforum Umwelt und der Weiterbildungsplattform NATURUMWELTTECHNIK (NUT) der Hochschule RheinMain sollen in einem 1-taumlgigen Praxisseminar die Moumlglichkeiten zur Nutzung von Radarniederschlagsdaten zur Simulation von Starkregen Sturzfluten vorgestellt werden
Zielgruppe Ingenieurhydrologen Hydrologen Ingenieurbuumlros (Modellierer) und andere am Thema Interessierten
Die Organisation uumlbernimmt die Weiterbildungsplattform NUT der Hochschule RheinMain Die fachliche Koordination ist durch Prof Dr Ernesto Ruiz Rodriguez und Frau BEng Lisa Trost gesichert Eine partnerschaftliche Koordination durch das HLUG und den DWD ist moumlglich und wird ausdruumlcklich erwuumlnscht
3 Arbeitspaket 2 Uumlberpruumlfung und Anpassung von Modellansaumltze zur Ermittlung des abflusswirksamen Niederschlages bei Starkregen
Unter dem abflusswirksamen (effektiven) Niederschlag versteht man den Anteil des Niederschlages der in einem Einzugsgebiet unmittelbar nach dem Niederschlagsereignis als Direktabfluss wirksam wird
Zu Beginn des Niederschlagsereignisses sind die Verluste idR besonders groszlig (Benetzung der der Vegetationsdecke und Muldenverluste) Bei Starkregen werden diese Speicherraumlume jedoch schnell gefuumlllt und die hohen Niederschlagsintensitaumlten uumlbersteigen oft die Infiltrationsfaumlhigkeit des Bodens und es kommt zum Oberflaumlchenabfluss (vgl auch Abschnitt 4)
Insofern spielt besonders bei Starkregen der Anteil an abflusswirksamen Oberflaumlchenabfluss eine entscheidende Rolle Dieser bildet gemeinsam mit dem oberflaumlchennahen Interflow in der belebten Bodenzone den Hauptanteil am sog abflusswirksamen Niederschlag
Der in der Ingenieurhydrologie am haumlufigsten verwendete Modellansatz zur Ermittlung des abflusswirksamen Niederschlags ist der Ansatz des Abflussbeiwertes Er wird sowohl in der Urbanhydrologie (Kanalnetzberechnung) als auch
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bei der Modellierung von Niederschlags-Abfluss-Prozessen (NA-Modellierung) auf natuumlrlichen Flaumlchen eingesetzt
Abflussbeiwert-Ansaumltze
)()()(
)()(
)(
)(
tititi
titi
ti
ti
vw
w
w
Ψ ndash Abflussbeiwert [-]
i(t) ndash Niederschlagsintensitaumlt [mmh]
iw(t) ndash wirksame Niederschlagsintensitaumlt [mmh]
a) konstanter Abflussbeiwert Ψ
b) Konstanter Abflussbeiwert Ψ mit Anfangsverlust hva
Der Anfangsverlust hva wird durch die Mulden- und Benetzungsverluste begruumlndet
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c) Zeitvarianter Abflussbeiwert Ψ mit oder ohne Anfangsverlust hva
In der Urbanhydrologie wird der konstante Abflussbeiwert Ψ ohne Anfangsverlust hva bei der NA-Modellierung kommt fast immer der konstante Abflussbeiwert Ψ mit Anfangsverlust hva zum Einsatz
Liegen Niederschlags- und Abflussaufzeichnungen des Direktabflusses QD(t) vor und ist der Verlauf des Basisabflusses QB(t) bekannt so kann der Abflussbeiwert Ψ aus der Volumen-Massenbilanz ermittelt werden Der Anfangsverlust hva wird in der Regel mit 3 bis 4 mm Niederschlagshoumlhe geschaumltzt Der gefallene effektive Niederschlag iw(t)=Ψ i(t) findet sich im Direktabfluss QD(t) oberhalb des Basisabflusses QB(t)
RE
RA
w
e
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t
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t
DQ VdttiAdttQV )()(
0
Liegen keine Niederschlags undoder Pegelaufzeichnungen vor wird in der Ingenieurpraxis der Abflussbeiwert mit Hilfe oder im Anlehnung an das SCS Verfahrens (US Soil Conversation Service der USA) ermittelt Diese Verfahren wird ua in der
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DVWK-Regel 113 beschrieben Das SCS-Verfahren unterscheidet folgende Bodentypen
Bodentyp A Boumlden mit groszligem Versickerungsvermoumlgen auch nach starker Vorbefeuchtung zB tiefe Sand- und Kiesboumlden
Bodentyp B Boumlden mit mittlerem Versickerungsvermoumlgen tiefe bis maumlszligig tiefe Boumlden mit maumlszligig feiner bis maumlszligig grober Textur zB mitteltiefe Sandboumlden Loumlszlig (schwach) lehmiger Sand
Bodentyp C Boumlden mit geringem Versickerungsvermoumlgen Boumlden mit feiner bis maumlszligig feiner Textur oder mit wasserstauender Schicht zB flache Sandboumlden sandiger Lehm
Bodentyp D Boumlden mit sehr geringem Versickerungsvermoumlgen Ton Boumlden sehr flache Boumlden uumlber nahezu undurchlaumlssigem Material Boumlden mit dauernd sehr hohem Grundwasserspiegel
BodennutzungBodentyp A B C D
Oumldland (ohne nenneswerten Bewuchs) 77 86 91 94
Hackfruumlchte Wein 70 80 87 90
Wein (Terrassen) 64 73 79 82
Getreide Futterpflanzen 64 76 84 88
Weide (normal) 49 69 79 84
Weide (kark) 68 79 86 89
Dauerwiese 30 58 71 78
Wald (stark aufgelockert) 45 66 77 83
Wald (mittel aufgelockert) 36 60 73 79
Wald (dicht) 25 55 70 77
undurchlaumlssige bzw versiegelte Flaumlchen 100 100 100 100
CN-Beiwert des SCS-Verfahrens
In Abhaumlngigkeit der Bodennutzung und des Bodentyps wird fuumlr das Niederschlagseinzugsgebiet ein flaumlchengewichteter CN-Beiwert ermittelt und der effektive Niederschlag hNE berechnet
4258800425
22004252
NN
NNNe
Ch
Chh
N
Ne
h
h
Das Originalverfahren hat Schwaumlchen und wurde mehrfach modifiziert (zB nach Oslashverland Zaiszlig und Lutz) Dabei wurde versucht den Einfluss der aktuellen Bodenfeuchte des Bodens besser zu beruumlcksichtigen Je nach Bodentyp kann diese einen groszligen Einfluss auf den effektiven Niederschlag (vgl auch Abschnitt 41) haben
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Alle diese Ansaumltze beruumlcksichtigen nicht die bei Starkregen beobachteten und in [17] beschriebenen Effekte der Bodenluftkompression die die Infiltrationsfaumlhigkeit des Porenraumes bei hohen Niederschlagsintensitaumlten mindert und somit den Anteil des Oberflaumlchenabflusses erhoumlht
Arbeitsziel unterstuumltzt durch Studienarbeit Uumlberpruumlfung und Anpassung der Modelansaumltze zur Ermittlung des abflusswirksamen Niederschlages bei Starkniederschlaumlgen unter besonderer Beruumlcksichtigung von Bodenfeuchte und Bodenluftkompressionseffekten
Die Verwendung der Radarniederschlagsdaten macht es moumlglich die zeitliche und raumlumliche Niederschlagsverteilung im Einzugsgebiet zu betrachten Da die Niederschlagsintensitaumlten und -mengen im Einzugsgebiet variieren werden sich demzufolge raumlumlich verteilte Abflussbeiwerte ergeben Die oben beschriebenen Ansaumltze zur Ermittlung des abflusswirksamen Oberflaumlchenabflusses muumlssen daraufhin angepasst und ggf weiterentwickelt werden
Arbeitsziel unterstuumltzt durch Studienarbeit Uumlberpruumlfung und Anpassung der Modelansaumltze zur Ermittlung des abflusswirksamen Niederschlages bei raumlumlich und zeitlich sich veraumlndernden Starkniederschlaumlgen
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4 Arbeitspaket 3 Uumlberpruumlfung und Anpassung der hydraulischen Ansaumltze zur Berechnung des Oberflaumlchenabflusses bei Starkregen Sturzfluten an steilen Haumlngen
Beim Oberflaumlchenabfluss muss zwischen dem klassischen Oberflaumlchenabfluss nach Horton (1933) und dem Saumlttigungsoberflaumlchenabfluss unterschieden werden
Der Oberflaumlchenabfluss nach Horton entsteht durch einen Infiltrationsuumlberschuss Die Niederschlagsintensitaumlt ist houmlher als die Infiltrationskapazitaumlt der Boumlden und das nicht infiltrierte Niederschlagswasser flieszligt dann in Fallrichtung auf der Hangoberflaumlche ab
Der Saumlttigungsoberflaumlchenabfluss setzt dann ein wenn der Boden seine maximale Wassersaumlttigung erreicht hat dh das Porenvolumen vollstaumlndig mit Wasser gesaumlttigt ist Bei diesem Abfluss tritt haumlufig Wasser aus einem vergangenen Ereignis wieder aus dem Boden aus (Exfiltration) und vermischt sich mit dem Niederschlag des aktuellen Ereignisses
Im Folgenden wird zunaumlchst nur die Einphasenstroumlmung des Oberflaumlchenwassers betrachtet der Bewegungsbeginn und der Transport von Teilen der Bodenmatrix (Erosion) werden nicht analysiert Der Massentransport koumlnnte nachdem die Bewegungsgleichungen der Einphasenstroumlmung in steilen Haumlngen verifiziert oder korrigiert wurden in spaumlteren Arbeitsschritten betrachtet werden
Fuumlr die Simulation des Oberflaumlchenabflusses an Steilhaumlngen werden aktuell dieselben Ansaumltze verwendet wie zur Berechnung des Oberflaumlchenabflusses auf flachen Uumlberflutungsflaumlchen in Gewaumlssern und auf Auen Die dabei erzielten Ergebnisse scheinen so plausibel sodass die verwendeten Modelle bislang noch nicht hinterfragt wurden Und das obwohl die geometrischen und hydraulischen Randbedingungen an steilen Hanglagen sich von denen auf flachen Uumlberflutungsflaumlchen stark unterscheiden
In diesem Zusammenhang verglich beispielsweise Herr Dipl-Ing Klaus Schmalzl des Wasserwirtschaftsamtes Rosenheim in seinem Vortrag bdquoSturzfluten hydrodynamisch numerisch mit HYDRO_AS-2D berechnenldquo [38] den er im Rahmen des Treffens der Anwender des 2D-Hydrodynamik-Programms HYDRO_AS-2D der Fa Hydrotec am 11Okt 2014 in Muumlnchen hielt das Programm HYDRO_AS-2D welches eigentlich fuumlr die 2-Dimensionale Simulation in Gewaumlssern entwickelt worden ist mit einem bdquoSchweizer Messerldquo welches als Symbol fuumlr einen vielseitigen Einsatz steht
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In Kongress INTERPRAEVENT 2012 in Grenoble [25] wurde bdquoEin neuer Ansatz zur Modellierung von Oberflaumlchenabflussldquo vorgestellt In der Zusammenfassung
bdquoOberflaumlchenabfluss wird als der Teil des Niederschlags verstanden welcher einem Vorfluter uumlber die Bodenoberflaumlche unmittelbar zufliesst Auswertungen von Unwetterereignissen in den letzten Jahren in der Schweiz haben gezeigt dass bis zu 50 der durch Wassergefahren verursachten Schadenfaumllle durch Oberflaumlchenabfluss verursacht worden sind Dennoch ist Oberflaumlchenabfluss in der Schweiz kaum in den Gefahrenkartierungsprozess integriert Um diese Luumlcke zu fuumlllen wurde auf der Basis der Software FloodArea eine Methode entwickelt welche eine Modellierung von Oberflaumlchenabfluss mit einheitlichen Kriterien uumlber grosse Gebiete erlaubt In dieser Studie werden die Methodenentwicklung und zwei Fallstudien vorgestellt Die Resultate zeigen dass an den Raumlndern von Siedlungsflaumlchen und im Landwirtschaftsland gute Ergebnisse erzielt werden Potenziell gefaumlhrdete Gebaumlude oder Bauparzellen werden erkannt Innerhalb von Siedlungsgebieten sind die Differenzen zu realen Ereignissen groumlsser Daher liegt der Fokus von Folgearbeiten auf einer weiteren Verbesserung der Genauigkeit des Gelaumlndemodells und der Integration von zusaumltzlichen Strukturen (zB Kleinbauten) welche Fliesswege entscheidend beeinflussen koumlnnenldquo aus [25]
wird auf die Software FloodArea der Fa Geomer Heidelberg verwiesen
FloodArea und auch HYDRO_AS-2D sind Beispiele von in der Praxis verwendeten Programmen zur Berechnung von Wasserspiegellagen in Gewaumlssern und zur 2-D Uumlberflutungssimulation auf Auen Wie das nachfolgende Bild zeigt sind die mit FloodArea erzielten Simulationsergebnisse plausibel
Oberflaumlchenabflussmodellierung in Busswil (Kanton Bern Schweiz) aus [25]
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Projektskizze Umgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessen (Arbeitstitel) Januar 2015 Seite 22
Der Verfasser dieser Projektskizze selbst hat in Zusammenarbeit mit der Fa Geomer in Heidelberg die hydraulischen Kernroutinen fuumlr das Programm FloodArea entwickelt und ist daher in der Lage deren Einsatzgrenzen gut beurteilen zu koumlnnen
41 Korrektur der Flieszligformeln zur Simulation des Oberflaumlchenabflusses an steilen Haumlngen
Die nachfolgende Tabelle zeigt die unterschiedlichen Auspraumlgungen von wichtigen hydraulischen und geometrischen Randbedingungen fuumlr den steilen Oberflaumlchenabfluss und fuumlr die Wasserausbreitung auf den vergleichsweise flachen Gewaumlsserauen
Parameter Auspraumlgung
Gewaumlsser und Aue Steile Hanglage
Gefaumllle klein permil bis 10
groszlig 5 bis uumlber 100
Wassertiefe groszlig Dezimeter bis mehrere Meter
klein Duumlnnfilmabfluss bis Dezimeter
Betrachten wir zunaumlchst ein Fluidelement 119889119909 times ℎ times 119880 auf einer steilen Hangflaumlche mit dem Hangneigungswinkel β und formulieren in x- Richtung das Kraumlftegleichgewicht zwischen der hangabwaumlrts treibenden Kraft
119866 times sin 120573 = 119889119909 times ℎ times 119880 times 120588 times 119892 times sin 120573 und der Hangreibungskraft T
119879 = 120591 times 119880 times 119889119909 Man erhaumllt so den bekannten Ansatz fuumlr die Schleppspannung
120591 auf einer Hangflaumlche
120591 = 120588 times 119892 times119860
119880times sin 120573 [
119873
1198982]
dx
Q
vdx cosszlig
h
G
G sinszlig
T
U
Ah
szlig
x
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Mit dem in der turbulenten Hydraulik uumlblich verwendeten Ansatz
120591 =120582
81199072 [
119873
1198982]
ergibt sich die Flieszligformel fuumlr den Oberflaumlchenabfluss
119907 =1
radic120582times radic8 times 119892 times
119860
119880times 119904119894119899 120573 [
119898
119904]
mit
v - mittl Flieszliggeschwindigkeit [ms]
1
radic120582 - Reibungskoeffizient [-]
g - Erdbeschleunigung [mssup2]
A - Abflussquerschnitt [msup2]
U - benetzte Sohle [m]
β - Hangneigungswinkel [Grad]
Da in der Flusshydraulik die Neigungswinkel der Gewaumlssersohlen deutlich kleiner sind als die Neigungswinkel steiler Hanglagen werden die Flieszligformeln vereinfach
119907 =1
radic120582times radic8 times 119892 times
119860
119880times 119868119864
Anstelle des 119904119894119899 120573 wird das Gefaumllle IE verwendet Dh
119904119894119899 120573 = 120573 oder 119904119894119899 120573 = 119905119886119899 120573 = 119868119864
mit
IE - Sohlgefaumllle [minuspermil]
Fuumlr Gefaumllle bis 20 oder 113 Grad Neigung ist diese Vereinfachung vertretbar und liefert gute Ergebnisse Ab Neigungen groumlszliger 20 darf diese Vereinfachung nicht mehr angesetzt werden Bei einer Hangneigung mit 45 Grad oder IE=1=100 Gefaumllle weichen die Ergebnisse fuumlr die Flieszliggeschwindigkeit um 16 ab
radic1 = 1 radic119904119894119899 45 = 07071 = 084 119865119890ℎ119897119890119903 =1minus084
1times 100 = 16
Bei aktuellen Simulationen werden diese Fehler manchmal auch aus Unkenntnis hingenommen oder mit Hilfe des Reibungskoeffizienten der Oberflaumlchen versucht zu korrigieren
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42 Versuchseinrichtung zur Uumlberpruumlfung und Anpassung der Flieszligformeln zur Simulation des Oberflaumlchenabflusses an steilen Haumlngen
Auf dem Gelaumlnde des Wasserbaulaboratoriums der Hochschule RheinMain soll im naumlchsten Sommersemester 2015 eine Versuchseinrichtung zur Simulation von Oberflaumlchenabfluss auf Hanglagen bis 45deg (11 100) errichtet werden
Es soll eine kippbare Versuchsrinne mit einer Breite von 10 m einer Houmlhe von 026 m und einer Laumlnge von 63 m errichtet werden (vgl auch Anlage 1) Zur vertikalen Regensimulation soll uumlber der Versuchsrinne eine Beregnungsanlage mit schwenkbaren Duumlsen angebracht werden
Kipprinne zur Simulation von Oberflaumlchenabfluumlssen an steilen Haumlngen vgl Anlage 1
In einer ersten Phase sollen die in Abschnitt 41 diskutierten hydraulischen Ansaumltze in Versuchen verifiziert werden Hierbei gilt es besonders zu uumlberpruumlfen ob bei sehr kleinen Abflusstiefen (Duumlnnfilmabfluss) die Oberflaumlchenspannung der Wassers bei den Bewegungsgleichungen von Bedeutung ist
Fuumlr die Versuchsreihen koumlnnen die Beregnungslaumlnge die Niederschlagsintensitaumlt und der Neigungswinkel der Versuchsrinne variiert werden
Arbeitsziel unterstuumltzt durch Studienarbeit Uumlberpruumlfung und Anpassung der Flieszligformeln zur Simulation des Oberflaumlchenabflusses an steilen Haumlngen
In einer spaumlteren Versuchsphase soll SohlsubstratBoden eingebracht werden um mit oder ohne kuumlnstlichen Bewuchsstrukturen verschiedene Hangrauheiten simulieren zu koumlnnen Dies soll zur Klaumlrung des Erosionsbeginns der Bodenmatrix beitragen
1000 cm
260 cm
Sohlsubstrat zur Aufnahmevon kuumlnstlichen Bewuchsstrukturen
Beregnungsanlage mit schwenkbaren Duumlsen zurvertikalen Regensimulation
Wasserkoumlrper desOberflaumlchenabflusses
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5 Arbeitspaket 4 Instationaumlre 2ndashdimensionale Modellierung des Oberflaumlchenabflusses bei Starkniederschlaumlgen
Um dem Programmieraufwand im Rahmen des Projektes so gering wie moumlglich zu halten wird vorgeschlagen das Programm Floodarea der Fa Geomer Heidelberg welches sich bisher in der Praxis bewaumlhrt hat als Basis fuumlr die Simulationen zu verwenden FloodArea ist ein vollstaumlndig in ArcGISreg integriertes 2D-Modell zur Berechnung von Uumlberschwemmungsflaumlchen Wie in Abschnitt 4 bereits erwaumlhnt war der Verfasser dieser Skizze in die Erarbeitung der hydraulischen Kernroutinen dieser Software involviert und kann insofern ihre Einsatz- und Anpassungsmoumlglichkeiten sehr gut abschaumltzen Eine Abstimmung mit Herrn Dr Assmann von der Fa Geomer erfolgte vor dem Verfassen dieser Projektskizze
Folgende Anpassungen bzw Erweiterungen des Programms sollen realisiert werden
Schnittstelle zu den DWD-Radarniederschlagsdaten um die 5-minuumltigen RADOLAN RY-Komposite fuumlr eine instationaumlre 2-dimensionale Modellierung des Oberflaumlchenabflusses verwenden zu koumlnnen(vgl Abschnitt 2)
Einarbeitung der angepassten und erweiterten Ansaumltze zur Ermittlung des abflusswirksamen Niederschlages bei Starkregen
Einarbeitung der uumlberarbeiteten hydraulischen Ansaumltze fuumlr den Oberflaumlchenabfluss in steilen Hanglagen
Fuumlr die in Abschnitt 7 vorgeschlagenen Pilot-Einzugsgebiete sollen fuumlr ausgesuchte Starkregenereignisse (Regensammlung vgl Abschnitt 22) Simulationen des Oberflaumlchenabflusses durchgefuumlhrt werden
Die Ergebnisse dieser Simulationen sollen die hydraulische Grundlage fuumlr die in Abschnitt 6 beschriebenen Starkregen-Gefahrenkarten bilden
Folgende Datengrundlagen sind in die Simulationen des Oberflaumlchenabflusses zu intergrieren
Radarniederschlagsdaten (vgl Abschnitt 2)
ein hoch aufgeloumlstes digitales Gelaumlndemodell aus Laserscandaten Bereits durchgefuumlhrte Simulationen des Landes Baden Wuumlrttemberg im Einzugsgebiet der Starzel und [25] zeigen dass der Einfluss von Kleinstrukturen und Hindernissen (Mauern Graumlben Strassendammprofile) auf den Verlauf des Abflussgeschehens einen groszligen Einfluss haben koumlnnen
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Diese Kleinstrukturen werden allerdings durch das digitale Gelaumlndemodell nicht immer vollstaumlndig abgebildet Ggf muumlssen die Kleinstrukturen nachdigitalisiert werden um das digitale Gelaumlndemodell bdquohydraulischldquo zu vervollstaumlndigen
Gewaumlssernetz
Nutzungsmodell (zB ATKIS ALKIS CORINE LAND COVER) ggf mit Luftbildaufnahmen zur Verifizierung und Praumlzisierung der Nutzung und zur Ermittlung der Bearbeitungsrichtung bei landwirtschaftlichen Flaumlchen Hydraulisch nicht aktive Gebaumludeflaumlchen muumlssen bdquomarkiertldquo werden damit die Simulation an einer moumlglichst reellen Oberflaumlchengeometrie durchgefuumlhrt werden kann
Bodenkarte
Informationen uumlber die Bodenfeuchte oder Betrachtung der Regenmengen in den letzten 30 Tagen
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6 Arbeitspaket 5 Erarbeitung von Starkregen Gefahrenkarten fuumlr das Land Hessen
Wie im einfuumlhrenden Abschnitt 1 erlaumlutert muumlssen aufgrund der zu kurzen Vorwarnzeiten in kleinen Einzugsgebieten die Flaumlchen- und Bauvorsorge intensiviert werden um Schaumlden durch Starkregen und Sturzfluten mindern zu koumlnnen Die dazu notwendigen Informationen uumlber die in dieser Hinsicht gefaumlhrdeten Flaumlchen und deren Nutzung muumlssen bei der angepassten kommunalen Planung beruumlcksichtigt werden Flaumlchennutzungs- und Bebauungsplaumlne sind auf die topographischen Gegebenheiten und auf die Abflusseigenschaften des Gebietes bei Starkregen abzustimmen
Starkregen Hinweis- oder Starkregen Gefahrenkarten koumlnnen als Ergaumlnzung zu den mittlerweile bundesweit eingefuumlhrten Hochwassergefahrenkarten diese Informationen bereitstellen
Die im Folgenden verwendeten Begriffe
Starkregen-Hinweiskarte
Starkregen-Gefahrenkarten oder Flieszligpfadkarten
sind vorlaumlufige Benennungen Wie auch bei den Hochwassergefahrenkarten muss die LAWA fuumlr eine bundesweit einheitliche Benennung Sorge tragen
Aus der Sicht der Verfasser wird ein zweistufiges Vorgehen empfohlen
1 Identifikation der potentiell gefaumlhrdeten Hangflaumlchen und die Erstellung von Starkregen Hinweiskarten
2 Simulation des Oberflaumlchenabflusses der potentiell gefaumlhrdeten Flaumlchen und Erstellung von Starkregen Gefahrenkarten oder Flieszligpfadkarten
Eine flaumlchendeckende Simulation des Oberflaumlchenabflusses im betrachteten Projektraum sollte aufgrund der dabei entstehenden Projekt- bzw Ingenieurkosten uumlberdacht werden
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(Stufe 1) Identifikation der potentiell gefaumlhrdeten Hangflaumlchen und die Erstellung von Starkregen Hinweiskarten
Es wird vorgeschlagen in einem ersten Schritt den betrachteten Projektraum flaumlchendeckend auf potentiell gefaumlhrdete Hangflaumlchen zu untersuchen
Dazu sollen die Gelaumlndeneigung die Bodennutzung sowie die Lage der steilen Hangflaumlchen zu den schadensempfindlichen Flaumlchen (zB Siedlungsgebiete) fachlich miteinander verknuumlpft werden
Beispielsweise lassen sich auf Grundlage der folgenden fachlich begruumlndeten Matrix mit Hilfe der GIS Werkzeuge die potentiell gefaumlhrdeten Hangflaumlchen leicht identifizieren
Gruumlnland Ackerland
Gelaumlndenutzung Gelaumlndeneigung
Be
arb
eitu
ng
que
r zur
Fallr
ich
tun
g
Be
arb
eitu
ng
in
Fallr
ich
tun
g
kleiner 5 nicht
gefaumlhrdet wenig
gefaumlhrdet
5 bis 10 maumlszligig
gefaumlhrdet
10 bis 20 maumlszligig
gefaumlhrdet
groszliger 20 stark
gefaumlhrdet sehr stark gefaumlhrdet
sehr stark gefaumlhrdet
Liegen unterhalb stark oder maumlszligig gefaumlhrdeter Flaumlchen Siedlungsgebiete oder sind in den gefaumlhrdeten Flaumlchen Siedlungsentwicklungen geplant ist eine detaillierte Untersuchung des Oberflaumlchenabflusses erforderlich (Stufe 2)
Die bislang verwendeten Kriterien zur Einschaumltzung den potentiell betroffenen Flaumlchen sollten uumlberpruumlft und weiterentwickelt werden
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Beispiel fuumlr eine Starkregen-Hinweiskarte Stadt Nidderau
(Stufe 2) Simulation des Oberflaumlchenabflusses der potentiell gefaumlhrdeten Flaumlchen und Erstellung von Starkregen Gefahrenkarten oder Flieszligpfadkarten
Fuumlr die in Stufe 1 identifizierten gefaumlhrdeten Flaumlchen ist in der zweiten Stufe der Oberflaumlchenabfluss zu simulieren Je nach Groumlszlige des zu betrachtenden Niederschlagseinzugsgebietes oberhalb der gefaumlhrdeten Siedlungsflaumlchen und Infrastrukturen muumlssen aus der Regensammlung (vgl Abschnitt 22) konvektive Ereignisse geeigneter Dauer ausgewaumlhlt werden
Aus der instationaumlren 2D-Simulation erhaumllt man fuumlr definierte Zeitpunkte nach dem Beginn des Niederschlages folgende fuumlr das gewaumlhlte Berechnungsraster raumlumlich aufgeloumlste hydraulisch relevante Grundinformationen
Ist die Flaumlche benetzt (janein)
Wasserstand (bdquoUumlberflutungshoumlheldquo) auf der Flaumlche
Flieszligrichtung und Flieszliggeschwindigkeit auf der Flaumlche
Diese hydraulischen Grundinformationen muumlssen aufbereitet fachlich interpretiert und auf geeignete Weise dargestellt werden
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Letztlich geht es darum die Frage zu klaumlren welche Fachinformationen eine Starkregen-Gefahrenkarte beinhalten sollte
Aus der Sicht der Verfasser sollten in den Gefahrenkarten folgende hydraulische Informationen enthalten sein
Abflussrinnen und Flieszligpfade auf den Hangflaumlchen (Vervollstaumlndigung des Gewaumlssernetzes gegen Flieszligrichtung vgl auch Bild Abschnitt 4 Seite 21)
Starkregen-Gefahrenkarte mit Flieszligpfaden und Flieszligrichtung aus BWK [1]
Wassertiefenentwicklung entlang der Flieszligpfade
Flieszliggeschwindigkeiten entlang der Flieszligpfade
Diese Fachinformationen sollten zusammen mit einem fuumlr den Nutzer geeigneten Kartenhintergrund (Luftbildaufnahmen ALK topographische Karte etc) visualisiert werden
Im Rahmen der Bearbeitung der vorgeschlagenen Pilot-Einzugsgebiete (siehe Abschnitt 7) sind geeignete Inhalte und Darstellungsmoumlglichkeiten fuumlr Starkregen-Gefahrenkarten zu entwickeln
Wie auch bei den Hochwassergefahrenkarten sollte die LAWA fuumlr bundesweit einheitliche Standards der Starkregen-Gefahrenkarten Sorge tragen
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7 Arbeitspaket 6 Modell- Pilotprojekt bdquoUmgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessenldquo
In einem letzten Arbeitsabschnitt sollen anhand ausgesuchter Einzugsgebiete mit Hilfe des in Abschnitt 6 vorgeschlagenen Vorgehens Starkregen-Hinweiskarten und Starkregen-Gefahrenkarten erstellt werden
Die Verwendung von Niederschlagsdaten aus Radarbeobachtungen (vgl Abschnitt 1) und der Einsatz des verbesserten Simulationsmodells (vgl Abschnitte 3 und 4) werden gegenuumlber der heutigen Praxis bessere fachliche Informationen zur Bewaumlltigung von Starkregen-Gefahrenlagen bereitstellen koumlnnen
Folgende Pilot-Einzugsgebiete in hessischen Rheingau werden zur Auswahl gestellt
Walluf (AE=281 kmsup2) Die Walluf besitzt einen Pegel (Martinsthal AE=245 kmsup2 36 km oberhalb der Muumlndung) im Einzugsgebiet An der Hochschule RheinMain steht ein Niederschlags-Abfluss Modell der Walluf zur Verfuumlgung
Erbbach Kisselbach (AE= 106 kmsup2)
Pfingstbach (AE= 84 kmsup2)
Stegbach Blaubach (AE= 127 kmsup2)
Der Hochwasserrisikomanagementplan Rheingau steht zurzeit in der oumlffentlichen Abstimmung und wird im Laufe 2015 fertig gestellt werden Nach Aussage von Frau Tremper des Regierungspraumlsidiums Darmstadt Abteilung IVWi 412 waumlre eine Ergaumlnzung des HWRM-PL Rheingau durch Starkregen-Hinweis- und -Gefahrenkarten der Rheingaubaumlche hilfreich Diese wuumlrden die im HWRM-PL Rheingau betrachteten Rhein-Hochwasserszenarien ergaumlnzen
Arbeitsziel unterstuumltzt durch Studienarbeiten Erstellung von Niederschlags- Abfluss Modellen fuumlr die Rheingaubaumlche Erbach Kisselbach Pfingstbach Stegbach Blaubach
Bei der Erstellung der Starkregen-Hinweiskarten und Starkregen-Gefahrenkarten fuumlr die Pilot-Einzugsgebiete sollen die in Abschnitt 6 weiterentwickelten Ansaumltze erprobt und die Karteninhalte mit den spaumlteren Nutzern diskutiert werden Dabei sollen insbesondere die Kartendarstellung und deren Inhalte den jeweiligen fachlichen Beduumlrfnissen entsprechen
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8 Literatur und Quellen
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[6] Deutscher Wetterdienst (DWD) (Hrsg)(2008) Radarniederschlag-Prinzip der Niederschlagsbestimmung mit Radar inklusive Umrechnung der Radarreflektivitaumlten in Momentanwerte des Niederschlages Version 10
[7] Deutscher Wetterdienst (DWD) Abteilung Hydrometeorologie (Hrsg)(2005) Projekt RADVOR-OP
[8] Deutscher Wetterdienst (DWD) Abteilung Hydrometeorologie (Hrsg)(2012) Projekt RADVOR-OP
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[11] DWA Regelwerk Merkblatt DWA-M 153 (2007) Handlungsempfehlungen zum Umgang mit Regenwasser
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[13] DWA Themen (2010) Abfluumlsse aus extremen Niederschlaumlgen Ergebnisse einer Bestandsaufnahme Hochwasserereignisse und Modellansaumltze zu ihrer Abbildung
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9 Allgemeine Informationen Zeitplan und Ressourcen
91 Allgemeine Informationen
Antragsteller Prof Dr-Ing Ernesto Ruiz Rodriguez Wasserbaulaboratorium am Fachbereich Architektur und Bauingenieurwesen Hochschule RheinMain Kurt-Schumacher-Ring 18 65197 Wiesbaden
Projektbearbeiter Arbeitsgruppe bdquoStarkregen und Sturzflutenldquo am Wasserbaulaboratorium Prof Dr-Ing Ernesto Ruiz Rodriguez (Projektleitung) BEng Lisa Trost (Projektbearbeitung) Frank Salffner (Vermessungstechniker Laborant am Wasserbaulaboratorium und in der EDV- Arbeitsgruppe des Fachbereichs) Die Arbeitsziele werden durch Studienarbeiten des Master- Studienganges bdquoUmweltmanagement und Stadtplanung in Ballungsraumlumenldquo (UMSB) unterstuumltzt
Partnerschaften Kooperationspartner Prof Dr Ralf Doumlrner Hochschule RheinMain
FG Graphische Datenverarbeitung und Virtuelle Realitaumlt Prof Dr Robert Seuszlig Fachhochschule Frankfurt FG Geoinformation und Kommunaltechnik Berufsfeuerwehr Wiesbaden Dr Andreacute Assmann Fa Geomer Heidelberg
gewuumlnschte Zusammenarbeit Deutscher Wetterdienst Abt Hydrometeorologie Projektdauer 4 Jahre (vgl 92 Zeitplan) Eigenmittel Projektleitung durch Prof Dr E Ruiz Rodriguez
Nutzung der Einrichtungen des Wasserbaulaboratoriums der Hochschule RheinMain Unterstuumltzung bei Laborarbeiten und EDV Infrastruktur durch Frank Salffner
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92 Zeitplan
1
Jah
r
2
Jah
r
3
Jah
r
4
Jah
r Bemerkung
Arbeitspaket 1 Verwendung von Radardaten zur Simulation von Starkregen Sturzfluten fuumlr kleine Einzugsgebiete
Beginn der Arbeiten
Klaumlrung der Verfuumlgbarkeit von Radarniederschlagsdaten (fuumlr Modellierer Ingenieurbuumlros)
Aufwand zur Nutzung und Aufbereitung von Radarniederschlagsdaten fuumlr Modellierer Ingenieurbuumlros Erstellung eines Werkzeugs zur Visualisierung der archivierten und aktuellen Radarniederschlagsdaten Erstellung eines Werkzeugs zur Transformation und Projektion der DWD-RADOLAN-RW und RY-Komposit-Radarniederschlagsdaten in Gauszlig-Kruumlger undoder UTM-Projektion Erstellung eines GIS Werkzeugs zur Aufbereitung der DWD-RADOLAN-Komposit-Raster zur Simulation von Starkregen in kleinen Einzugsgebieten
1 Berichterstattung Arbeitspaket 1 (Teil 1)
Auswertung der RADOLAN Radarniederschlagsdaten des DWD
Praxisseminar Kolloquium bdquoVerwendung von Radardaten zur Simulation von Starkregen Sturzfluten in Hessenldquo
Arbeitspaket 2 Uumlberpruumlfung und Anpassung von Modellansaumltze zur Ermittlung des abflusswirksamen Niederschlages bei Starkregen
Uumlberpruumlfung und Anpassung der Modellansaumltze zur Ermittlung des abflusswirksamen Niederschlages bei Starkniederschlaumlgen unter besonderer Beruumlcksichtigung von Bodenfeuchte und Bodenluftkompressionseffekten
Arbeitspaket 3 Uumlberpruumlfung und Anpassung der hydraulischen Ansaumltze zur Berechnung des Oberflaumlchenabflusses bei Starkregen Sturzfluten an steilen Haumlngen
Bau der Versuchsrinne am Wasserbaulaboratorium Durchfuumlhrung und Auswertung der Versuche Uumlberpruumlfung und Anpassung der hydraulischen Ansaumltze zur Berechnung des Oberflaumlchenabflusses
2 Berichterstattung Arbeitspaket 2 und Arbeitspaket 3 (Teil1)
Arbeitspaket 4 Instationaumlre 2ndashdimensionale Modellierung des Oberflaumlchenabflusses bei Starkniederschlaumlgen
Anpassen des 2-dimensionallen Modelles auf instationaumlre Niederschlagsfronten Schnittstelle zu DWD RADOLAN Komposite Einarbeiten der verbesserten Ansaumltze zu Berechnung des abflusswirksamen Niederschlages bei Starkniederschlaumlgen Einarbeiten der verbesserten hydraulischen Ansaumltze
wird fortgesetzt
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1
Jah
r
2
Jah
r
3
Jah
r
4
Jah
r Bemerkung
Arbeitspaket 5 Erarbeitung von Starkregen Gefahrenkarten fuumlr das Land Hessen
Uumlberpruumlfen und Anpassung von fachlichen Kriterien fuumlr die Erstellung von Starkregen-Karten Definition der Inhalte von Starkregen-Hinweiskarten Definition der Inhalte von Starkregen- Gefahrenkarten
3 Berichterstattung Arbeitspaket 3 (Teil 2) Arbeitspaket 4 und Arbeitspaket 5 (Teil1)
Arbeitspaket 6 Modell- Pilotprojekt bdquoUmgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessenldquo
Erarbeitung von Starkregen-Hinweiskarten fuumlr die ausgewaumlhlten Pilot-Einzugsgebiete Erarbeitung von Starkregen-Gefahrenkarten fuumlr die ausgewaumlhlten Pilot-Einzugsgebiete Uumlberpruumlfen der fachlichen Kriterien und Ansaumltze (Arbeitspaket 5) fuumlr die Erstellung von Starkregen-Karten Diskussion uumlber die Starkregen-Karteninhalte und Starkregen-Kartendarstellung mit den Nutzern
4 Berichterstattung Arbeitspaket 5 (Teil 2) und Arbeitspaket 6 (Abschlussbericht)
93 Beantragte Mittel
Zur Durchfuumlhrung und Erreichung der im Antrag beschriebenen Arbeitsziele werden fuumlr das
1 Projektjahr 35000 Euro
2 Projektjahr 35000 Euro
3 Projektjahr 35000 Euro
4 Projektjahr 35000 Euro
beantragt
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1160 cm
280 cm
260 cm
1000 cm
1080 cm
6300 cm280 cm
3000 cm3000 cm
3000 cm 3000 cm
1000 cm624 cm
1500deg
Kipprinne zur Simulation des Oberflaumlchenabflusses an steilen HaumlngenLaumlnge= 630 mBreite= 10 mHoumlhe= 026 mmax Neigungswinkel 45deg
variableBeregnungslaumlnge
Maszligstab 120
1000 cm
260 cm
Sohlsubstrat zur Aufnahmevon kuumlnstlichen Bewuchsstrukturen
Beregnungsanlage mit schwenkbaren Duumlsen zurvertikalen Regensimulation
Wasserkoumlrper desOberflaumlchenabflusses
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Projektskizze Umgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessen (Arbeitstitel) Januar 2015 Anlage 1
1830 cm
2625 cm
Drehpunkt
1330 cm
6300 cm
280 cm
1500deg
Maszligstab 120
Kipprinne zur Simulation des Oberflaumlchenabflusses an steilen HaumlngenLaumlnge= 630 mBreite= 10 mHoumlhe= 026 mmax Neigungswinkel 45deg
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1 Vorbemerkungen
Etwa 50 der Uumlberflutungsschaumlden ndash so zeigen die Erfahrungen aus extremen Niederschlagsereignissen und der Versicherungswirtschaft ndash werden durch lokale Sturzfluten und Hangabfluumlsse die nicht in direktem Zusammenhang mit der Ausuferung eines oberirdischen Gewaumlssers stehen verursacht Auf kommunaler Ebene wird die Starkregen-Problematik des- wegen verstaumlrkt diskutiert
In der 2012 veroumlffentlichten Strategie zur Anpassung an den Klimawandel in Hessen wird auf die erwartete Intensivierung der Starkregenereignisse und auf deren Wirkungen und Gefahrenpotentiale hingewiesen
Anders als bei groszligen Flusssystemen sind bei konvektiven Starkniederschlaumlge in kleinen Einzugsgebieten (Aelt 50 kmsup2) bislang keine guten raumlumlichen und zeitlichen Vorhersagen moumlglich
Zur Minderung der Schaumlden durch Starkregen und Sturzfluten muumlssen die regionale und kommunale Flaumlchenvorsorge sowie die Bauvorsorge intensiviert werden Dafuumlr muumlssen allerdings Informationen uumlber die Nutzung der gefaumlhrdeten Flaumlchen und die entsprechenden Einwirkungsintensitaumlten auf den Flaumlchen bekannt sein
Zwar wird im Rahmen der Umsetzung der EU-Hochwasserrisikomanagement Richtlinie (EU-HWRML) wird das Thema Starkregen bzw Sturzfluten zwar zur Kenntnis genommen aber das Land Hessen hat aber beispielsweise bei der Bearbeitung der Hochwasserrisikomanagementplaumlne die lokalen Wirkungen von Starkregen auf den Haumlngen(bdquoSturzflutenldquo) nicht beruumlcksichtigt In den Hochwassergefahrenkarten werden lediglich jene Flaumlchen dargestellt die die Folge von Ausuferungen sind
Um die identifizierten ErkenntnisluumlckenDefizite zu beheben schlaumlgt die Arbeitsgruppe bdquoStarkregen und Sturzflutenldquo am Fachbereich Architektur und Bauingenieurwesen der Hochschule RheinMain folgende Arbeitspakete vor
Arbeitspaket 1 Verwendung von Radardaten zur Simulation von Starkregen Sturzfluten fuumlr kleine Einzugsgebiete (In Zusammenarbeit mit dem DWD)
Arbeitspaket 2 Uumlberpruumlfung und Anpassung von Modellansaumltze zur Ermittlung des abflusswirksamen Niederschlages bei Starkregen
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Arbeitspaket 3 Uumlberpruumlfung und Anpassung der hydraulischen Ansaumltze zur Berechnung des Oberflaumlchenabflusses bei Starkregen Sturzfluten an steilen Haumlngen
Arbeitspaket 4 Instationaumlre 2ndashdimensionale Modellierung des Oberflaumlchenabflusses bei Starkniederschlaumlgen
Arbeitspaket 5 Erarbeitung von Starkregen Gefahrenkarten fuumlr das Land Hessen
Arbeitspaket 6 Modell- Pilotprojekt bdquoUmgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessenldquo
Mit einer verbesserten Methodik zur Erstellung von Starkregen-Gefahrenkarten die hier erarbeitet werden soll kann ein Beitrag zur Risikominderung oder ndashvermeidung infolge von Starkregen geleistet und somit eine Anpassung an den Klimawandel in Hessen optimiert werden
Die Arbeiten der Arbeitsgruppe bdquoStarkregen und Sturzflutenldquo sollen durch Studienarbeiten des Master Studienganges Umweltmanagement und Stadtplanung in Ballungsraumlumen (UMSB) unterstuumltzt werden Die organisatorische Abwicklung innerhalb der Hochschule und die Grundbetreuung sind durch Prof Dr Ernesto Ruiz Rodriguez und Frau BEng Lisa Trost gesichert Eine partnerschaftliche Betreuung durch das HLUG und den DWD ist moumlglich und wird ausdruumlcklich erwuumlnscht
Die benoumltigte Labor- und EDV-Infrastruktur zur Bearbeitung der Arbeitspakete wird vom FB Architektur und Bauingenieurwesen der Hochschule RheinMain bereitgestellt
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2 Arbeitspaket 1 Verwendung von Radardaten zur Simulation von Starkregen Sturzfluten fuumlr kleine Einzugsgebiete
In Anlehnung an das uumlbliche Vorgehen bei der Erstellung von Niederschlags-Abfluss Modellen werden bei allen aktuellen Simulationen von Starkregen stationaumlre statische Regen (gleichmaumlszligige Gebietsuumlberregnung) als Belastung auf das betrachtete Einzugsgebiet verwendet Sofern die Daten einer nahegelegen Niederschlagsstation zur Verfuumlgung stehen kann der Intensitaumltsverlauf waumlhrend des Niederschlagsereignisses beruumlcksichtigt werden Die Einordnung der Auftretenswahrscheinlichkeit des Ereignisses unter Beruumlcksichtigung der Niederschlagsdauer erfolgt meist mit Hilfe der KOSTRA DWD 2000 Auswertung
Befinden sich keine Niederschlagsstationen in der Naumlhe des Einzugsgebietes Ae wird ein Blockregen aus KOSTRA DWD 2000 mit der jeweiligen Regendauer T=(te-ta) und dem entsprechenden Wiederkehrintervall verwendet
Ae
iw T= (te - ta)
stationaumlrer statischer Blockregen iw uumlber dem Einzugsgebiet Ae
Der Intensitaumltsverlauf des Regens die Intensitaumltsverteilung uumlber dem Einzugsgebiet die Zugrichtung und -geschwindigkeit der Regenfront werden allerdings nicht beruumlcksichtigt Lokale Belastungsspitzen die sich aus der Intensitaumltsverteilung in Verbindung mit der Zugrichtung und der Zuggeschwindigkeit ergeben koumlnnen so nicht erfasst werden
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Als Beispiel hierfuumlr wird das Niederschlagsereignis von Freitag dem 11072014 im Teileinzugsgebiet (Rambach) des Salzbaches in der Landeshauptstadt Wiesbaden betrachtet
Die Niederschlagsmenge von 47 mm in einer Stunde (fuumlr das Teileinzugsgebiet des Rambachs mit Ae=21 kmsup2) kann nach KOSTRA DWD (Rasterfeld Wiesbaden) und einer angenommenen Konzentrationszeit von 1 h (Flieszligzeit der Welle in Teileinzugsgebiet) als ein Ereignis mit einem Wiederkehrintervall (WKI) von 100 Jahren einordnen werden
Die Gewitterfront vom 11072014 zog vom Nordosten Richtung Suumldwesten und somit genau in Flieszligrichtung des Rambachs Da die Frontrichtung und wahrscheinlich auch die Frontgeschwindigkeit mit dem Wellenablauf im Rambach
0107
76
124 122114
1 0902 01 01 01 0
0
2
4
6
8
10
12
14
1520 1525 1530 1535 1540 1545 1550 1555 1600 1605 1610 1615 1620
mm
in 5
min
11072014 1520 bis 1620 Uhr
Niederschlag WI AuringenN-Summe 468 mm in 1 h
1284
912
1488 14641368
12 10824 12 12 12
0
20
40
60
80
100
120
140
160
1520 1525 1530 1535 1540 1545 1550 1555 1600 1605 1610 1615 1620
Inte
nsi
taumlt
i [m
mh
]
11072014 1520 bis 1620 Uhr
Niederschlag WI AuringenN-Summe 468 mm in 1 h
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korrespondierten wurden das Wellenvolumen und auch der Wellenscheitel entscheidend vergroumlszligert
Gewaumlssernetz des Teileinzugsgebiets Rambach in der Landeshauptstadt Wiesbaden Zugrichtung der Gewitterfront am 11072014
Dieser fehlende Aspekt in der N-A-Modellierung ist bekannt wird aber aufgrund mangelnder Datengrundlagen oder notwendiger Finanzmittel bei der Simulation selten beruumlcksichtigt Ein Ansatz diese Luumlcke zu fuumlllen ist die Verwendung von Radarniederschlagsdaten
Nachfolgend werden Arbeitsschritte vorgeschlagen die dabei helfen sollen unter der Verwendung von Niederschlagsdaten aus Radaraufzeichnungen die Datengrundlagen fuumlr eine bessere Simulation von Starkregen und Sturzfluten zu verbessern
Im Rahmen der RADOLAN (Routineverfahren zur Online-
Aneichung der Radarniederschlagsdaten mit Hilfe von automatischen
Bodenniederschlagsstationen (Ombrometer)) und RADVOR-OP (Radargestuumltzte zeitnahe Niederschlagsvorhersage fuumlr den
operationellen Einsatz) Projekte des DWD sind Radarprodukte entstanden die geeignet waumlren die Simulation von Starkregen
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Sturzfluten besonders in kleinen Einzugsgebieten entscheidend zu verbessern
Voraussetzung hierfuumlr waumlre aber dass die Radarniederschlagsdaten in einer ausreichenden zeitlichen und raumlumlichen Aufloumlsung und in handhabbarer Form fuumlr die Anwender (Modellierer Ingenieurbuumlros) vorliegen (vgl auch Abschnitt 1)
21 Klaumlrung der Verfuumlgbarkeit von Radarniederschlagsdaten (fuumlr Modellierer Ingenieurbuumlros)
Vorab ist anzumerken dass im Rahmen dieser Projektskizze die Qualitaumlt der vorhandenen Radarniederschlagsdaten die Weiterentwicklung Korrektur (zB Abschattungskorrektur Verfeinerte Z-R-Beziehung etc) und die Verbesserung der Aneichung der Radarbilder nicht diskutiert werden soll
Es wird davon ausgegangen dass die raumlumlichen und zeitlichen Aufloumlsung der Radarniederschlagsdaten bei jetziger bdquoQualitaumltldquo eine deutlich bessere Datengrundlage zur Modellierung darstellen als die bisher verwendeten stationaumlren statischen Niederschlaumlge aus den Niederschlagsstationen oder aus dem KOSTRA DWD-Raster (845 km x 845 km)
Der Deutsche Wetterdienst (DWD) speichert im Rahmen des RADOLAN Projektes seit Juni-2005 bis heute Radaraufzeichnungen und stellt diese in verschiedenen Formaten und zu verschiedenen Konditionen zur Verfuumlgung
Fuumlr die 16 Radarstandorte des DWD stehen jeweils Radarbilder mit einer 5-minuumltigen Aufloumlsung zur Verfuumlgung
Am bekanntesten ist das sog RADOLAN-RW-Kompositprodukt fuumlr die Flaumlche der Bundesrepublik Deutschland (900 km x 900 km)
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RADOLAN RW Kompositprodukt fuumlr die Flaumlchen der Bundesrepublik Deutschlandkomposit (900 km x 900 km) aus [5] 2011
Hierbei handelt es sich um die mit Hilfe der Bodenniederschlagsstationen angeeichten und uumlberlagerten Radarbilder der 16 Radarstationen Dieses Produkt gibt den Niederschlag pro Stunde fuumlr ein Rasterfeld von 1km x 1km an und steht in einer zeitlichen Aufloumlsung von einer Stunde zur Verfuumlgung Die Daten sind frei verfuumlgbar und stehen auf dem FTP-Server des DWD (ftpftp-cdcdwddepubCDC) zur freien Download zur Verfuumlgung Sie liegen im RADOLAN Kompositformat Version 222 vor Dies ist ein Binaumlrformat mit ASCII Header und kann zB mit der Python Skript-Bibliothek bdquowradlibldquo gelesen werden
Auszug aus dem RADOLAN-Kurzbeschreibung (Stand April 2012)
bdquoDas derzeit bestmoumlgliche am schnellsten verfuumlgbare RADOLAN-Ergebnis (RW-Produkt) ist ein angeeichtes RadarndashDeutschlandkomposit mit stuumlndlichen Niederschlagshoumlhen in einer Intensitaumltsaufloumlsung von 01 mm und in einer raumlumlichen Aufloumlsung von einem Quadratkilometer welches zeitnah (innerhalb von 30 Minuten) zur Verfuumlgung stehtldquo
Die RADOLAN-Komposite liegen in polarstereografischer Projektion vor und haben in der Projektion eine aumlquidistante Rasterung von 10 km Das kartesische Koordinatensystem besitzt eine Groumlszlige von 900 km x 900 km (siehe auch [4] [5])
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Eine deutlich bessere zeitliche Aufloumlsung liefert das RADOLAN RY-Komposit Bei gleicher raumlumlicher Aufloumlsung wie das oben beschriebene RW-Komposit besitzt das RY-Komposit in einer zeitlichen Aufloumlsung von 5 Minuten Die Niederschlagshoumlhen werden in 001 mm bereitgestellt
Beide Radar-Komposit-Produkte (RW und RY) sind fuumlr behoumlrdliche Aufgaben im Rahmen des vorbeugenden Hochwasserschutzes der BRD entwickelt und optimiert worden Fuumlr mittlere und groszlige Einzugsgebiete ist die bereit gestellte raumlumliche und zeitliche Aufloumlsung beider Produkte voumlllig ausreichend
Fuumlr kleine Einzugsgebiete (lt 50 kmsup2) stellt die raumlumliche Aufloumlsung von 1km x 1km die bei beiden Komposit-Produkte moumlglich ist eine deutliche Verbesserung gegenuumlber der Dichte der Niederschlagsstationen und der DWD KOSTRA Rasterweite dar
Am Beispiel des Teileinzugsgebietes des Rambach Ae=21 kmsup2 in Wiesbaden erhaumllt man uumlber das Radar-Komposit-Produkt eine deutlich bessere raumlumliche Aufloumlsung der Niederschlagsverteilung als uumlber die einzelnen Niederschlagsstation in WI-Auringen oder WI-Biebrich
Die zeitliche Aufloumlsung von 5 Minuten bietet die Moumlglichkeit die zeitliche Entwicklung und die raumlumlich Verteilung der Niederschlagsintensitaumlt auch fuumlr kleine Einzugsgebieten in ausreichender Qualitaumlt abzubilden
Die Klaumlrung der Anfrage beim DWD (Ansprechpartner Elmar Weigl) ob auch ein bdquoHessen Kompositldquo mit houmlherer raumlumlicher Aufloumlsung denkbar und erhaumlltlich ist steht noch aus
Insgesamt sind die angebotenen Radarniederschlagsdaten Radarprodukte auf die Beduumlrfnisse der aktuellen Nutzer zugeschnitten Die Zugaumlnglichkeit fuumlr Lehre und Forschung ist ausreichend gegeben
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22 Aufwand zur Nutzung und Aufbereitung von Radarniederschlagsdaten fuumlr Modellierer Ingenieurbuumlros
Wie in Abschnitt 1 einfuumlhrend erlaumlutert sind neben einer ausreichenden raumlumlichen und zeitlichen Aufloumlsung
die Kosten fuumlr die Beschaffung der Radarniederschlagsdaten und
der Aufbereitungsaufwand fuumlr die Simulation
fuumlr Modellierer Ingenieurbuumlros entscheidend
Ingenieurbuumlros bearbeiten Projekte aufgrund der Ausschreibungsbedingungen und der starken Konkurrenzsituation in einem sehr engen Finanzrahmen
Die aktuell angebotenen Radarniederschlagsdaten Radarprodukte benoumltigen einen zu groszligen Aufbereitungsaufwand um diese fuumlr die Simulation von Starkregen und Sturzfluten in kleinen Einzugsgebieten zu nutzen
Vor einer Simulation muumlssen die folgenden zwei Schritte abgearbeitet werden
1) Auswahl geeigneter konvektiver Ereignisse fuumlr das Untersuchungsgebiet (Regensammlung)
2) Aufbereitung der 5-minuumltigen Radarniederschlagsdaten fuumlr die gewaumlhlten konvektiven Ereignisse
Auswahl geeigneter konvektiver Ereignisse fuumlr das Untersuchungsgebiet (Regensammlung)
Zur Erinnerung Aktuelle werden die Radarniederschlagsdaten noch nicht genutzt sondern der statischen Regen aus einer benachbarten Niederschlagsstation oder statischen Blockregen aus DWD KOSTRA 2000 entnommen Die Dauer der Modellregen orientiert sich dabei an der Konzentrationszeit Flieszligzeit im Niederschlagsgebiet Um den Aufwand zur Beschaffung Auswahl und Aufbereitung der Niederschlagsdaten von konvektiven Ereignissen einzelner Niederschlagsstationen zu umgehen werden stattdessen die DWD KOSTRA 2000 Blockregen verwendet
Um bei der Auswahl von konvektiven Ereignissen aus Radarniederschlagsdaten den Kostenrahmen fuumlr die Datenbeschaffung gering zu halten erscheint es sinnvoll auf die RADOLAN-RW-Komposit Radarniederschlagsdaten mit einer zeitliche Aufloumlsung von 1 h die auf dem FTP-Server des
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DWD (ftpftp-cdcdwddepubCDC) zum freien kostenlosen Download zur Verfuumlgung stehen zuruumlck zu greifen
Mit folgenden Systemen lassen sich zurzeit die Niederschlagsdaten des RADOLAN RW-Komposits visualisieren
KONRAD webKONRAD - Zugang uumlber das Feuerwehrinformationssystem (FEWIS)
IDLRaBiD 50 - Darstellungsprogramm fuumlr Radarbilder des Deutschen Wetterdienstes
WaWIS (Registrierung uumlber DWD notwendig)
NinJo Lizenz erhaumlltlich uumlber Ernst Basler + Partner GmbH
Python Skript Bibliothek bdquowradlibldquo (Darstellen der einzelnen RW Komposite)
KONRAD bzw webKONRAD ist nur uumlber den Zugang des Feuerwehrinformationssystems (FEWIS) zu erreichen und steht Ingenieurbuumlros nicht zur Verfuumlgung
IDLRaBiD 50 ist eine interne Software des DWD und steht Ingenieurbuumlros nicht zur Verfuumlgung
WaWIS steht nur Behoumlrden zur Verfuumlgung die im Rahmen des Katastrophenschutzes taumltig sind
NinJo 17 kann als Lizenzprodukt erworben werden Auf das Ingenieurbuumlro kaumlmen Lizenz- und Installationskosten welche sich im 5 stelligen Bereich bewegen zu Fuumlr Forschungsinstitutionen fallen die Lizenzkosten weg es verbleiben jedoch Installationskosten von ca 5000 Euro Eine Betrachtung von konvektiven Fronten uumlber mehrere Tage hinweg ist fuumlr ausgesuchte Zeitabschnitte moumlglich
Eine weitere Alternative ist die Nutzung der umfangreichen Phyton-Skript Bibliothek bdquowradlibldquo Hier muss jedes einzelne RW-Komposit eingelesen und visualisiert werden Natuumlrlich wird dies durch geeignete wradlib utility functions (Batch Routinen zur Verarbeitung vieler RW-Komposite) erleichtert Der Gesamtaufwand zur Visualisierung ist dennoch erheblich
Der Einsatz der letzten zwei Alternativen setzt jedoch voraus dass man bestimmte konvektive Ereignisse bereits identifiziert hat Dh die entsprechenden historischen Ereignisse sind bekannt oder es wurden aus den Aufzeichnungen der Bodenniederschlagsstationen bereits Ereignisse ausgewaumlhlt
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Zurzeit gibt es noch kein System welches frei zugaumlnglich ist und die historischen RW RADOLAN-Daten (Juni-2005 bis heute) visualisieren kann
Optimal waumlre es wenn die RW-RADOLAN-1h-Komposite jahresweise in einem Video mit Datum Kartenhintergrund und N-Intensitaumltsskala vor- und ruumlckspulbar betrachtet werden koumlnnten Auf diese Weise waumlre es moumlglich maszliggebende konvektive Ereignisse Szenarien (Regensammlung mit verschiedenen Niederschlagsdauern und verschiedenen Niederschlagsmengen) zur Simulation leichter zu identifizieren (vgl auch Abschnitt 7)
Arbeitsziel unterstuumltzt durch Studienarbeit Entwurf und Umsetzung eines Werkzeugs zur Visualisierung der archivierten und aktuellen Radarniederschlagsdaten (DWD-RADOLAN-RW-Komposit)
Aufbereitung der 5 minuumltigen Radarniederschlagsdaten fuumlr die gewaumlhlten konvektiven Ereignisse
Sind die konvektiven Ereignisse Szenarien zur Simulation identifiziert muumlssen deren Radarniederschlagsdaten je nach Anforderung des verwendeten Simulationsmodells aufbereitet werden
Alle Simulationsmodelle nutzen fuumlr die Eingabeaufbereitung und Ergebnispraumlsentation GIS-Oberflaumlchen So lassen sich Simulationsergebnisse mit anderen Datengrundlagen (Amtliches Liegenschaftskatasterinformationssystem ALKIS Bodeninformationen Luftbilder Nutzung etc) verschneiden und fachlich interpretieren (zB Erstellung von Starregen Gefahrenkarten) Oftmals werden die Simulationsmodelle als aufgesetzte bdquoFachschaltenldquo zu GIS-Systemen realisiert
Diese Tatsache macht es unumgaumlnglich die Komposit-Radarniederschlagsdaten auf ein GIS-System kompatibles Format mit geeigneter Projektion (zB Gauszlig-Kruumlger- oder UTM-Projektion) zu uumlberfuumlhren
Die fuumlr die DWD ndashRADOLAN-RW-Komposit-Radarniederschlagsdaten verwendete polarstereographische Projektion (siehe [5]) ist fuumlr die derzeitigen Anwendungen geeignet Man betrachtet und beurteilt groszligraumlumige Wetterlagen uumlber Staats- Bundeslandgrenzen hinweg
Fuumlr eine Simulation von kleinraumlumigen Starkregenereignissen und eine fachliche Verschneidung der Simulationsergebnisse mit weiteren Daten eignet sich die polarstereographische Projektion jedoch nicht
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In [33 Kapitel 5] werden die Probleme beim Georeferenzieren der DWD-RADOLAN-Komposite ausfuumlhrlich erlaumlutert
Arbeitsziel unterstuumltzt durch Studienarbeiten Entwurf und Umsetzung eines Werkzeugs zur Transformation und Projektion der DWD-RADOLAN-RW und RY-Komposit-Radarniederschlagsdaten in Gauszlig-Kruumlger undoder UTM-Projektion
Innerhalb des HLUG sollte eine Diskussion zur Festlegung einheitlicher Projektionen fuumlr kuumlnftige wasserwirtschaftliche Projekte im Land Hessen stattfinden
Waumlhrend die in Gauszlig-Kruumlger- oder UTM transformierten Radarniederschlagsdaten in einem Raster von ca 1km x 1km vorliegen koumlnnen die Simulationsmodelle (vgl Abschnitt 0) je nach gewaumlhlten Randbedingungen deutlich kleinere Rasterweiten (zB 5m x 5 m bis 100 m x 100m) verwenden
Fuumlr eine Simulation muss ein gemeinsames Rasters definiert und alle Datengrundlagen in dieses Raster uumlberfuumlhrt werden
Uumlberlagerung eines Transformierten RADOLAN Raster mit Gauszlig-Kruumlger oder UTM Raster
Gauszlig-Kruumlger oder UTM transformiertes RADOLAN Raster (schiefes Veireck 950x950 m)
zur Simulation verwendetes Raster
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Arbeitsziel unterstuumltzt durch Studienarbeit Entwurf und Umsetzung eines GIS Werkzeugs zur Aufbereitung der DWD-RADOLAN-Komposit-Raster zur Simulation von Starkregen in kleinen Einzugsgebieten
23 Auswertung der RADOLAN Radarniederschlagsdaten des DWD
Wie in Abschnitt 2 erlaumlutert koumlnnen die Zugrichtung und die Zuggeschwindigkeit einer konvektiven Starkregenfront Starkregenzelle die Einwirkungsintensitaumlt in einem Niederschlagseinzugsgebiet entscheidend beeinflussen Die Abmessungen der Starkregenfront Starkregenzelle in Verbindung mit der Zuggeschwindigkeit sowie die Regendauer koumlnnen im unguumlnstigen Fall mit der Konzentrationszeit im Niederschlagseinzugsgebiet zusammenfallen und zu einer entscheidenden Verschaumlrfung des Wellenscheitels fuumlhren
Unter der Voraussetzung dass die in Abschnitt 22 beschriebenen Werkzeuge erstellt worden sind sollen nun mit deren Hilfe die historischen RADOLAN Radarniederschlagsdaten ausgewertet werden
Identifizieren von Starkregenfronten Starkregenzellen Hierfuumlr sind Identifikationskriterien zu erarbeiten
Einordnung des Wiederkehrintervalls der Starkregenfront Starkregenzelle (Dauer und Niederschlagsmenge) mit Hilfe der DWD KOSTRA2000-Auswertung
Identifikation und Digitalisierung des Intensitaumltsschwerpunktes der jeweiligen Starkregenfront
Zeitliche Entwicklung der Intensitaumltsverteilung innerhalb der Starkregenfront
Fuumlr jede identifizierte Starkregenfront Starkregenzelle sollen in Abhaumlngigkeit der JahreszeitWetterlage folgende Parameter ermittelt und statistisch ausgewertet werden
Digitalisierung der Abmessungen (Laumlngenausdehnung Breitenausdehnung) und der Form (Laumlngen-Breitenverhaumlltnis oder Flaumlche-Umfangverhaumlltnis)
Digitalisierung der Zugrichtung (Zugbahn Zugtrajektorie) und Zuggeschwindigkeit (im Schwerpunkt der Intensitaumlt)
Darstellung der Abmessungen der Zugrichtungen und Zugbahnen in Karten und Uumlberlagerung mit dem digitalen Gelaumlndemodell
Auf diese Weise koumlnnen eventuell Starkregenschwerpunkte (-regionen) in Hessen identifiziert und in Karten dargestellt werden
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Arbeitsziel unterstuumltzt durch Studienarbeit(en) Auswertung historischer RADOLAN Radarniederschlagsdaten des DWD
24 Praxisseminar Kolloquium bdquoVerwendung von Radardaten zur Simulation von Starkregen Sturzfluten in Hessenldquo
In Zusammenarbeit mit dem Wissenschaftsforum Umwelt und der Weiterbildungsplattform NATURUMWELTTECHNIK (NUT) der Hochschule RheinMain sollen in einem 1-taumlgigen Praxisseminar die Moumlglichkeiten zur Nutzung von Radarniederschlagsdaten zur Simulation von Starkregen Sturzfluten vorgestellt werden
Zielgruppe Ingenieurhydrologen Hydrologen Ingenieurbuumlros (Modellierer) und andere am Thema Interessierten
Die Organisation uumlbernimmt die Weiterbildungsplattform NUT der Hochschule RheinMain Die fachliche Koordination ist durch Prof Dr Ernesto Ruiz Rodriguez und Frau BEng Lisa Trost gesichert Eine partnerschaftliche Koordination durch das HLUG und den DWD ist moumlglich und wird ausdruumlcklich erwuumlnscht
3 Arbeitspaket 2 Uumlberpruumlfung und Anpassung von Modellansaumltze zur Ermittlung des abflusswirksamen Niederschlages bei Starkregen
Unter dem abflusswirksamen (effektiven) Niederschlag versteht man den Anteil des Niederschlages der in einem Einzugsgebiet unmittelbar nach dem Niederschlagsereignis als Direktabfluss wirksam wird
Zu Beginn des Niederschlagsereignisses sind die Verluste idR besonders groszlig (Benetzung der der Vegetationsdecke und Muldenverluste) Bei Starkregen werden diese Speicherraumlume jedoch schnell gefuumlllt und die hohen Niederschlagsintensitaumlten uumlbersteigen oft die Infiltrationsfaumlhigkeit des Bodens und es kommt zum Oberflaumlchenabfluss (vgl auch Abschnitt 4)
Insofern spielt besonders bei Starkregen der Anteil an abflusswirksamen Oberflaumlchenabfluss eine entscheidende Rolle Dieser bildet gemeinsam mit dem oberflaumlchennahen Interflow in der belebten Bodenzone den Hauptanteil am sog abflusswirksamen Niederschlag
Der in der Ingenieurhydrologie am haumlufigsten verwendete Modellansatz zur Ermittlung des abflusswirksamen Niederschlags ist der Ansatz des Abflussbeiwertes Er wird sowohl in der Urbanhydrologie (Kanalnetzberechnung) als auch
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bei der Modellierung von Niederschlags-Abfluss-Prozessen (NA-Modellierung) auf natuumlrlichen Flaumlchen eingesetzt
Abflussbeiwert-Ansaumltze
)()()(
)()(
)(
)(
tititi
titi
ti
ti
vw
w
w
Ψ ndash Abflussbeiwert [-]
i(t) ndash Niederschlagsintensitaumlt [mmh]
iw(t) ndash wirksame Niederschlagsintensitaumlt [mmh]
a) konstanter Abflussbeiwert Ψ
b) Konstanter Abflussbeiwert Ψ mit Anfangsverlust hva
Der Anfangsverlust hva wird durch die Mulden- und Benetzungsverluste begruumlndet
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c) Zeitvarianter Abflussbeiwert Ψ mit oder ohne Anfangsverlust hva
In der Urbanhydrologie wird der konstante Abflussbeiwert Ψ ohne Anfangsverlust hva bei der NA-Modellierung kommt fast immer der konstante Abflussbeiwert Ψ mit Anfangsverlust hva zum Einsatz
Liegen Niederschlags- und Abflussaufzeichnungen des Direktabflusses QD(t) vor und ist der Verlauf des Basisabflusses QB(t) bekannt so kann der Abflussbeiwert Ψ aus der Volumen-Massenbilanz ermittelt werden Der Anfangsverlust hva wird in der Regel mit 3 bis 4 mm Niederschlagshoumlhe geschaumltzt Der gefallene effektive Niederschlag iw(t)=Ψ i(t) findet sich im Direktabfluss QD(t) oberhalb des Basisabflusses QB(t)
RE
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Liegen keine Niederschlags undoder Pegelaufzeichnungen vor wird in der Ingenieurpraxis der Abflussbeiwert mit Hilfe oder im Anlehnung an das SCS Verfahrens (US Soil Conversation Service der USA) ermittelt Diese Verfahren wird ua in der
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DVWK-Regel 113 beschrieben Das SCS-Verfahren unterscheidet folgende Bodentypen
Bodentyp A Boumlden mit groszligem Versickerungsvermoumlgen auch nach starker Vorbefeuchtung zB tiefe Sand- und Kiesboumlden
Bodentyp B Boumlden mit mittlerem Versickerungsvermoumlgen tiefe bis maumlszligig tiefe Boumlden mit maumlszligig feiner bis maumlszligig grober Textur zB mitteltiefe Sandboumlden Loumlszlig (schwach) lehmiger Sand
Bodentyp C Boumlden mit geringem Versickerungsvermoumlgen Boumlden mit feiner bis maumlszligig feiner Textur oder mit wasserstauender Schicht zB flache Sandboumlden sandiger Lehm
Bodentyp D Boumlden mit sehr geringem Versickerungsvermoumlgen Ton Boumlden sehr flache Boumlden uumlber nahezu undurchlaumlssigem Material Boumlden mit dauernd sehr hohem Grundwasserspiegel
BodennutzungBodentyp A B C D
Oumldland (ohne nenneswerten Bewuchs) 77 86 91 94
Hackfruumlchte Wein 70 80 87 90
Wein (Terrassen) 64 73 79 82
Getreide Futterpflanzen 64 76 84 88
Weide (normal) 49 69 79 84
Weide (kark) 68 79 86 89
Dauerwiese 30 58 71 78
Wald (stark aufgelockert) 45 66 77 83
Wald (mittel aufgelockert) 36 60 73 79
Wald (dicht) 25 55 70 77
undurchlaumlssige bzw versiegelte Flaumlchen 100 100 100 100
CN-Beiwert des SCS-Verfahrens
In Abhaumlngigkeit der Bodennutzung und des Bodentyps wird fuumlr das Niederschlagseinzugsgebiet ein flaumlchengewichteter CN-Beiwert ermittelt und der effektive Niederschlag hNE berechnet
4258800425
22004252
NN
NNNe
Ch
Chh
N
Ne
h
h
Das Originalverfahren hat Schwaumlchen und wurde mehrfach modifiziert (zB nach Oslashverland Zaiszlig und Lutz) Dabei wurde versucht den Einfluss der aktuellen Bodenfeuchte des Bodens besser zu beruumlcksichtigen Je nach Bodentyp kann diese einen groszligen Einfluss auf den effektiven Niederschlag (vgl auch Abschnitt 41) haben
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Alle diese Ansaumltze beruumlcksichtigen nicht die bei Starkregen beobachteten und in [17] beschriebenen Effekte der Bodenluftkompression die die Infiltrationsfaumlhigkeit des Porenraumes bei hohen Niederschlagsintensitaumlten mindert und somit den Anteil des Oberflaumlchenabflusses erhoumlht
Arbeitsziel unterstuumltzt durch Studienarbeit Uumlberpruumlfung und Anpassung der Modelansaumltze zur Ermittlung des abflusswirksamen Niederschlages bei Starkniederschlaumlgen unter besonderer Beruumlcksichtigung von Bodenfeuchte und Bodenluftkompressionseffekten
Die Verwendung der Radarniederschlagsdaten macht es moumlglich die zeitliche und raumlumliche Niederschlagsverteilung im Einzugsgebiet zu betrachten Da die Niederschlagsintensitaumlten und -mengen im Einzugsgebiet variieren werden sich demzufolge raumlumlich verteilte Abflussbeiwerte ergeben Die oben beschriebenen Ansaumltze zur Ermittlung des abflusswirksamen Oberflaumlchenabflusses muumlssen daraufhin angepasst und ggf weiterentwickelt werden
Arbeitsziel unterstuumltzt durch Studienarbeit Uumlberpruumlfung und Anpassung der Modelansaumltze zur Ermittlung des abflusswirksamen Niederschlages bei raumlumlich und zeitlich sich veraumlndernden Starkniederschlaumlgen
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4 Arbeitspaket 3 Uumlberpruumlfung und Anpassung der hydraulischen Ansaumltze zur Berechnung des Oberflaumlchenabflusses bei Starkregen Sturzfluten an steilen Haumlngen
Beim Oberflaumlchenabfluss muss zwischen dem klassischen Oberflaumlchenabfluss nach Horton (1933) und dem Saumlttigungsoberflaumlchenabfluss unterschieden werden
Der Oberflaumlchenabfluss nach Horton entsteht durch einen Infiltrationsuumlberschuss Die Niederschlagsintensitaumlt ist houmlher als die Infiltrationskapazitaumlt der Boumlden und das nicht infiltrierte Niederschlagswasser flieszligt dann in Fallrichtung auf der Hangoberflaumlche ab
Der Saumlttigungsoberflaumlchenabfluss setzt dann ein wenn der Boden seine maximale Wassersaumlttigung erreicht hat dh das Porenvolumen vollstaumlndig mit Wasser gesaumlttigt ist Bei diesem Abfluss tritt haumlufig Wasser aus einem vergangenen Ereignis wieder aus dem Boden aus (Exfiltration) und vermischt sich mit dem Niederschlag des aktuellen Ereignisses
Im Folgenden wird zunaumlchst nur die Einphasenstroumlmung des Oberflaumlchenwassers betrachtet der Bewegungsbeginn und der Transport von Teilen der Bodenmatrix (Erosion) werden nicht analysiert Der Massentransport koumlnnte nachdem die Bewegungsgleichungen der Einphasenstroumlmung in steilen Haumlngen verifiziert oder korrigiert wurden in spaumlteren Arbeitsschritten betrachtet werden
Fuumlr die Simulation des Oberflaumlchenabflusses an Steilhaumlngen werden aktuell dieselben Ansaumltze verwendet wie zur Berechnung des Oberflaumlchenabflusses auf flachen Uumlberflutungsflaumlchen in Gewaumlssern und auf Auen Die dabei erzielten Ergebnisse scheinen so plausibel sodass die verwendeten Modelle bislang noch nicht hinterfragt wurden Und das obwohl die geometrischen und hydraulischen Randbedingungen an steilen Hanglagen sich von denen auf flachen Uumlberflutungsflaumlchen stark unterscheiden
In diesem Zusammenhang verglich beispielsweise Herr Dipl-Ing Klaus Schmalzl des Wasserwirtschaftsamtes Rosenheim in seinem Vortrag bdquoSturzfluten hydrodynamisch numerisch mit HYDRO_AS-2D berechnenldquo [38] den er im Rahmen des Treffens der Anwender des 2D-Hydrodynamik-Programms HYDRO_AS-2D der Fa Hydrotec am 11Okt 2014 in Muumlnchen hielt das Programm HYDRO_AS-2D welches eigentlich fuumlr die 2-Dimensionale Simulation in Gewaumlssern entwickelt worden ist mit einem bdquoSchweizer Messerldquo welches als Symbol fuumlr einen vielseitigen Einsatz steht
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In Kongress INTERPRAEVENT 2012 in Grenoble [25] wurde bdquoEin neuer Ansatz zur Modellierung von Oberflaumlchenabflussldquo vorgestellt In der Zusammenfassung
bdquoOberflaumlchenabfluss wird als der Teil des Niederschlags verstanden welcher einem Vorfluter uumlber die Bodenoberflaumlche unmittelbar zufliesst Auswertungen von Unwetterereignissen in den letzten Jahren in der Schweiz haben gezeigt dass bis zu 50 der durch Wassergefahren verursachten Schadenfaumllle durch Oberflaumlchenabfluss verursacht worden sind Dennoch ist Oberflaumlchenabfluss in der Schweiz kaum in den Gefahrenkartierungsprozess integriert Um diese Luumlcke zu fuumlllen wurde auf der Basis der Software FloodArea eine Methode entwickelt welche eine Modellierung von Oberflaumlchenabfluss mit einheitlichen Kriterien uumlber grosse Gebiete erlaubt In dieser Studie werden die Methodenentwicklung und zwei Fallstudien vorgestellt Die Resultate zeigen dass an den Raumlndern von Siedlungsflaumlchen und im Landwirtschaftsland gute Ergebnisse erzielt werden Potenziell gefaumlhrdete Gebaumlude oder Bauparzellen werden erkannt Innerhalb von Siedlungsgebieten sind die Differenzen zu realen Ereignissen groumlsser Daher liegt der Fokus von Folgearbeiten auf einer weiteren Verbesserung der Genauigkeit des Gelaumlndemodells und der Integration von zusaumltzlichen Strukturen (zB Kleinbauten) welche Fliesswege entscheidend beeinflussen koumlnnenldquo aus [25]
wird auf die Software FloodArea der Fa Geomer Heidelberg verwiesen
FloodArea und auch HYDRO_AS-2D sind Beispiele von in der Praxis verwendeten Programmen zur Berechnung von Wasserspiegellagen in Gewaumlssern und zur 2-D Uumlberflutungssimulation auf Auen Wie das nachfolgende Bild zeigt sind die mit FloodArea erzielten Simulationsergebnisse plausibel
Oberflaumlchenabflussmodellierung in Busswil (Kanton Bern Schweiz) aus [25]
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Der Verfasser dieser Projektskizze selbst hat in Zusammenarbeit mit der Fa Geomer in Heidelberg die hydraulischen Kernroutinen fuumlr das Programm FloodArea entwickelt und ist daher in der Lage deren Einsatzgrenzen gut beurteilen zu koumlnnen
41 Korrektur der Flieszligformeln zur Simulation des Oberflaumlchenabflusses an steilen Haumlngen
Die nachfolgende Tabelle zeigt die unterschiedlichen Auspraumlgungen von wichtigen hydraulischen und geometrischen Randbedingungen fuumlr den steilen Oberflaumlchenabfluss und fuumlr die Wasserausbreitung auf den vergleichsweise flachen Gewaumlsserauen
Parameter Auspraumlgung
Gewaumlsser und Aue Steile Hanglage
Gefaumllle klein permil bis 10
groszlig 5 bis uumlber 100
Wassertiefe groszlig Dezimeter bis mehrere Meter
klein Duumlnnfilmabfluss bis Dezimeter
Betrachten wir zunaumlchst ein Fluidelement 119889119909 times ℎ times 119880 auf einer steilen Hangflaumlche mit dem Hangneigungswinkel β und formulieren in x- Richtung das Kraumlftegleichgewicht zwischen der hangabwaumlrts treibenden Kraft
119866 times sin 120573 = 119889119909 times ℎ times 119880 times 120588 times 119892 times sin 120573 und der Hangreibungskraft T
119879 = 120591 times 119880 times 119889119909 Man erhaumllt so den bekannten Ansatz fuumlr die Schleppspannung
120591 auf einer Hangflaumlche
120591 = 120588 times 119892 times119860
119880times sin 120573 [
119873
1198982]
dx
Q
vdx cosszlig
h
G
G sinszlig
T
U
Ah
szlig
x
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Mit dem in der turbulenten Hydraulik uumlblich verwendeten Ansatz
120591 =120582
81199072 [
119873
1198982]
ergibt sich die Flieszligformel fuumlr den Oberflaumlchenabfluss
119907 =1
radic120582times radic8 times 119892 times
119860
119880times 119904119894119899 120573 [
119898
119904]
mit
v - mittl Flieszliggeschwindigkeit [ms]
1
radic120582 - Reibungskoeffizient [-]
g - Erdbeschleunigung [mssup2]
A - Abflussquerschnitt [msup2]
U - benetzte Sohle [m]
β - Hangneigungswinkel [Grad]
Da in der Flusshydraulik die Neigungswinkel der Gewaumlssersohlen deutlich kleiner sind als die Neigungswinkel steiler Hanglagen werden die Flieszligformeln vereinfach
119907 =1
radic120582times radic8 times 119892 times
119860
119880times 119868119864
Anstelle des 119904119894119899 120573 wird das Gefaumllle IE verwendet Dh
119904119894119899 120573 = 120573 oder 119904119894119899 120573 = 119905119886119899 120573 = 119868119864
mit
IE - Sohlgefaumllle [minuspermil]
Fuumlr Gefaumllle bis 20 oder 113 Grad Neigung ist diese Vereinfachung vertretbar und liefert gute Ergebnisse Ab Neigungen groumlszliger 20 darf diese Vereinfachung nicht mehr angesetzt werden Bei einer Hangneigung mit 45 Grad oder IE=1=100 Gefaumllle weichen die Ergebnisse fuumlr die Flieszliggeschwindigkeit um 16 ab
radic1 = 1 radic119904119894119899 45 = 07071 = 084 119865119890ℎ119897119890119903 =1minus084
1times 100 = 16
Bei aktuellen Simulationen werden diese Fehler manchmal auch aus Unkenntnis hingenommen oder mit Hilfe des Reibungskoeffizienten der Oberflaumlchen versucht zu korrigieren
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42 Versuchseinrichtung zur Uumlberpruumlfung und Anpassung der Flieszligformeln zur Simulation des Oberflaumlchenabflusses an steilen Haumlngen
Auf dem Gelaumlnde des Wasserbaulaboratoriums der Hochschule RheinMain soll im naumlchsten Sommersemester 2015 eine Versuchseinrichtung zur Simulation von Oberflaumlchenabfluss auf Hanglagen bis 45deg (11 100) errichtet werden
Es soll eine kippbare Versuchsrinne mit einer Breite von 10 m einer Houmlhe von 026 m und einer Laumlnge von 63 m errichtet werden (vgl auch Anlage 1) Zur vertikalen Regensimulation soll uumlber der Versuchsrinne eine Beregnungsanlage mit schwenkbaren Duumlsen angebracht werden
Kipprinne zur Simulation von Oberflaumlchenabfluumlssen an steilen Haumlngen vgl Anlage 1
In einer ersten Phase sollen die in Abschnitt 41 diskutierten hydraulischen Ansaumltze in Versuchen verifiziert werden Hierbei gilt es besonders zu uumlberpruumlfen ob bei sehr kleinen Abflusstiefen (Duumlnnfilmabfluss) die Oberflaumlchenspannung der Wassers bei den Bewegungsgleichungen von Bedeutung ist
Fuumlr die Versuchsreihen koumlnnen die Beregnungslaumlnge die Niederschlagsintensitaumlt und der Neigungswinkel der Versuchsrinne variiert werden
Arbeitsziel unterstuumltzt durch Studienarbeit Uumlberpruumlfung und Anpassung der Flieszligformeln zur Simulation des Oberflaumlchenabflusses an steilen Haumlngen
In einer spaumlteren Versuchsphase soll SohlsubstratBoden eingebracht werden um mit oder ohne kuumlnstlichen Bewuchsstrukturen verschiedene Hangrauheiten simulieren zu koumlnnen Dies soll zur Klaumlrung des Erosionsbeginns der Bodenmatrix beitragen
1000 cm
260 cm
Sohlsubstrat zur Aufnahmevon kuumlnstlichen Bewuchsstrukturen
Beregnungsanlage mit schwenkbaren Duumlsen zurvertikalen Regensimulation
Wasserkoumlrper desOberflaumlchenabflusses
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5 Arbeitspaket 4 Instationaumlre 2ndashdimensionale Modellierung des Oberflaumlchenabflusses bei Starkniederschlaumlgen
Um dem Programmieraufwand im Rahmen des Projektes so gering wie moumlglich zu halten wird vorgeschlagen das Programm Floodarea der Fa Geomer Heidelberg welches sich bisher in der Praxis bewaumlhrt hat als Basis fuumlr die Simulationen zu verwenden FloodArea ist ein vollstaumlndig in ArcGISreg integriertes 2D-Modell zur Berechnung von Uumlberschwemmungsflaumlchen Wie in Abschnitt 4 bereits erwaumlhnt war der Verfasser dieser Skizze in die Erarbeitung der hydraulischen Kernroutinen dieser Software involviert und kann insofern ihre Einsatz- und Anpassungsmoumlglichkeiten sehr gut abschaumltzen Eine Abstimmung mit Herrn Dr Assmann von der Fa Geomer erfolgte vor dem Verfassen dieser Projektskizze
Folgende Anpassungen bzw Erweiterungen des Programms sollen realisiert werden
Schnittstelle zu den DWD-Radarniederschlagsdaten um die 5-minuumltigen RADOLAN RY-Komposite fuumlr eine instationaumlre 2-dimensionale Modellierung des Oberflaumlchenabflusses verwenden zu koumlnnen(vgl Abschnitt 2)
Einarbeitung der angepassten und erweiterten Ansaumltze zur Ermittlung des abflusswirksamen Niederschlages bei Starkregen
Einarbeitung der uumlberarbeiteten hydraulischen Ansaumltze fuumlr den Oberflaumlchenabfluss in steilen Hanglagen
Fuumlr die in Abschnitt 7 vorgeschlagenen Pilot-Einzugsgebiete sollen fuumlr ausgesuchte Starkregenereignisse (Regensammlung vgl Abschnitt 22) Simulationen des Oberflaumlchenabflusses durchgefuumlhrt werden
Die Ergebnisse dieser Simulationen sollen die hydraulische Grundlage fuumlr die in Abschnitt 6 beschriebenen Starkregen-Gefahrenkarten bilden
Folgende Datengrundlagen sind in die Simulationen des Oberflaumlchenabflusses zu intergrieren
Radarniederschlagsdaten (vgl Abschnitt 2)
ein hoch aufgeloumlstes digitales Gelaumlndemodell aus Laserscandaten Bereits durchgefuumlhrte Simulationen des Landes Baden Wuumlrttemberg im Einzugsgebiet der Starzel und [25] zeigen dass der Einfluss von Kleinstrukturen und Hindernissen (Mauern Graumlben Strassendammprofile) auf den Verlauf des Abflussgeschehens einen groszligen Einfluss haben koumlnnen
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Diese Kleinstrukturen werden allerdings durch das digitale Gelaumlndemodell nicht immer vollstaumlndig abgebildet Ggf muumlssen die Kleinstrukturen nachdigitalisiert werden um das digitale Gelaumlndemodell bdquohydraulischldquo zu vervollstaumlndigen
Gewaumlssernetz
Nutzungsmodell (zB ATKIS ALKIS CORINE LAND COVER) ggf mit Luftbildaufnahmen zur Verifizierung und Praumlzisierung der Nutzung und zur Ermittlung der Bearbeitungsrichtung bei landwirtschaftlichen Flaumlchen Hydraulisch nicht aktive Gebaumludeflaumlchen muumlssen bdquomarkiertldquo werden damit die Simulation an einer moumlglichst reellen Oberflaumlchengeometrie durchgefuumlhrt werden kann
Bodenkarte
Informationen uumlber die Bodenfeuchte oder Betrachtung der Regenmengen in den letzten 30 Tagen
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6 Arbeitspaket 5 Erarbeitung von Starkregen Gefahrenkarten fuumlr das Land Hessen
Wie im einfuumlhrenden Abschnitt 1 erlaumlutert muumlssen aufgrund der zu kurzen Vorwarnzeiten in kleinen Einzugsgebieten die Flaumlchen- und Bauvorsorge intensiviert werden um Schaumlden durch Starkregen und Sturzfluten mindern zu koumlnnen Die dazu notwendigen Informationen uumlber die in dieser Hinsicht gefaumlhrdeten Flaumlchen und deren Nutzung muumlssen bei der angepassten kommunalen Planung beruumlcksichtigt werden Flaumlchennutzungs- und Bebauungsplaumlne sind auf die topographischen Gegebenheiten und auf die Abflusseigenschaften des Gebietes bei Starkregen abzustimmen
Starkregen Hinweis- oder Starkregen Gefahrenkarten koumlnnen als Ergaumlnzung zu den mittlerweile bundesweit eingefuumlhrten Hochwassergefahrenkarten diese Informationen bereitstellen
Die im Folgenden verwendeten Begriffe
Starkregen-Hinweiskarte
Starkregen-Gefahrenkarten oder Flieszligpfadkarten
sind vorlaumlufige Benennungen Wie auch bei den Hochwassergefahrenkarten muss die LAWA fuumlr eine bundesweit einheitliche Benennung Sorge tragen
Aus der Sicht der Verfasser wird ein zweistufiges Vorgehen empfohlen
1 Identifikation der potentiell gefaumlhrdeten Hangflaumlchen und die Erstellung von Starkregen Hinweiskarten
2 Simulation des Oberflaumlchenabflusses der potentiell gefaumlhrdeten Flaumlchen und Erstellung von Starkregen Gefahrenkarten oder Flieszligpfadkarten
Eine flaumlchendeckende Simulation des Oberflaumlchenabflusses im betrachteten Projektraum sollte aufgrund der dabei entstehenden Projekt- bzw Ingenieurkosten uumlberdacht werden
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(Stufe 1) Identifikation der potentiell gefaumlhrdeten Hangflaumlchen und die Erstellung von Starkregen Hinweiskarten
Es wird vorgeschlagen in einem ersten Schritt den betrachteten Projektraum flaumlchendeckend auf potentiell gefaumlhrdete Hangflaumlchen zu untersuchen
Dazu sollen die Gelaumlndeneigung die Bodennutzung sowie die Lage der steilen Hangflaumlchen zu den schadensempfindlichen Flaumlchen (zB Siedlungsgebiete) fachlich miteinander verknuumlpft werden
Beispielsweise lassen sich auf Grundlage der folgenden fachlich begruumlndeten Matrix mit Hilfe der GIS Werkzeuge die potentiell gefaumlhrdeten Hangflaumlchen leicht identifizieren
Gruumlnland Ackerland
Gelaumlndenutzung Gelaumlndeneigung
Be
arb
eitu
ng
que
r zur
Fallr
ich
tun
g
Be
arb
eitu
ng
in
Fallr
ich
tun
g
kleiner 5 nicht
gefaumlhrdet wenig
gefaumlhrdet
5 bis 10 maumlszligig
gefaumlhrdet
10 bis 20 maumlszligig
gefaumlhrdet
groszliger 20 stark
gefaumlhrdet sehr stark gefaumlhrdet
sehr stark gefaumlhrdet
Liegen unterhalb stark oder maumlszligig gefaumlhrdeter Flaumlchen Siedlungsgebiete oder sind in den gefaumlhrdeten Flaumlchen Siedlungsentwicklungen geplant ist eine detaillierte Untersuchung des Oberflaumlchenabflusses erforderlich (Stufe 2)
Die bislang verwendeten Kriterien zur Einschaumltzung den potentiell betroffenen Flaumlchen sollten uumlberpruumlft und weiterentwickelt werden
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Beispiel fuumlr eine Starkregen-Hinweiskarte Stadt Nidderau
(Stufe 2) Simulation des Oberflaumlchenabflusses der potentiell gefaumlhrdeten Flaumlchen und Erstellung von Starkregen Gefahrenkarten oder Flieszligpfadkarten
Fuumlr die in Stufe 1 identifizierten gefaumlhrdeten Flaumlchen ist in der zweiten Stufe der Oberflaumlchenabfluss zu simulieren Je nach Groumlszlige des zu betrachtenden Niederschlagseinzugsgebietes oberhalb der gefaumlhrdeten Siedlungsflaumlchen und Infrastrukturen muumlssen aus der Regensammlung (vgl Abschnitt 22) konvektive Ereignisse geeigneter Dauer ausgewaumlhlt werden
Aus der instationaumlren 2D-Simulation erhaumllt man fuumlr definierte Zeitpunkte nach dem Beginn des Niederschlages folgende fuumlr das gewaumlhlte Berechnungsraster raumlumlich aufgeloumlste hydraulisch relevante Grundinformationen
Ist die Flaumlche benetzt (janein)
Wasserstand (bdquoUumlberflutungshoumlheldquo) auf der Flaumlche
Flieszligrichtung und Flieszliggeschwindigkeit auf der Flaumlche
Diese hydraulischen Grundinformationen muumlssen aufbereitet fachlich interpretiert und auf geeignete Weise dargestellt werden
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Letztlich geht es darum die Frage zu klaumlren welche Fachinformationen eine Starkregen-Gefahrenkarte beinhalten sollte
Aus der Sicht der Verfasser sollten in den Gefahrenkarten folgende hydraulische Informationen enthalten sein
Abflussrinnen und Flieszligpfade auf den Hangflaumlchen (Vervollstaumlndigung des Gewaumlssernetzes gegen Flieszligrichtung vgl auch Bild Abschnitt 4 Seite 21)
Starkregen-Gefahrenkarte mit Flieszligpfaden und Flieszligrichtung aus BWK [1]
Wassertiefenentwicklung entlang der Flieszligpfade
Flieszliggeschwindigkeiten entlang der Flieszligpfade
Diese Fachinformationen sollten zusammen mit einem fuumlr den Nutzer geeigneten Kartenhintergrund (Luftbildaufnahmen ALK topographische Karte etc) visualisiert werden
Im Rahmen der Bearbeitung der vorgeschlagenen Pilot-Einzugsgebiete (siehe Abschnitt 7) sind geeignete Inhalte und Darstellungsmoumlglichkeiten fuumlr Starkregen-Gefahrenkarten zu entwickeln
Wie auch bei den Hochwassergefahrenkarten sollte die LAWA fuumlr bundesweit einheitliche Standards der Starkregen-Gefahrenkarten Sorge tragen
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7 Arbeitspaket 6 Modell- Pilotprojekt bdquoUmgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessenldquo
In einem letzten Arbeitsabschnitt sollen anhand ausgesuchter Einzugsgebiete mit Hilfe des in Abschnitt 6 vorgeschlagenen Vorgehens Starkregen-Hinweiskarten und Starkregen-Gefahrenkarten erstellt werden
Die Verwendung von Niederschlagsdaten aus Radarbeobachtungen (vgl Abschnitt 1) und der Einsatz des verbesserten Simulationsmodells (vgl Abschnitte 3 und 4) werden gegenuumlber der heutigen Praxis bessere fachliche Informationen zur Bewaumlltigung von Starkregen-Gefahrenlagen bereitstellen koumlnnen
Folgende Pilot-Einzugsgebiete in hessischen Rheingau werden zur Auswahl gestellt
Walluf (AE=281 kmsup2) Die Walluf besitzt einen Pegel (Martinsthal AE=245 kmsup2 36 km oberhalb der Muumlndung) im Einzugsgebiet An der Hochschule RheinMain steht ein Niederschlags-Abfluss Modell der Walluf zur Verfuumlgung
Erbbach Kisselbach (AE= 106 kmsup2)
Pfingstbach (AE= 84 kmsup2)
Stegbach Blaubach (AE= 127 kmsup2)
Der Hochwasserrisikomanagementplan Rheingau steht zurzeit in der oumlffentlichen Abstimmung und wird im Laufe 2015 fertig gestellt werden Nach Aussage von Frau Tremper des Regierungspraumlsidiums Darmstadt Abteilung IVWi 412 waumlre eine Ergaumlnzung des HWRM-PL Rheingau durch Starkregen-Hinweis- und -Gefahrenkarten der Rheingaubaumlche hilfreich Diese wuumlrden die im HWRM-PL Rheingau betrachteten Rhein-Hochwasserszenarien ergaumlnzen
Arbeitsziel unterstuumltzt durch Studienarbeiten Erstellung von Niederschlags- Abfluss Modellen fuumlr die Rheingaubaumlche Erbach Kisselbach Pfingstbach Stegbach Blaubach
Bei der Erstellung der Starkregen-Hinweiskarten und Starkregen-Gefahrenkarten fuumlr die Pilot-Einzugsgebiete sollen die in Abschnitt 6 weiterentwickelten Ansaumltze erprobt und die Karteninhalte mit den spaumlteren Nutzern diskutiert werden Dabei sollen insbesondere die Kartendarstellung und deren Inhalte den jeweiligen fachlichen Beduumlrfnissen entsprechen
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8 Literatur und Quellen
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[6] Deutscher Wetterdienst (DWD) (Hrsg)(2008) Radarniederschlag-Prinzip der Niederschlagsbestimmung mit Radar inklusive Umrechnung der Radarreflektivitaumlten in Momentanwerte des Niederschlages Version 10
[7] Deutscher Wetterdienst (DWD) Abteilung Hydrometeorologie (Hrsg)(2005) Projekt RADVOR-OP
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[12] DWA Kommentar zum DWA Regelwerk (2008) Planung Bau und Betrieb von Anlagen zur Versickerung von Niederschlagswasser
[13] DWA Themen (2010) Abfluumlsse aus extremen Niederschlaumlgen Ergebnisse einer Bestandsaufnahme Hochwasserereignisse und Modellansaumltze zu ihrer Abbildung
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9 Allgemeine Informationen Zeitplan und Ressourcen
91 Allgemeine Informationen
Antragsteller Prof Dr-Ing Ernesto Ruiz Rodriguez Wasserbaulaboratorium am Fachbereich Architektur und Bauingenieurwesen Hochschule RheinMain Kurt-Schumacher-Ring 18 65197 Wiesbaden
Projektbearbeiter Arbeitsgruppe bdquoStarkregen und Sturzflutenldquo am Wasserbaulaboratorium Prof Dr-Ing Ernesto Ruiz Rodriguez (Projektleitung) BEng Lisa Trost (Projektbearbeitung) Frank Salffner (Vermessungstechniker Laborant am Wasserbaulaboratorium und in der EDV- Arbeitsgruppe des Fachbereichs) Die Arbeitsziele werden durch Studienarbeiten des Master- Studienganges bdquoUmweltmanagement und Stadtplanung in Ballungsraumlumenldquo (UMSB) unterstuumltzt
Partnerschaften Kooperationspartner Prof Dr Ralf Doumlrner Hochschule RheinMain
FG Graphische Datenverarbeitung und Virtuelle Realitaumlt Prof Dr Robert Seuszlig Fachhochschule Frankfurt FG Geoinformation und Kommunaltechnik Berufsfeuerwehr Wiesbaden Dr Andreacute Assmann Fa Geomer Heidelberg
gewuumlnschte Zusammenarbeit Deutscher Wetterdienst Abt Hydrometeorologie Projektdauer 4 Jahre (vgl 92 Zeitplan) Eigenmittel Projektleitung durch Prof Dr E Ruiz Rodriguez
Nutzung der Einrichtungen des Wasserbaulaboratoriums der Hochschule RheinMain Unterstuumltzung bei Laborarbeiten und EDV Infrastruktur durch Frank Salffner
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92 Zeitplan
1
Jah
r
2
Jah
r
3
Jah
r
4
Jah
r Bemerkung
Arbeitspaket 1 Verwendung von Radardaten zur Simulation von Starkregen Sturzfluten fuumlr kleine Einzugsgebiete
Beginn der Arbeiten
Klaumlrung der Verfuumlgbarkeit von Radarniederschlagsdaten (fuumlr Modellierer Ingenieurbuumlros)
Aufwand zur Nutzung und Aufbereitung von Radarniederschlagsdaten fuumlr Modellierer Ingenieurbuumlros Erstellung eines Werkzeugs zur Visualisierung der archivierten und aktuellen Radarniederschlagsdaten Erstellung eines Werkzeugs zur Transformation und Projektion der DWD-RADOLAN-RW und RY-Komposit-Radarniederschlagsdaten in Gauszlig-Kruumlger undoder UTM-Projektion Erstellung eines GIS Werkzeugs zur Aufbereitung der DWD-RADOLAN-Komposit-Raster zur Simulation von Starkregen in kleinen Einzugsgebieten
1 Berichterstattung Arbeitspaket 1 (Teil 1)
Auswertung der RADOLAN Radarniederschlagsdaten des DWD
Praxisseminar Kolloquium bdquoVerwendung von Radardaten zur Simulation von Starkregen Sturzfluten in Hessenldquo
Arbeitspaket 2 Uumlberpruumlfung und Anpassung von Modellansaumltze zur Ermittlung des abflusswirksamen Niederschlages bei Starkregen
Uumlberpruumlfung und Anpassung der Modellansaumltze zur Ermittlung des abflusswirksamen Niederschlages bei Starkniederschlaumlgen unter besonderer Beruumlcksichtigung von Bodenfeuchte und Bodenluftkompressionseffekten
Arbeitspaket 3 Uumlberpruumlfung und Anpassung der hydraulischen Ansaumltze zur Berechnung des Oberflaumlchenabflusses bei Starkregen Sturzfluten an steilen Haumlngen
Bau der Versuchsrinne am Wasserbaulaboratorium Durchfuumlhrung und Auswertung der Versuche Uumlberpruumlfung und Anpassung der hydraulischen Ansaumltze zur Berechnung des Oberflaumlchenabflusses
2 Berichterstattung Arbeitspaket 2 und Arbeitspaket 3 (Teil1)
Arbeitspaket 4 Instationaumlre 2ndashdimensionale Modellierung des Oberflaumlchenabflusses bei Starkniederschlaumlgen
Anpassen des 2-dimensionallen Modelles auf instationaumlre Niederschlagsfronten Schnittstelle zu DWD RADOLAN Komposite Einarbeiten der verbesserten Ansaumltze zu Berechnung des abflusswirksamen Niederschlages bei Starkniederschlaumlgen Einarbeiten der verbesserten hydraulischen Ansaumltze
wird fortgesetzt
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1
Jah
r
2
Jah
r
3
Jah
r
4
Jah
r Bemerkung
Arbeitspaket 5 Erarbeitung von Starkregen Gefahrenkarten fuumlr das Land Hessen
Uumlberpruumlfen und Anpassung von fachlichen Kriterien fuumlr die Erstellung von Starkregen-Karten Definition der Inhalte von Starkregen-Hinweiskarten Definition der Inhalte von Starkregen- Gefahrenkarten
3 Berichterstattung Arbeitspaket 3 (Teil 2) Arbeitspaket 4 und Arbeitspaket 5 (Teil1)
Arbeitspaket 6 Modell- Pilotprojekt bdquoUmgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessenldquo
Erarbeitung von Starkregen-Hinweiskarten fuumlr die ausgewaumlhlten Pilot-Einzugsgebiete Erarbeitung von Starkregen-Gefahrenkarten fuumlr die ausgewaumlhlten Pilot-Einzugsgebiete Uumlberpruumlfen der fachlichen Kriterien und Ansaumltze (Arbeitspaket 5) fuumlr die Erstellung von Starkregen-Karten Diskussion uumlber die Starkregen-Karteninhalte und Starkregen-Kartendarstellung mit den Nutzern
4 Berichterstattung Arbeitspaket 5 (Teil 2) und Arbeitspaket 6 (Abschlussbericht)
93 Beantragte Mittel
Zur Durchfuumlhrung und Erreichung der im Antrag beschriebenen Arbeitsziele werden fuumlr das
1 Projektjahr 35000 Euro
2 Projektjahr 35000 Euro
3 Projektjahr 35000 Euro
4 Projektjahr 35000 Euro
beantragt
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Projektskizze Umgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessen (Arbeitstitel) Januar 2015 Anlage 1
1160 cm
280 cm
260 cm
1000 cm
1080 cm
6300 cm280 cm
3000 cm3000 cm
3000 cm 3000 cm
1000 cm624 cm
1500deg
Kipprinne zur Simulation des Oberflaumlchenabflusses an steilen HaumlngenLaumlnge= 630 mBreite= 10 mHoumlhe= 026 mmax Neigungswinkel 45deg
variableBeregnungslaumlnge
Maszligstab 120
1000 cm
260 cm
Sohlsubstrat zur Aufnahmevon kuumlnstlichen Bewuchsstrukturen
Beregnungsanlage mit schwenkbaren Duumlsen zurvertikalen Regensimulation
Wasserkoumlrper desOberflaumlchenabflusses
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Projektskizze Umgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessen (Arbeitstitel) Januar 2015 Anlage 1
1830 cm
2625 cm
Drehpunkt
1330 cm
6300 cm
280 cm
1500deg
Maszligstab 120
Kipprinne zur Simulation des Oberflaumlchenabflusses an steilen HaumlngenLaumlnge= 630 mBreite= 10 mHoumlhe= 026 mmax Neigungswinkel 45deg
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Arbeitspaket 3 Uumlberpruumlfung und Anpassung der hydraulischen Ansaumltze zur Berechnung des Oberflaumlchenabflusses bei Starkregen Sturzfluten an steilen Haumlngen
Arbeitspaket 4 Instationaumlre 2ndashdimensionale Modellierung des Oberflaumlchenabflusses bei Starkniederschlaumlgen
Arbeitspaket 5 Erarbeitung von Starkregen Gefahrenkarten fuumlr das Land Hessen
Arbeitspaket 6 Modell- Pilotprojekt bdquoUmgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessenldquo
Mit einer verbesserten Methodik zur Erstellung von Starkregen-Gefahrenkarten die hier erarbeitet werden soll kann ein Beitrag zur Risikominderung oder ndashvermeidung infolge von Starkregen geleistet und somit eine Anpassung an den Klimawandel in Hessen optimiert werden
Die Arbeiten der Arbeitsgruppe bdquoStarkregen und Sturzflutenldquo sollen durch Studienarbeiten des Master Studienganges Umweltmanagement und Stadtplanung in Ballungsraumlumen (UMSB) unterstuumltzt werden Die organisatorische Abwicklung innerhalb der Hochschule und die Grundbetreuung sind durch Prof Dr Ernesto Ruiz Rodriguez und Frau BEng Lisa Trost gesichert Eine partnerschaftliche Betreuung durch das HLUG und den DWD ist moumlglich und wird ausdruumlcklich erwuumlnscht
Die benoumltigte Labor- und EDV-Infrastruktur zur Bearbeitung der Arbeitspakete wird vom FB Architektur und Bauingenieurwesen der Hochschule RheinMain bereitgestellt
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2 Arbeitspaket 1 Verwendung von Radardaten zur Simulation von Starkregen Sturzfluten fuumlr kleine Einzugsgebiete
In Anlehnung an das uumlbliche Vorgehen bei der Erstellung von Niederschlags-Abfluss Modellen werden bei allen aktuellen Simulationen von Starkregen stationaumlre statische Regen (gleichmaumlszligige Gebietsuumlberregnung) als Belastung auf das betrachtete Einzugsgebiet verwendet Sofern die Daten einer nahegelegen Niederschlagsstation zur Verfuumlgung stehen kann der Intensitaumltsverlauf waumlhrend des Niederschlagsereignisses beruumlcksichtigt werden Die Einordnung der Auftretenswahrscheinlichkeit des Ereignisses unter Beruumlcksichtigung der Niederschlagsdauer erfolgt meist mit Hilfe der KOSTRA DWD 2000 Auswertung
Befinden sich keine Niederschlagsstationen in der Naumlhe des Einzugsgebietes Ae wird ein Blockregen aus KOSTRA DWD 2000 mit der jeweiligen Regendauer T=(te-ta) und dem entsprechenden Wiederkehrintervall verwendet
Ae
iw T= (te - ta)
stationaumlrer statischer Blockregen iw uumlber dem Einzugsgebiet Ae
Der Intensitaumltsverlauf des Regens die Intensitaumltsverteilung uumlber dem Einzugsgebiet die Zugrichtung und -geschwindigkeit der Regenfront werden allerdings nicht beruumlcksichtigt Lokale Belastungsspitzen die sich aus der Intensitaumltsverteilung in Verbindung mit der Zugrichtung und der Zuggeschwindigkeit ergeben koumlnnen so nicht erfasst werden
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Als Beispiel hierfuumlr wird das Niederschlagsereignis von Freitag dem 11072014 im Teileinzugsgebiet (Rambach) des Salzbaches in der Landeshauptstadt Wiesbaden betrachtet
Die Niederschlagsmenge von 47 mm in einer Stunde (fuumlr das Teileinzugsgebiet des Rambachs mit Ae=21 kmsup2) kann nach KOSTRA DWD (Rasterfeld Wiesbaden) und einer angenommenen Konzentrationszeit von 1 h (Flieszligzeit der Welle in Teileinzugsgebiet) als ein Ereignis mit einem Wiederkehrintervall (WKI) von 100 Jahren einordnen werden
Die Gewitterfront vom 11072014 zog vom Nordosten Richtung Suumldwesten und somit genau in Flieszligrichtung des Rambachs Da die Frontrichtung und wahrscheinlich auch die Frontgeschwindigkeit mit dem Wellenablauf im Rambach
0107
76
124 122114
1 0902 01 01 01 0
0
2
4
6
8
10
12
14
1520 1525 1530 1535 1540 1545 1550 1555 1600 1605 1610 1615 1620
mm
in 5
min
11072014 1520 bis 1620 Uhr
Niederschlag WI AuringenN-Summe 468 mm in 1 h
1284
912
1488 14641368
12 10824 12 12 12
0
20
40
60
80
100
120
140
160
1520 1525 1530 1535 1540 1545 1550 1555 1600 1605 1610 1615 1620
Inte
nsi
taumlt
i [m
mh
]
11072014 1520 bis 1620 Uhr
Niederschlag WI AuringenN-Summe 468 mm in 1 h
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korrespondierten wurden das Wellenvolumen und auch der Wellenscheitel entscheidend vergroumlszligert
Gewaumlssernetz des Teileinzugsgebiets Rambach in der Landeshauptstadt Wiesbaden Zugrichtung der Gewitterfront am 11072014
Dieser fehlende Aspekt in der N-A-Modellierung ist bekannt wird aber aufgrund mangelnder Datengrundlagen oder notwendiger Finanzmittel bei der Simulation selten beruumlcksichtigt Ein Ansatz diese Luumlcke zu fuumlllen ist die Verwendung von Radarniederschlagsdaten
Nachfolgend werden Arbeitsschritte vorgeschlagen die dabei helfen sollen unter der Verwendung von Niederschlagsdaten aus Radaraufzeichnungen die Datengrundlagen fuumlr eine bessere Simulation von Starkregen und Sturzfluten zu verbessern
Im Rahmen der RADOLAN (Routineverfahren zur Online-
Aneichung der Radarniederschlagsdaten mit Hilfe von automatischen
Bodenniederschlagsstationen (Ombrometer)) und RADVOR-OP (Radargestuumltzte zeitnahe Niederschlagsvorhersage fuumlr den
operationellen Einsatz) Projekte des DWD sind Radarprodukte entstanden die geeignet waumlren die Simulation von Starkregen
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Sturzfluten besonders in kleinen Einzugsgebieten entscheidend zu verbessern
Voraussetzung hierfuumlr waumlre aber dass die Radarniederschlagsdaten in einer ausreichenden zeitlichen und raumlumlichen Aufloumlsung und in handhabbarer Form fuumlr die Anwender (Modellierer Ingenieurbuumlros) vorliegen (vgl auch Abschnitt 1)
21 Klaumlrung der Verfuumlgbarkeit von Radarniederschlagsdaten (fuumlr Modellierer Ingenieurbuumlros)
Vorab ist anzumerken dass im Rahmen dieser Projektskizze die Qualitaumlt der vorhandenen Radarniederschlagsdaten die Weiterentwicklung Korrektur (zB Abschattungskorrektur Verfeinerte Z-R-Beziehung etc) und die Verbesserung der Aneichung der Radarbilder nicht diskutiert werden soll
Es wird davon ausgegangen dass die raumlumlichen und zeitlichen Aufloumlsung der Radarniederschlagsdaten bei jetziger bdquoQualitaumltldquo eine deutlich bessere Datengrundlage zur Modellierung darstellen als die bisher verwendeten stationaumlren statischen Niederschlaumlge aus den Niederschlagsstationen oder aus dem KOSTRA DWD-Raster (845 km x 845 km)
Der Deutsche Wetterdienst (DWD) speichert im Rahmen des RADOLAN Projektes seit Juni-2005 bis heute Radaraufzeichnungen und stellt diese in verschiedenen Formaten und zu verschiedenen Konditionen zur Verfuumlgung
Fuumlr die 16 Radarstandorte des DWD stehen jeweils Radarbilder mit einer 5-minuumltigen Aufloumlsung zur Verfuumlgung
Am bekanntesten ist das sog RADOLAN-RW-Kompositprodukt fuumlr die Flaumlche der Bundesrepublik Deutschland (900 km x 900 km)
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RADOLAN RW Kompositprodukt fuumlr die Flaumlchen der Bundesrepublik Deutschlandkomposit (900 km x 900 km) aus [5] 2011
Hierbei handelt es sich um die mit Hilfe der Bodenniederschlagsstationen angeeichten und uumlberlagerten Radarbilder der 16 Radarstationen Dieses Produkt gibt den Niederschlag pro Stunde fuumlr ein Rasterfeld von 1km x 1km an und steht in einer zeitlichen Aufloumlsung von einer Stunde zur Verfuumlgung Die Daten sind frei verfuumlgbar und stehen auf dem FTP-Server des DWD (ftpftp-cdcdwddepubCDC) zur freien Download zur Verfuumlgung Sie liegen im RADOLAN Kompositformat Version 222 vor Dies ist ein Binaumlrformat mit ASCII Header und kann zB mit der Python Skript-Bibliothek bdquowradlibldquo gelesen werden
Auszug aus dem RADOLAN-Kurzbeschreibung (Stand April 2012)
bdquoDas derzeit bestmoumlgliche am schnellsten verfuumlgbare RADOLAN-Ergebnis (RW-Produkt) ist ein angeeichtes RadarndashDeutschlandkomposit mit stuumlndlichen Niederschlagshoumlhen in einer Intensitaumltsaufloumlsung von 01 mm und in einer raumlumlichen Aufloumlsung von einem Quadratkilometer welches zeitnah (innerhalb von 30 Minuten) zur Verfuumlgung stehtldquo
Die RADOLAN-Komposite liegen in polarstereografischer Projektion vor und haben in der Projektion eine aumlquidistante Rasterung von 10 km Das kartesische Koordinatensystem besitzt eine Groumlszlige von 900 km x 900 km (siehe auch [4] [5])
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Eine deutlich bessere zeitliche Aufloumlsung liefert das RADOLAN RY-Komposit Bei gleicher raumlumlicher Aufloumlsung wie das oben beschriebene RW-Komposit besitzt das RY-Komposit in einer zeitlichen Aufloumlsung von 5 Minuten Die Niederschlagshoumlhen werden in 001 mm bereitgestellt
Beide Radar-Komposit-Produkte (RW und RY) sind fuumlr behoumlrdliche Aufgaben im Rahmen des vorbeugenden Hochwasserschutzes der BRD entwickelt und optimiert worden Fuumlr mittlere und groszlige Einzugsgebiete ist die bereit gestellte raumlumliche und zeitliche Aufloumlsung beider Produkte voumlllig ausreichend
Fuumlr kleine Einzugsgebiete (lt 50 kmsup2) stellt die raumlumliche Aufloumlsung von 1km x 1km die bei beiden Komposit-Produkte moumlglich ist eine deutliche Verbesserung gegenuumlber der Dichte der Niederschlagsstationen und der DWD KOSTRA Rasterweite dar
Am Beispiel des Teileinzugsgebietes des Rambach Ae=21 kmsup2 in Wiesbaden erhaumllt man uumlber das Radar-Komposit-Produkt eine deutlich bessere raumlumliche Aufloumlsung der Niederschlagsverteilung als uumlber die einzelnen Niederschlagsstation in WI-Auringen oder WI-Biebrich
Die zeitliche Aufloumlsung von 5 Minuten bietet die Moumlglichkeit die zeitliche Entwicklung und die raumlumlich Verteilung der Niederschlagsintensitaumlt auch fuumlr kleine Einzugsgebieten in ausreichender Qualitaumlt abzubilden
Die Klaumlrung der Anfrage beim DWD (Ansprechpartner Elmar Weigl) ob auch ein bdquoHessen Kompositldquo mit houmlherer raumlumlicher Aufloumlsung denkbar und erhaumlltlich ist steht noch aus
Insgesamt sind die angebotenen Radarniederschlagsdaten Radarprodukte auf die Beduumlrfnisse der aktuellen Nutzer zugeschnitten Die Zugaumlnglichkeit fuumlr Lehre und Forschung ist ausreichend gegeben
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22 Aufwand zur Nutzung und Aufbereitung von Radarniederschlagsdaten fuumlr Modellierer Ingenieurbuumlros
Wie in Abschnitt 1 einfuumlhrend erlaumlutert sind neben einer ausreichenden raumlumlichen und zeitlichen Aufloumlsung
die Kosten fuumlr die Beschaffung der Radarniederschlagsdaten und
der Aufbereitungsaufwand fuumlr die Simulation
fuumlr Modellierer Ingenieurbuumlros entscheidend
Ingenieurbuumlros bearbeiten Projekte aufgrund der Ausschreibungsbedingungen und der starken Konkurrenzsituation in einem sehr engen Finanzrahmen
Die aktuell angebotenen Radarniederschlagsdaten Radarprodukte benoumltigen einen zu groszligen Aufbereitungsaufwand um diese fuumlr die Simulation von Starkregen und Sturzfluten in kleinen Einzugsgebieten zu nutzen
Vor einer Simulation muumlssen die folgenden zwei Schritte abgearbeitet werden
1) Auswahl geeigneter konvektiver Ereignisse fuumlr das Untersuchungsgebiet (Regensammlung)
2) Aufbereitung der 5-minuumltigen Radarniederschlagsdaten fuumlr die gewaumlhlten konvektiven Ereignisse
Auswahl geeigneter konvektiver Ereignisse fuumlr das Untersuchungsgebiet (Regensammlung)
Zur Erinnerung Aktuelle werden die Radarniederschlagsdaten noch nicht genutzt sondern der statischen Regen aus einer benachbarten Niederschlagsstation oder statischen Blockregen aus DWD KOSTRA 2000 entnommen Die Dauer der Modellregen orientiert sich dabei an der Konzentrationszeit Flieszligzeit im Niederschlagsgebiet Um den Aufwand zur Beschaffung Auswahl und Aufbereitung der Niederschlagsdaten von konvektiven Ereignissen einzelner Niederschlagsstationen zu umgehen werden stattdessen die DWD KOSTRA 2000 Blockregen verwendet
Um bei der Auswahl von konvektiven Ereignissen aus Radarniederschlagsdaten den Kostenrahmen fuumlr die Datenbeschaffung gering zu halten erscheint es sinnvoll auf die RADOLAN-RW-Komposit Radarniederschlagsdaten mit einer zeitliche Aufloumlsung von 1 h die auf dem FTP-Server des
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DWD (ftpftp-cdcdwddepubCDC) zum freien kostenlosen Download zur Verfuumlgung stehen zuruumlck zu greifen
Mit folgenden Systemen lassen sich zurzeit die Niederschlagsdaten des RADOLAN RW-Komposits visualisieren
KONRAD webKONRAD - Zugang uumlber das Feuerwehrinformationssystem (FEWIS)
IDLRaBiD 50 - Darstellungsprogramm fuumlr Radarbilder des Deutschen Wetterdienstes
WaWIS (Registrierung uumlber DWD notwendig)
NinJo Lizenz erhaumlltlich uumlber Ernst Basler + Partner GmbH
Python Skript Bibliothek bdquowradlibldquo (Darstellen der einzelnen RW Komposite)
KONRAD bzw webKONRAD ist nur uumlber den Zugang des Feuerwehrinformationssystems (FEWIS) zu erreichen und steht Ingenieurbuumlros nicht zur Verfuumlgung
IDLRaBiD 50 ist eine interne Software des DWD und steht Ingenieurbuumlros nicht zur Verfuumlgung
WaWIS steht nur Behoumlrden zur Verfuumlgung die im Rahmen des Katastrophenschutzes taumltig sind
NinJo 17 kann als Lizenzprodukt erworben werden Auf das Ingenieurbuumlro kaumlmen Lizenz- und Installationskosten welche sich im 5 stelligen Bereich bewegen zu Fuumlr Forschungsinstitutionen fallen die Lizenzkosten weg es verbleiben jedoch Installationskosten von ca 5000 Euro Eine Betrachtung von konvektiven Fronten uumlber mehrere Tage hinweg ist fuumlr ausgesuchte Zeitabschnitte moumlglich
Eine weitere Alternative ist die Nutzung der umfangreichen Phyton-Skript Bibliothek bdquowradlibldquo Hier muss jedes einzelne RW-Komposit eingelesen und visualisiert werden Natuumlrlich wird dies durch geeignete wradlib utility functions (Batch Routinen zur Verarbeitung vieler RW-Komposite) erleichtert Der Gesamtaufwand zur Visualisierung ist dennoch erheblich
Der Einsatz der letzten zwei Alternativen setzt jedoch voraus dass man bestimmte konvektive Ereignisse bereits identifiziert hat Dh die entsprechenden historischen Ereignisse sind bekannt oder es wurden aus den Aufzeichnungen der Bodenniederschlagsstationen bereits Ereignisse ausgewaumlhlt
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Zurzeit gibt es noch kein System welches frei zugaumlnglich ist und die historischen RW RADOLAN-Daten (Juni-2005 bis heute) visualisieren kann
Optimal waumlre es wenn die RW-RADOLAN-1h-Komposite jahresweise in einem Video mit Datum Kartenhintergrund und N-Intensitaumltsskala vor- und ruumlckspulbar betrachtet werden koumlnnten Auf diese Weise waumlre es moumlglich maszliggebende konvektive Ereignisse Szenarien (Regensammlung mit verschiedenen Niederschlagsdauern und verschiedenen Niederschlagsmengen) zur Simulation leichter zu identifizieren (vgl auch Abschnitt 7)
Arbeitsziel unterstuumltzt durch Studienarbeit Entwurf und Umsetzung eines Werkzeugs zur Visualisierung der archivierten und aktuellen Radarniederschlagsdaten (DWD-RADOLAN-RW-Komposit)
Aufbereitung der 5 minuumltigen Radarniederschlagsdaten fuumlr die gewaumlhlten konvektiven Ereignisse
Sind die konvektiven Ereignisse Szenarien zur Simulation identifiziert muumlssen deren Radarniederschlagsdaten je nach Anforderung des verwendeten Simulationsmodells aufbereitet werden
Alle Simulationsmodelle nutzen fuumlr die Eingabeaufbereitung und Ergebnispraumlsentation GIS-Oberflaumlchen So lassen sich Simulationsergebnisse mit anderen Datengrundlagen (Amtliches Liegenschaftskatasterinformationssystem ALKIS Bodeninformationen Luftbilder Nutzung etc) verschneiden und fachlich interpretieren (zB Erstellung von Starregen Gefahrenkarten) Oftmals werden die Simulationsmodelle als aufgesetzte bdquoFachschaltenldquo zu GIS-Systemen realisiert
Diese Tatsache macht es unumgaumlnglich die Komposit-Radarniederschlagsdaten auf ein GIS-System kompatibles Format mit geeigneter Projektion (zB Gauszlig-Kruumlger- oder UTM-Projektion) zu uumlberfuumlhren
Die fuumlr die DWD ndashRADOLAN-RW-Komposit-Radarniederschlagsdaten verwendete polarstereographische Projektion (siehe [5]) ist fuumlr die derzeitigen Anwendungen geeignet Man betrachtet und beurteilt groszligraumlumige Wetterlagen uumlber Staats- Bundeslandgrenzen hinweg
Fuumlr eine Simulation von kleinraumlumigen Starkregenereignissen und eine fachliche Verschneidung der Simulationsergebnisse mit weiteren Daten eignet sich die polarstereographische Projektion jedoch nicht
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In [33 Kapitel 5] werden die Probleme beim Georeferenzieren der DWD-RADOLAN-Komposite ausfuumlhrlich erlaumlutert
Arbeitsziel unterstuumltzt durch Studienarbeiten Entwurf und Umsetzung eines Werkzeugs zur Transformation und Projektion der DWD-RADOLAN-RW und RY-Komposit-Radarniederschlagsdaten in Gauszlig-Kruumlger undoder UTM-Projektion
Innerhalb des HLUG sollte eine Diskussion zur Festlegung einheitlicher Projektionen fuumlr kuumlnftige wasserwirtschaftliche Projekte im Land Hessen stattfinden
Waumlhrend die in Gauszlig-Kruumlger- oder UTM transformierten Radarniederschlagsdaten in einem Raster von ca 1km x 1km vorliegen koumlnnen die Simulationsmodelle (vgl Abschnitt 0) je nach gewaumlhlten Randbedingungen deutlich kleinere Rasterweiten (zB 5m x 5 m bis 100 m x 100m) verwenden
Fuumlr eine Simulation muss ein gemeinsames Rasters definiert und alle Datengrundlagen in dieses Raster uumlberfuumlhrt werden
Uumlberlagerung eines Transformierten RADOLAN Raster mit Gauszlig-Kruumlger oder UTM Raster
Gauszlig-Kruumlger oder UTM transformiertes RADOLAN Raster (schiefes Veireck 950x950 m)
zur Simulation verwendetes Raster
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Arbeitsziel unterstuumltzt durch Studienarbeit Entwurf und Umsetzung eines GIS Werkzeugs zur Aufbereitung der DWD-RADOLAN-Komposit-Raster zur Simulation von Starkregen in kleinen Einzugsgebieten
23 Auswertung der RADOLAN Radarniederschlagsdaten des DWD
Wie in Abschnitt 2 erlaumlutert koumlnnen die Zugrichtung und die Zuggeschwindigkeit einer konvektiven Starkregenfront Starkregenzelle die Einwirkungsintensitaumlt in einem Niederschlagseinzugsgebiet entscheidend beeinflussen Die Abmessungen der Starkregenfront Starkregenzelle in Verbindung mit der Zuggeschwindigkeit sowie die Regendauer koumlnnen im unguumlnstigen Fall mit der Konzentrationszeit im Niederschlagseinzugsgebiet zusammenfallen und zu einer entscheidenden Verschaumlrfung des Wellenscheitels fuumlhren
Unter der Voraussetzung dass die in Abschnitt 22 beschriebenen Werkzeuge erstellt worden sind sollen nun mit deren Hilfe die historischen RADOLAN Radarniederschlagsdaten ausgewertet werden
Identifizieren von Starkregenfronten Starkregenzellen Hierfuumlr sind Identifikationskriterien zu erarbeiten
Einordnung des Wiederkehrintervalls der Starkregenfront Starkregenzelle (Dauer und Niederschlagsmenge) mit Hilfe der DWD KOSTRA2000-Auswertung
Identifikation und Digitalisierung des Intensitaumltsschwerpunktes der jeweiligen Starkregenfront
Zeitliche Entwicklung der Intensitaumltsverteilung innerhalb der Starkregenfront
Fuumlr jede identifizierte Starkregenfront Starkregenzelle sollen in Abhaumlngigkeit der JahreszeitWetterlage folgende Parameter ermittelt und statistisch ausgewertet werden
Digitalisierung der Abmessungen (Laumlngenausdehnung Breitenausdehnung) und der Form (Laumlngen-Breitenverhaumlltnis oder Flaumlche-Umfangverhaumlltnis)
Digitalisierung der Zugrichtung (Zugbahn Zugtrajektorie) und Zuggeschwindigkeit (im Schwerpunkt der Intensitaumlt)
Darstellung der Abmessungen der Zugrichtungen und Zugbahnen in Karten und Uumlberlagerung mit dem digitalen Gelaumlndemodell
Auf diese Weise koumlnnen eventuell Starkregenschwerpunkte (-regionen) in Hessen identifiziert und in Karten dargestellt werden
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Arbeitsziel unterstuumltzt durch Studienarbeit(en) Auswertung historischer RADOLAN Radarniederschlagsdaten des DWD
24 Praxisseminar Kolloquium bdquoVerwendung von Radardaten zur Simulation von Starkregen Sturzfluten in Hessenldquo
In Zusammenarbeit mit dem Wissenschaftsforum Umwelt und der Weiterbildungsplattform NATURUMWELTTECHNIK (NUT) der Hochschule RheinMain sollen in einem 1-taumlgigen Praxisseminar die Moumlglichkeiten zur Nutzung von Radarniederschlagsdaten zur Simulation von Starkregen Sturzfluten vorgestellt werden
Zielgruppe Ingenieurhydrologen Hydrologen Ingenieurbuumlros (Modellierer) und andere am Thema Interessierten
Die Organisation uumlbernimmt die Weiterbildungsplattform NUT der Hochschule RheinMain Die fachliche Koordination ist durch Prof Dr Ernesto Ruiz Rodriguez und Frau BEng Lisa Trost gesichert Eine partnerschaftliche Koordination durch das HLUG und den DWD ist moumlglich und wird ausdruumlcklich erwuumlnscht
3 Arbeitspaket 2 Uumlberpruumlfung und Anpassung von Modellansaumltze zur Ermittlung des abflusswirksamen Niederschlages bei Starkregen
Unter dem abflusswirksamen (effektiven) Niederschlag versteht man den Anteil des Niederschlages der in einem Einzugsgebiet unmittelbar nach dem Niederschlagsereignis als Direktabfluss wirksam wird
Zu Beginn des Niederschlagsereignisses sind die Verluste idR besonders groszlig (Benetzung der der Vegetationsdecke und Muldenverluste) Bei Starkregen werden diese Speicherraumlume jedoch schnell gefuumlllt und die hohen Niederschlagsintensitaumlten uumlbersteigen oft die Infiltrationsfaumlhigkeit des Bodens und es kommt zum Oberflaumlchenabfluss (vgl auch Abschnitt 4)
Insofern spielt besonders bei Starkregen der Anteil an abflusswirksamen Oberflaumlchenabfluss eine entscheidende Rolle Dieser bildet gemeinsam mit dem oberflaumlchennahen Interflow in der belebten Bodenzone den Hauptanteil am sog abflusswirksamen Niederschlag
Der in der Ingenieurhydrologie am haumlufigsten verwendete Modellansatz zur Ermittlung des abflusswirksamen Niederschlags ist der Ansatz des Abflussbeiwertes Er wird sowohl in der Urbanhydrologie (Kanalnetzberechnung) als auch
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bei der Modellierung von Niederschlags-Abfluss-Prozessen (NA-Modellierung) auf natuumlrlichen Flaumlchen eingesetzt
Abflussbeiwert-Ansaumltze
)()()(
)()(
)(
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tititi
titi
ti
ti
vw
w
w
Ψ ndash Abflussbeiwert [-]
i(t) ndash Niederschlagsintensitaumlt [mmh]
iw(t) ndash wirksame Niederschlagsintensitaumlt [mmh]
a) konstanter Abflussbeiwert Ψ
b) Konstanter Abflussbeiwert Ψ mit Anfangsverlust hva
Der Anfangsverlust hva wird durch die Mulden- und Benetzungsverluste begruumlndet
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c) Zeitvarianter Abflussbeiwert Ψ mit oder ohne Anfangsverlust hva
In der Urbanhydrologie wird der konstante Abflussbeiwert Ψ ohne Anfangsverlust hva bei der NA-Modellierung kommt fast immer der konstante Abflussbeiwert Ψ mit Anfangsverlust hva zum Einsatz
Liegen Niederschlags- und Abflussaufzeichnungen des Direktabflusses QD(t) vor und ist der Verlauf des Basisabflusses QB(t) bekannt so kann der Abflussbeiwert Ψ aus der Volumen-Massenbilanz ermittelt werden Der Anfangsverlust hva wird in der Regel mit 3 bis 4 mm Niederschlagshoumlhe geschaumltzt Der gefallene effektive Niederschlag iw(t)=Ψ i(t) findet sich im Direktabfluss QD(t) oberhalb des Basisabflusses QB(t)
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0
Liegen keine Niederschlags undoder Pegelaufzeichnungen vor wird in der Ingenieurpraxis der Abflussbeiwert mit Hilfe oder im Anlehnung an das SCS Verfahrens (US Soil Conversation Service der USA) ermittelt Diese Verfahren wird ua in der
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DVWK-Regel 113 beschrieben Das SCS-Verfahren unterscheidet folgende Bodentypen
Bodentyp A Boumlden mit groszligem Versickerungsvermoumlgen auch nach starker Vorbefeuchtung zB tiefe Sand- und Kiesboumlden
Bodentyp B Boumlden mit mittlerem Versickerungsvermoumlgen tiefe bis maumlszligig tiefe Boumlden mit maumlszligig feiner bis maumlszligig grober Textur zB mitteltiefe Sandboumlden Loumlszlig (schwach) lehmiger Sand
Bodentyp C Boumlden mit geringem Versickerungsvermoumlgen Boumlden mit feiner bis maumlszligig feiner Textur oder mit wasserstauender Schicht zB flache Sandboumlden sandiger Lehm
Bodentyp D Boumlden mit sehr geringem Versickerungsvermoumlgen Ton Boumlden sehr flache Boumlden uumlber nahezu undurchlaumlssigem Material Boumlden mit dauernd sehr hohem Grundwasserspiegel
BodennutzungBodentyp A B C D
Oumldland (ohne nenneswerten Bewuchs) 77 86 91 94
Hackfruumlchte Wein 70 80 87 90
Wein (Terrassen) 64 73 79 82
Getreide Futterpflanzen 64 76 84 88
Weide (normal) 49 69 79 84
Weide (kark) 68 79 86 89
Dauerwiese 30 58 71 78
Wald (stark aufgelockert) 45 66 77 83
Wald (mittel aufgelockert) 36 60 73 79
Wald (dicht) 25 55 70 77
undurchlaumlssige bzw versiegelte Flaumlchen 100 100 100 100
CN-Beiwert des SCS-Verfahrens
In Abhaumlngigkeit der Bodennutzung und des Bodentyps wird fuumlr das Niederschlagseinzugsgebiet ein flaumlchengewichteter CN-Beiwert ermittelt und der effektive Niederschlag hNE berechnet
4258800425
22004252
NN
NNNe
Ch
Chh
N
Ne
h
h
Das Originalverfahren hat Schwaumlchen und wurde mehrfach modifiziert (zB nach Oslashverland Zaiszlig und Lutz) Dabei wurde versucht den Einfluss der aktuellen Bodenfeuchte des Bodens besser zu beruumlcksichtigen Je nach Bodentyp kann diese einen groszligen Einfluss auf den effektiven Niederschlag (vgl auch Abschnitt 41) haben
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Alle diese Ansaumltze beruumlcksichtigen nicht die bei Starkregen beobachteten und in [17] beschriebenen Effekte der Bodenluftkompression die die Infiltrationsfaumlhigkeit des Porenraumes bei hohen Niederschlagsintensitaumlten mindert und somit den Anteil des Oberflaumlchenabflusses erhoumlht
Arbeitsziel unterstuumltzt durch Studienarbeit Uumlberpruumlfung und Anpassung der Modelansaumltze zur Ermittlung des abflusswirksamen Niederschlages bei Starkniederschlaumlgen unter besonderer Beruumlcksichtigung von Bodenfeuchte und Bodenluftkompressionseffekten
Die Verwendung der Radarniederschlagsdaten macht es moumlglich die zeitliche und raumlumliche Niederschlagsverteilung im Einzugsgebiet zu betrachten Da die Niederschlagsintensitaumlten und -mengen im Einzugsgebiet variieren werden sich demzufolge raumlumlich verteilte Abflussbeiwerte ergeben Die oben beschriebenen Ansaumltze zur Ermittlung des abflusswirksamen Oberflaumlchenabflusses muumlssen daraufhin angepasst und ggf weiterentwickelt werden
Arbeitsziel unterstuumltzt durch Studienarbeit Uumlberpruumlfung und Anpassung der Modelansaumltze zur Ermittlung des abflusswirksamen Niederschlages bei raumlumlich und zeitlich sich veraumlndernden Starkniederschlaumlgen
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4 Arbeitspaket 3 Uumlberpruumlfung und Anpassung der hydraulischen Ansaumltze zur Berechnung des Oberflaumlchenabflusses bei Starkregen Sturzfluten an steilen Haumlngen
Beim Oberflaumlchenabfluss muss zwischen dem klassischen Oberflaumlchenabfluss nach Horton (1933) und dem Saumlttigungsoberflaumlchenabfluss unterschieden werden
Der Oberflaumlchenabfluss nach Horton entsteht durch einen Infiltrationsuumlberschuss Die Niederschlagsintensitaumlt ist houmlher als die Infiltrationskapazitaumlt der Boumlden und das nicht infiltrierte Niederschlagswasser flieszligt dann in Fallrichtung auf der Hangoberflaumlche ab
Der Saumlttigungsoberflaumlchenabfluss setzt dann ein wenn der Boden seine maximale Wassersaumlttigung erreicht hat dh das Porenvolumen vollstaumlndig mit Wasser gesaumlttigt ist Bei diesem Abfluss tritt haumlufig Wasser aus einem vergangenen Ereignis wieder aus dem Boden aus (Exfiltration) und vermischt sich mit dem Niederschlag des aktuellen Ereignisses
Im Folgenden wird zunaumlchst nur die Einphasenstroumlmung des Oberflaumlchenwassers betrachtet der Bewegungsbeginn und der Transport von Teilen der Bodenmatrix (Erosion) werden nicht analysiert Der Massentransport koumlnnte nachdem die Bewegungsgleichungen der Einphasenstroumlmung in steilen Haumlngen verifiziert oder korrigiert wurden in spaumlteren Arbeitsschritten betrachtet werden
Fuumlr die Simulation des Oberflaumlchenabflusses an Steilhaumlngen werden aktuell dieselben Ansaumltze verwendet wie zur Berechnung des Oberflaumlchenabflusses auf flachen Uumlberflutungsflaumlchen in Gewaumlssern und auf Auen Die dabei erzielten Ergebnisse scheinen so plausibel sodass die verwendeten Modelle bislang noch nicht hinterfragt wurden Und das obwohl die geometrischen und hydraulischen Randbedingungen an steilen Hanglagen sich von denen auf flachen Uumlberflutungsflaumlchen stark unterscheiden
In diesem Zusammenhang verglich beispielsweise Herr Dipl-Ing Klaus Schmalzl des Wasserwirtschaftsamtes Rosenheim in seinem Vortrag bdquoSturzfluten hydrodynamisch numerisch mit HYDRO_AS-2D berechnenldquo [38] den er im Rahmen des Treffens der Anwender des 2D-Hydrodynamik-Programms HYDRO_AS-2D der Fa Hydrotec am 11Okt 2014 in Muumlnchen hielt das Programm HYDRO_AS-2D welches eigentlich fuumlr die 2-Dimensionale Simulation in Gewaumlssern entwickelt worden ist mit einem bdquoSchweizer Messerldquo welches als Symbol fuumlr einen vielseitigen Einsatz steht
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In Kongress INTERPRAEVENT 2012 in Grenoble [25] wurde bdquoEin neuer Ansatz zur Modellierung von Oberflaumlchenabflussldquo vorgestellt In der Zusammenfassung
bdquoOberflaumlchenabfluss wird als der Teil des Niederschlags verstanden welcher einem Vorfluter uumlber die Bodenoberflaumlche unmittelbar zufliesst Auswertungen von Unwetterereignissen in den letzten Jahren in der Schweiz haben gezeigt dass bis zu 50 der durch Wassergefahren verursachten Schadenfaumllle durch Oberflaumlchenabfluss verursacht worden sind Dennoch ist Oberflaumlchenabfluss in der Schweiz kaum in den Gefahrenkartierungsprozess integriert Um diese Luumlcke zu fuumlllen wurde auf der Basis der Software FloodArea eine Methode entwickelt welche eine Modellierung von Oberflaumlchenabfluss mit einheitlichen Kriterien uumlber grosse Gebiete erlaubt In dieser Studie werden die Methodenentwicklung und zwei Fallstudien vorgestellt Die Resultate zeigen dass an den Raumlndern von Siedlungsflaumlchen und im Landwirtschaftsland gute Ergebnisse erzielt werden Potenziell gefaumlhrdete Gebaumlude oder Bauparzellen werden erkannt Innerhalb von Siedlungsgebieten sind die Differenzen zu realen Ereignissen groumlsser Daher liegt der Fokus von Folgearbeiten auf einer weiteren Verbesserung der Genauigkeit des Gelaumlndemodells und der Integration von zusaumltzlichen Strukturen (zB Kleinbauten) welche Fliesswege entscheidend beeinflussen koumlnnenldquo aus [25]
wird auf die Software FloodArea der Fa Geomer Heidelberg verwiesen
FloodArea und auch HYDRO_AS-2D sind Beispiele von in der Praxis verwendeten Programmen zur Berechnung von Wasserspiegellagen in Gewaumlssern und zur 2-D Uumlberflutungssimulation auf Auen Wie das nachfolgende Bild zeigt sind die mit FloodArea erzielten Simulationsergebnisse plausibel
Oberflaumlchenabflussmodellierung in Busswil (Kanton Bern Schweiz) aus [25]
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Der Verfasser dieser Projektskizze selbst hat in Zusammenarbeit mit der Fa Geomer in Heidelberg die hydraulischen Kernroutinen fuumlr das Programm FloodArea entwickelt und ist daher in der Lage deren Einsatzgrenzen gut beurteilen zu koumlnnen
41 Korrektur der Flieszligformeln zur Simulation des Oberflaumlchenabflusses an steilen Haumlngen
Die nachfolgende Tabelle zeigt die unterschiedlichen Auspraumlgungen von wichtigen hydraulischen und geometrischen Randbedingungen fuumlr den steilen Oberflaumlchenabfluss und fuumlr die Wasserausbreitung auf den vergleichsweise flachen Gewaumlsserauen
Parameter Auspraumlgung
Gewaumlsser und Aue Steile Hanglage
Gefaumllle klein permil bis 10
groszlig 5 bis uumlber 100
Wassertiefe groszlig Dezimeter bis mehrere Meter
klein Duumlnnfilmabfluss bis Dezimeter
Betrachten wir zunaumlchst ein Fluidelement 119889119909 times ℎ times 119880 auf einer steilen Hangflaumlche mit dem Hangneigungswinkel β und formulieren in x- Richtung das Kraumlftegleichgewicht zwischen der hangabwaumlrts treibenden Kraft
119866 times sin 120573 = 119889119909 times ℎ times 119880 times 120588 times 119892 times sin 120573 und der Hangreibungskraft T
119879 = 120591 times 119880 times 119889119909 Man erhaumllt so den bekannten Ansatz fuumlr die Schleppspannung
120591 auf einer Hangflaumlche
120591 = 120588 times 119892 times119860
119880times sin 120573 [
119873
1198982]
dx
Q
vdx cosszlig
h
G
G sinszlig
T
U
Ah
szlig
x
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Mit dem in der turbulenten Hydraulik uumlblich verwendeten Ansatz
120591 =120582
81199072 [
119873
1198982]
ergibt sich die Flieszligformel fuumlr den Oberflaumlchenabfluss
119907 =1
radic120582times radic8 times 119892 times
119860
119880times 119904119894119899 120573 [
119898
119904]
mit
v - mittl Flieszliggeschwindigkeit [ms]
1
radic120582 - Reibungskoeffizient [-]
g - Erdbeschleunigung [mssup2]
A - Abflussquerschnitt [msup2]
U - benetzte Sohle [m]
β - Hangneigungswinkel [Grad]
Da in der Flusshydraulik die Neigungswinkel der Gewaumlssersohlen deutlich kleiner sind als die Neigungswinkel steiler Hanglagen werden die Flieszligformeln vereinfach
119907 =1
radic120582times radic8 times 119892 times
119860
119880times 119868119864
Anstelle des 119904119894119899 120573 wird das Gefaumllle IE verwendet Dh
119904119894119899 120573 = 120573 oder 119904119894119899 120573 = 119905119886119899 120573 = 119868119864
mit
IE - Sohlgefaumllle [minuspermil]
Fuumlr Gefaumllle bis 20 oder 113 Grad Neigung ist diese Vereinfachung vertretbar und liefert gute Ergebnisse Ab Neigungen groumlszliger 20 darf diese Vereinfachung nicht mehr angesetzt werden Bei einer Hangneigung mit 45 Grad oder IE=1=100 Gefaumllle weichen die Ergebnisse fuumlr die Flieszliggeschwindigkeit um 16 ab
radic1 = 1 radic119904119894119899 45 = 07071 = 084 119865119890ℎ119897119890119903 =1minus084
1times 100 = 16
Bei aktuellen Simulationen werden diese Fehler manchmal auch aus Unkenntnis hingenommen oder mit Hilfe des Reibungskoeffizienten der Oberflaumlchen versucht zu korrigieren
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42 Versuchseinrichtung zur Uumlberpruumlfung und Anpassung der Flieszligformeln zur Simulation des Oberflaumlchenabflusses an steilen Haumlngen
Auf dem Gelaumlnde des Wasserbaulaboratoriums der Hochschule RheinMain soll im naumlchsten Sommersemester 2015 eine Versuchseinrichtung zur Simulation von Oberflaumlchenabfluss auf Hanglagen bis 45deg (11 100) errichtet werden
Es soll eine kippbare Versuchsrinne mit einer Breite von 10 m einer Houmlhe von 026 m und einer Laumlnge von 63 m errichtet werden (vgl auch Anlage 1) Zur vertikalen Regensimulation soll uumlber der Versuchsrinne eine Beregnungsanlage mit schwenkbaren Duumlsen angebracht werden
Kipprinne zur Simulation von Oberflaumlchenabfluumlssen an steilen Haumlngen vgl Anlage 1
In einer ersten Phase sollen die in Abschnitt 41 diskutierten hydraulischen Ansaumltze in Versuchen verifiziert werden Hierbei gilt es besonders zu uumlberpruumlfen ob bei sehr kleinen Abflusstiefen (Duumlnnfilmabfluss) die Oberflaumlchenspannung der Wassers bei den Bewegungsgleichungen von Bedeutung ist
Fuumlr die Versuchsreihen koumlnnen die Beregnungslaumlnge die Niederschlagsintensitaumlt und der Neigungswinkel der Versuchsrinne variiert werden
Arbeitsziel unterstuumltzt durch Studienarbeit Uumlberpruumlfung und Anpassung der Flieszligformeln zur Simulation des Oberflaumlchenabflusses an steilen Haumlngen
In einer spaumlteren Versuchsphase soll SohlsubstratBoden eingebracht werden um mit oder ohne kuumlnstlichen Bewuchsstrukturen verschiedene Hangrauheiten simulieren zu koumlnnen Dies soll zur Klaumlrung des Erosionsbeginns der Bodenmatrix beitragen
1000 cm
260 cm
Sohlsubstrat zur Aufnahmevon kuumlnstlichen Bewuchsstrukturen
Beregnungsanlage mit schwenkbaren Duumlsen zurvertikalen Regensimulation
Wasserkoumlrper desOberflaumlchenabflusses
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5 Arbeitspaket 4 Instationaumlre 2ndashdimensionale Modellierung des Oberflaumlchenabflusses bei Starkniederschlaumlgen
Um dem Programmieraufwand im Rahmen des Projektes so gering wie moumlglich zu halten wird vorgeschlagen das Programm Floodarea der Fa Geomer Heidelberg welches sich bisher in der Praxis bewaumlhrt hat als Basis fuumlr die Simulationen zu verwenden FloodArea ist ein vollstaumlndig in ArcGISreg integriertes 2D-Modell zur Berechnung von Uumlberschwemmungsflaumlchen Wie in Abschnitt 4 bereits erwaumlhnt war der Verfasser dieser Skizze in die Erarbeitung der hydraulischen Kernroutinen dieser Software involviert und kann insofern ihre Einsatz- und Anpassungsmoumlglichkeiten sehr gut abschaumltzen Eine Abstimmung mit Herrn Dr Assmann von der Fa Geomer erfolgte vor dem Verfassen dieser Projektskizze
Folgende Anpassungen bzw Erweiterungen des Programms sollen realisiert werden
Schnittstelle zu den DWD-Radarniederschlagsdaten um die 5-minuumltigen RADOLAN RY-Komposite fuumlr eine instationaumlre 2-dimensionale Modellierung des Oberflaumlchenabflusses verwenden zu koumlnnen(vgl Abschnitt 2)
Einarbeitung der angepassten und erweiterten Ansaumltze zur Ermittlung des abflusswirksamen Niederschlages bei Starkregen
Einarbeitung der uumlberarbeiteten hydraulischen Ansaumltze fuumlr den Oberflaumlchenabfluss in steilen Hanglagen
Fuumlr die in Abschnitt 7 vorgeschlagenen Pilot-Einzugsgebiete sollen fuumlr ausgesuchte Starkregenereignisse (Regensammlung vgl Abschnitt 22) Simulationen des Oberflaumlchenabflusses durchgefuumlhrt werden
Die Ergebnisse dieser Simulationen sollen die hydraulische Grundlage fuumlr die in Abschnitt 6 beschriebenen Starkregen-Gefahrenkarten bilden
Folgende Datengrundlagen sind in die Simulationen des Oberflaumlchenabflusses zu intergrieren
Radarniederschlagsdaten (vgl Abschnitt 2)
ein hoch aufgeloumlstes digitales Gelaumlndemodell aus Laserscandaten Bereits durchgefuumlhrte Simulationen des Landes Baden Wuumlrttemberg im Einzugsgebiet der Starzel und [25] zeigen dass der Einfluss von Kleinstrukturen und Hindernissen (Mauern Graumlben Strassendammprofile) auf den Verlauf des Abflussgeschehens einen groszligen Einfluss haben koumlnnen
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Diese Kleinstrukturen werden allerdings durch das digitale Gelaumlndemodell nicht immer vollstaumlndig abgebildet Ggf muumlssen die Kleinstrukturen nachdigitalisiert werden um das digitale Gelaumlndemodell bdquohydraulischldquo zu vervollstaumlndigen
Gewaumlssernetz
Nutzungsmodell (zB ATKIS ALKIS CORINE LAND COVER) ggf mit Luftbildaufnahmen zur Verifizierung und Praumlzisierung der Nutzung und zur Ermittlung der Bearbeitungsrichtung bei landwirtschaftlichen Flaumlchen Hydraulisch nicht aktive Gebaumludeflaumlchen muumlssen bdquomarkiertldquo werden damit die Simulation an einer moumlglichst reellen Oberflaumlchengeometrie durchgefuumlhrt werden kann
Bodenkarte
Informationen uumlber die Bodenfeuchte oder Betrachtung der Regenmengen in den letzten 30 Tagen
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6 Arbeitspaket 5 Erarbeitung von Starkregen Gefahrenkarten fuumlr das Land Hessen
Wie im einfuumlhrenden Abschnitt 1 erlaumlutert muumlssen aufgrund der zu kurzen Vorwarnzeiten in kleinen Einzugsgebieten die Flaumlchen- und Bauvorsorge intensiviert werden um Schaumlden durch Starkregen und Sturzfluten mindern zu koumlnnen Die dazu notwendigen Informationen uumlber die in dieser Hinsicht gefaumlhrdeten Flaumlchen und deren Nutzung muumlssen bei der angepassten kommunalen Planung beruumlcksichtigt werden Flaumlchennutzungs- und Bebauungsplaumlne sind auf die topographischen Gegebenheiten und auf die Abflusseigenschaften des Gebietes bei Starkregen abzustimmen
Starkregen Hinweis- oder Starkregen Gefahrenkarten koumlnnen als Ergaumlnzung zu den mittlerweile bundesweit eingefuumlhrten Hochwassergefahrenkarten diese Informationen bereitstellen
Die im Folgenden verwendeten Begriffe
Starkregen-Hinweiskarte
Starkregen-Gefahrenkarten oder Flieszligpfadkarten
sind vorlaumlufige Benennungen Wie auch bei den Hochwassergefahrenkarten muss die LAWA fuumlr eine bundesweit einheitliche Benennung Sorge tragen
Aus der Sicht der Verfasser wird ein zweistufiges Vorgehen empfohlen
1 Identifikation der potentiell gefaumlhrdeten Hangflaumlchen und die Erstellung von Starkregen Hinweiskarten
2 Simulation des Oberflaumlchenabflusses der potentiell gefaumlhrdeten Flaumlchen und Erstellung von Starkregen Gefahrenkarten oder Flieszligpfadkarten
Eine flaumlchendeckende Simulation des Oberflaumlchenabflusses im betrachteten Projektraum sollte aufgrund der dabei entstehenden Projekt- bzw Ingenieurkosten uumlberdacht werden
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(Stufe 1) Identifikation der potentiell gefaumlhrdeten Hangflaumlchen und die Erstellung von Starkregen Hinweiskarten
Es wird vorgeschlagen in einem ersten Schritt den betrachteten Projektraum flaumlchendeckend auf potentiell gefaumlhrdete Hangflaumlchen zu untersuchen
Dazu sollen die Gelaumlndeneigung die Bodennutzung sowie die Lage der steilen Hangflaumlchen zu den schadensempfindlichen Flaumlchen (zB Siedlungsgebiete) fachlich miteinander verknuumlpft werden
Beispielsweise lassen sich auf Grundlage der folgenden fachlich begruumlndeten Matrix mit Hilfe der GIS Werkzeuge die potentiell gefaumlhrdeten Hangflaumlchen leicht identifizieren
Gruumlnland Ackerland
Gelaumlndenutzung Gelaumlndeneigung
Be
arb
eitu
ng
que
r zur
Fallr
ich
tun
g
Be
arb
eitu
ng
in
Fallr
ich
tun
g
kleiner 5 nicht
gefaumlhrdet wenig
gefaumlhrdet
5 bis 10 maumlszligig
gefaumlhrdet
10 bis 20 maumlszligig
gefaumlhrdet
groszliger 20 stark
gefaumlhrdet sehr stark gefaumlhrdet
sehr stark gefaumlhrdet
Liegen unterhalb stark oder maumlszligig gefaumlhrdeter Flaumlchen Siedlungsgebiete oder sind in den gefaumlhrdeten Flaumlchen Siedlungsentwicklungen geplant ist eine detaillierte Untersuchung des Oberflaumlchenabflusses erforderlich (Stufe 2)
Die bislang verwendeten Kriterien zur Einschaumltzung den potentiell betroffenen Flaumlchen sollten uumlberpruumlft und weiterentwickelt werden
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Beispiel fuumlr eine Starkregen-Hinweiskarte Stadt Nidderau
(Stufe 2) Simulation des Oberflaumlchenabflusses der potentiell gefaumlhrdeten Flaumlchen und Erstellung von Starkregen Gefahrenkarten oder Flieszligpfadkarten
Fuumlr die in Stufe 1 identifizierten gefaumlhrdeten Flaumlchen ist in der zweiten Stufe der Oberflaumlchenabfluss zu simulieren Je nach Groumlszlige des zu betrachtenden Niederschlagseinzugsgebietes oberhalb der gefaumlhrdeten Siedlungsflaumlchen und Infrastrukturen muumlssen aus der Regensammlung (vgl Abschnitt 22) konvektive Ereignisse geeigneter Dauer ausgewaumlhlt werden
Aus der instationaumlren 2D-Simulation erhaumllt man fuumlr definierte Zeitpunkte nach dem Beginn des Niederschlages folgende fuumlr das gewaumlhlte Berechnungsraster raumlumlich aufgeloumlste hydraulisch relevante Grundinformationen
Ist die Flaumlche benetzt (janein)
Wasserstand (bdquoUumlberflutungshoumlheldquo) auf der Flaumlche
Flieszligrichtung und Flieszliggeschwindigkeit auf der Flaumlche
Diese hydraulischen Grundinformationen muumlssen aufbereitet fachlich interpretiert und auf geeignete Weise dargestellt werden
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Letztlich geht es darum die Frage zu klaumlren welche Fachinformationen eine Starkregen-Gefahrenkarte beinhalten sollte
Aus der Sicht der Verfasser sollten in den Gefahrenkarten folgende hydraulische Informationen enthalten sein
Abflussrinnen und Flieszligpfade auf den Hangflaumlchen (Vervollstaumlndigung des Gewaumlssernetzes gegen Flieszligrichtung vgl auch Bild Abschnitt 4 Seite 21)
Starkregen-Gefahrenkarte mit Flieszligpfaden und Flieszligrichtung aus BWK [1]
Wassertiefenentwicklung entlang der Flieszligpfade
Flieszliggeschwindigkeiten entlang der Flieszligpfade
Diese Fachinformationen sollten zusammen mit einem fuumlr den Nutzer geeigneten Kartenhintergrund (Luftbildaufnahmen ALK topographische Karte etc) visualisiert werden
Im Rahmen der Bearbeitung der vorgeschlagenen Pilot-Einzugsgebiete (siehe Abschnitt 7) sind geeignete Inhalte und Darstellungsmoumlglichkeiten fuumlr Starkregen-Gefahrenkarten zu entwickeln
Wie auch bei den Hochwassergefahrenkarten sollte die LAWA fuumlr bundesweit einheitliche Standards der Starkregen-Gefahrenkarten Sorge tragen
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7 Arbeitspaket 6 Modell- Pilotprojekt bdquoUmgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessenldquo
In einem letzten Arbeitsabschnitt sollen anhand ausgesuchter Einzugsgebiete mit Hilfe des in Abschnitt 6 vorgeschlagenen Vorgehens Starkregen-Hinweiskarten und Starkregen-Gefahrenkarten erstellt werden
Die Verwendung von Niederschlagsdaten aus Radarbeobachtungen (vgl Abschnitt 1) und der Einsatz des verbesserten Simulationsmodells (vgl Abschnitte 3 und 4) werden gegenuumlber der heutigen Praxis bessere fachliche Informationen zur Bewaumlltigung von Starkregen-Gefahrenlagen bereitstellen koumlnnen
Folgende Pilot-Einzugsgebiete in hessischen Rheingau werden zur Auswahl gestellt
Walluf (AE=281 kmsup2) Die Walluf besitzt einen Pegel (Martinsthal AE=245 kmsup2 36 km oberhalb der Muumlndung) im Einzugsgebiet An der Hochschule RheinMain steht ein Niederschlags-Abfluss Modell der Walluf zur Verfuumlgung
Erbbach Kisselbach (AE= 106 kmsup2)
Pfingstbach (AE= 84 kmsup2)
Stegbach Blaubach (AE= 127 kmsup2)
Der Hochwasserrisikomanagementplan Rheingau steht zurzeit in der oumlffentlichen Abstimmung und wird im Laufe 2015 fertig gestellt werden Nach Aussage von Frau Tremper des Regierungspraumlsidiums Darmstadt Abteilung IVWi 412 waumlre eine Ergaumlnzung des HWRM-PL Rheingau durch Starkregen-Hinweis- und -Gefahrenkarten der Rheingaubaumlche hilfreich Diese wuumlrden die im HWRM-PL Rheingau betrachteten Rhein-Hochwasserszenarien ergaumlnzen
Arbeitsziel unterstuumltzt durch Studienarbeiten Erstellung von Niederschlags- Abfluss Modellen fuumlr die Rheingaubaumlche Erbach Kisselbach Pfingstbach Stegbach Blaubach
Bei der Erstellung der Starkregen-Hinweiskarten und Starkregen-Gefahrenkarten fuumlr die Pilot-Einzugsgebiete sollen die in Abschnitt 6 weiterentwickelten Ansaumltze erprobt und die Karteninhalte mit den spaumlteren Nutzern diskutiert werden Dabei sollen insbesondere die Kartendarstellung und deren Inhalte den jeweiligen fachlichen Beduumlrfnissen entsprechen
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9 Allgemeine Informationen Zeitplan und Ressourcen
91 Allgemeine Informationen
Antragsteller Prof Dr-Ing Ernesto Ruiz Rodriguez Wasserbaulaboratorium am Fachbereich Architektur und Bauingenieurwesen Hochschule RheinMain Kurt-Schumacher-Ring 18 65197 Wiesbaden
Projektbearbeiter Arbeitsgruppe bdquoStarkregen und Sturzflutenldquo am Wasserbaulaboratorium Prof Dr-Ing Ernesto Ruiz Rodriguez (Projektleitung) BEng Lisa Trost (Projektbearbeitung) Frank Salffner (Vermessungstechniker Laborant am Wasserbaulaboratorium und in der EDV- Arbeitsgruppe des Fachbereichs) Die Arbeitsziele werden durch Studienarbeiten des Master- Studienganges bdquoUmweltmanagement und Stadtplanung in Ballungsraumlumenldquo (UMSB) unterstuumltzt
Partnerschaften Kooperationspartner Prof Dr Ralf Doumlrner Hochschule RheinMain
FG Graphische Datenverarbeitung und Virtuelle Realitaumlt Prof Dr Robert Seuszlig Fachhochschule Frankfurt FG Geoinformation und Kommunaltechnik Berufsfeuerwehr Wiesbaden Dr Andreacute Assmann Fa Geomer Heidelberg
gewuumlnschte Zusammenarbeit Deutscher Wetterdienst Abt Hydrometeorologie Projektdauer 4 Jahre (vgl 92 Zeitplan) Eigenmittel Projektleitung durch Prof Dr E Ruiz Rodriguez
Nutzung der Einrichtungen des Wasserbaulaboratoriums der Hochschule RheinMain Unterstuumltzung bei Laborarbeiten und EDV Infrastruktur durch Frank Salffner
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Projektskizze Umgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessen (Arbeitstitel) Januar 2015 Seite 37
92 Zeitplan
1
Jah
r
2
Jah
r
3
Jah
r
4
Jah
r Bemerkung
Arbeitspaket 1 Verwendung von Radardaten zur Simulation von Starkregen Sturzfluten fuumlr kleine Einzugsgebiete
Beginn der Arbeiten
Klaumlrung der Verfuumlgbarkeit von Radarniederschlagsdaten (fuumlr Modellierer Ingenieurbuumlros)
Aufwand zur Nutzung und Aufbereitung von Radarniederschlagsdaten fuumlr Modellierer Ingenieurbuumlros Erstellung eines Werkzeugs zur Visualisierung der archivierten und aktuellen Radarniederschlagsdaten Erstellung eines Werkzeugs zur Transformation und Projektion der DWD-RADOLAN-RW und RY-Komposit-Radarniederschlagsdaten in Gauszlig-Kruumlger undoder UTM-Projektion Erstellung eines GIS Werkzeugs zur Aufbereitung der DWD-RADOLAN-Komposit-Raster zur Simulation von Starkregen in kleinen Einzugsgebieten
1 Berichterstattung Arbeitspaket 1 (Teil 1)
Auswertung der RADOLAN Radarniederschlagsdaten des DWD
Praxisseminar Kolloquium bdquoVerwendung von Radardaten zur Simulation von Starkregen Sturzfluten in Hessenldquo
Arbeitspaket 2 Uumlberpruumlfung und Anpassung von Modellansaumltze zur Ermittlung des abflusswirksamen Niederschlages bei Starkregen
Uumlberpruumlfung und Anpassung der Modellansaumltze zur Ermittlung des abflusswirksamen Niederschlages bei Starkniederschlaumlgen unter besonderer Beruumlcksichtigung von Bodenfeuchte und Bodenluftkompressionseffekten
Arbeitspaket 3 Uumlberpruumlfung und Anpassung der hydraulischen Ansaumltze zur Berechnung des Oberflaumlchenabflusses bei Starkregen Sturzfluten an steilen Haumlngen
Bau der Versuchsrinne am Wasserbaulaboratorium Durchfuumlhrung und Auswertung der Versuche Uumlberpruumlfung und Anpassung der hydraulischen Ansaumltze zur Berechnung des Oberflaumlchenabflusses
2 Berichterstattung Arbeitspaket 2 und Arbeitspaket 3 (Teil1)
Arbeitspaket 4 Instationaumlre 2ndashdimensionale Modellierung des Oberflaumlchenabflusses bei Starkniederschlaumlgen
Anpassen des 2-dimensionallen Modelles auf instationaumlre Niederschlagsfronten Schnittstelle zu DWD RADOLAN Komposite Einarbeiten der verbesserten Ansaumltze zu Berechnung des abflusswirksamen Niederschlages bei Starkniederschlaumlgen Einarbeiten der verbesserten hydraulischen Ansaumltze
wird fortgesetzt
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1
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2
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r
3
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r
4
Jah
r Bemerkung
Arbeitspaket 5 Erarbeitung von Starkregen Gefahrenkarten fuumlr das Land Hessen
Uumlberpruumlfen und Anpassung von fachlichen Kriterien fuumlr die Erstellung von Starkregen-Karten Definition der Inhalte von Starkregen-Hinweiskarten Definition der Inhalte von Starkregen- Gefahrenkarten
3 Berichterstattung Arbeitspaket 3 (Teil 2) Arbeitspaket 4 und Arbeitspaket 5 (Teil1)
Arbeitspaket 6 Modell- Pilotprojekt bdquoUmgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessenldquo
Erarbeitung von Starkregen-Hinweiskarten fuumlr die ausgewaumlhlten Pilot-Einzugsgebiete Erarbeitung von Starkregen-Gefahrenkarten fuumlr die ausgewaumlhlten Pilot-Einzugsgebiete Uumlberpruumlfen der fachlichen Kriterien und Ansaumltze (Arbeitspaket 5) fuumlr die Erstellung von Starkregen-Karten Diskussion uumlber die Starkregen-Karteninhalte und Starkregen-Kartendarstellung mit den Nutzern
4 Berichterstattung Arbeitspaket 5 (Teil 2) und Arbeitspaket 6 (Abschlussbericht)
93 Beantragte Mittel
Zur Durchfuumlhrung und Erreichung der im Antrag beschriebenen Arbeitsziele werden fuumlr das
1 Projektjahr 35000 Euro
2 Projektjahr 35000 Euro
3 Projektjahr 35000 Euro
4 Projektjahr 35000 Euro
beantragt
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Projektskizze Umgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessen (Arbeitstitel) Januar 2015 Anlage 1
1160 cm
280 cm
260 cm
1000 cm
1080 cm
6300 cm280 cm
3000 cm3000 cm
3000 cm 3000 cm
1000 cm624 cm
1500deg
Kipprinne zur Simulation des Oberflaumlchenabflusses an steilen HaumlngenLaumlnge= 630 mBreite= 10 mHoumlhe= 026 mmax Neigungswinkel 45deg
variableBeregnungslaumlnge
Maszligstab 120
1000 cm
260 cm
Sohlsubstrat zur Aufnahmevon kuumlnstlichen Bewuchsstrukturen
Beregnungsanlage mit schwenkbaren Duumlsen zurvertikalen Regensimulation
Wasserkoumlrper desOberflaumlchenabflusses
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Projektskizze Umgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessen (Arbeitstitel) Januar 2015 Anlage 1
1830 cm
2625 cm
Drehpunkt
1330 cm
6300 cm
280 cm
1500deg
Maszligstab 120
Kipprinne zur Simulation des Oberflaumlchenabflusses an steilen HaumlngenLaumlnge= 630 mBreite= 10 mHoumlhe= 026 mmax Neigungswinkel 45deg
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2 Arbeitspaket 1 Verwendung von Radardaten zur Simulation von Starkregen Sturzfluten fuumlr kleine Einzugsgebiete
In Anlehnung an das uumlbliche Vorgehen bei der Erstellung von Niederschlags-Abfluss Modellen werden bei allen aktuellen Simulationen von Starkregen stationaumlre statische Regen (gleichmaumlszligige Gebietsuumlberregnung) als Belastung auf das betrachtete Einzugsgebiet verwendet Sofern die Daten einer nahegelegen Niederschlagsstation zur Verfuumlgung stehen kann der Intensitaumltsverlauf waumlhrend des Niederschlagsereignisses beruumlcksichtigt werden Die Einordnung der Auftretenswahrscheinlichkeit des Ereignisses unter Beruumlcksichtigung der Niederschlagsdauer erfolgt meist mit Hilfe der KOSTRA DWD 2000 Auswertung
Befinden sich keine Niederschlagsstationen in der Naumlhe des Einzugsgebietes Ae wird ein Blockregen aus KOSTRA DWD 2000 mit der jeweiligen Regendauer T=(te-ta) und dem entsprechenden Wiederkehrintervall verwendet
Ae
iw T= (te - ta)
stationaumlrer statischer Blockregen iw uumlber dem Einzugsgebiet Ae
Der Intensitaumltsverlauf des Regens die Intensitaumltsverteilung uumlber dem Einzugsgebiet die Zugrichtung und -geschwindigkeit der Regenfront werden allerdings nicht beruumlcksichtigt Lokale Belastungsspitzen die sich aus der Intensitaumltsverteilung in Verbindung mit der Zugrichtung und der Zuggeschwindigkeit ergeben koumlnnen so nicht erfasst werden
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Als Beispiel hierfuumlr wird das Niederschlagsereignis von Freitag dem 11072014 im Teileinzugsgebiet (Rambach) des Salzbaches in der Landeshauptstadt Wiesbaden betrachtet
Die Niederschlagsmenge von 47 mm in einer Stunde (fuumlr das Teileinzugsgebiet des Rambachs mit Ae=21 kmsup2) kann nach KOSTRA DWD (Rasterfeld Wiesbaden) und einer angenommenen Konzentrationszeit von 1 h (Flieszligzeit der Welle in Teileinzugsgebiet) als ein Ereignis mit einem Wiederkehrintervall (WKI) von 100 Jahren einordnen werden
Die Gewitterfront vom 11072014 zog vom Nordosten Richtung Suumldwesten und somit genau in Flieszligrichtung des Rambachs Da die Frontrichtung und wahrscheinlich auch die Frontgeschwindigkeit mit dem Wellenablauf im Rambach
0107
76
124 122114
1 0902 01 01 01 0
0
2
4
6
8
10
12
14
1520 1525 1530 1535 1540 1545 1550 1555 1600 1605 1610 1615 1620
mm
in 5
min
11072014 1520 bis 1620 Uhr
Niederschlag WI AuringenN-Summe 468 mm in 1 h
1284
912
1488 14641368
12 10824 12 12 12
0
20
40
60
80
100
120
140
160
1520 1525 1530 1535 1540 1545 1550 1555 1600 1605 1610 1615 1620
Inte
nsi
taumlt
i [m
mh
]
11072014 1520 bis 1620 Uhr
Niederschlag WI AuringenN-Summe 468 mm in 1 h
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korrespondierten wurden das Wellenvolumen und auch der Wellenscheitel entscheidend vergroumlszligert
Gewaumlssernetz des Teileinzugsgebiets Rambach in der Landeshauptstadt Wiesbaden Zugrichtung der Gewitterfront am 11072014
Dieser fehlende Aspekt in der N-A-Modellierung ist bekannt wird aber aufgrund mangelnder Datengrundlagen oder notwendiger Finanzmittel bei der Simulation selten beruumlcksichtigt Ein Ansatz diese Luumlcke zu fuumlllen ist die Verwendung von Radarniederschlagsdaten
Nachfolgend werden Arbeitsschritte vorgeschlagen die dabei helfen sollen unter der Verwendung von Niederschlagsdaten aus Radaraufzeichnungen die Datengrundlagen fuumlr eine bessere Simulation von Starkregen und Sturzfluten zu verbessern
Im Rahmen der RADOLAN (Routineverfahren zur Online-
Aneichung der Radarniederschlagsdaten mit Hilfe von automatischen
Bodenniederschlagsstationen (Ombrometer)) und RADVOR-OP (Radargestuumltzte zeitnahe Niederschlagsvorhersage fuumlr den
operationellen Einsatz) Projekte des DWD sind Radarprodukte entstanden die geeignet waumlren die Simulation von Starkregen
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Sturzfluten besonders in kleinen Einzugsgebieten entscheidend zu verbessern
Voraussetzung hierfuumlr waumlre aber dass die Radarniederschlagsdaten in einer ausreichenden zeitlichen und raumlumlichen Aufloumlsung und in handhabbarer Form fuumlr die Anwender (Modellierer Ingenieurbuumlros) vorliegen (vgl auch Abschnitt 1)
21 Klaumlrung der Verfuumlgbarkeit von Radarniederschlagsdaten (fuumlr Modellierer Ingenieurbuumlros)
Vorab ist anzumerken dass im Rahmen dieser Projektskizze die Qualitaumlt der vorhandenen Radarniederschlagsdaten die Weiterentwicklung Korrektur (zB Abschattungskorrektur Verfeinerte Z-R-Beziehung etc) und die Verbesserung der Aneichung der Radarbilder nicht diskutiert werden soll
Es wird davon ausgegangen dass die raumlumlichen und zeitlichen Aufloumlsung der Radarniederschlagsdaten bei jetziger bdquoQualitaumltldquo eine deutlich bessere Datengrundlage zur Modellierung darstellen als die bisher verwendeten stationaumlren statischen Niederschlaumlge aus den Niederschlagsstationen oder aus dem KOSTRA DWD-Raster (845 km x 845 km)
Der Deutsche Wetterdienst (DWD) speichert im Rahmen des RADOLAN Projektes seit Juni-2005 bis heute Radaraufzeichnungen und stellt diese in verschiedenen Formaten und zu verschiedenen Konditionen zur Verfuumlgung
Fuumlr die 16 Radarstandorte des DWD stehen jeweils Radarbilder mit einer 5-minuumltigen Aufloumlsung zur Verfuumlgung
Am bekanntesten ist das sog RADOLAN-RW-Kompositprodukt fuumlr die Flaumlche der Bundesrepublik Deutschland (900 km x 900 km)
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RADOLAN RW Kompositprodukt fuumlr die Flaumlchen der Bundesrepublik Deutschlandkomposit (900 km x 900 km) aus [5] 2011
Hierbei handelt es sich um die mit Hilfe der Bodenniederschlagsstationen angeeichten und uumlberlagerten Radarbilder der 16 Radarstationen Dieses Produkt gibt den Niederschlag pro Stunde fuumlr ein Rasterfeld von 1km x 1km an und steht in einer zeitlichen Aufloumlsung von einer Stunde zur Verfuumlgung Die Daten sind frei verfuumlgbar und stehen auf dem FTP-Server des DWD (ftpftp-cdcdwddepubCDC) zur freien Download zur Verfuumlgung Sie liegen im RADOLAN Kompositformat Version 222 vor Dies ist ein Binaumlrformat mit ASCII Header und kann zB mit der Python Skript-Bibliothek bdquowradlibldquo gelesen werden
Auszug aus dem RADOLAN-Kurzbeschreibung (Stand April 2012)
bdquoDas derzeit bestmoumlgliche am schnellsten verfuumlgbare RADOLAN-Ergebnis (RW-Produkt) ist ein angeeichtes RadarndashDeutschlandkomposit mit stuumlndlichen Niederschlagshoumlhen in einer Intensitaumltsaufloumlsung von 01 mm und in einer raumlumlichen Aufloumlsung von einem Quadratkilometer welches zeitnah (innerhalb von 30 Minuten) zur Verfuumlgung stehtldquo
Die RADOLAN-Komposite liegen in polarstereografischer Projektion vor und haben in der Projektion eine aumlquidistante Rasterung von 10 km Das kartesische Koordinatensystem besitzt eine Groumlszlige von 900 km x 900 km (siehe auch [4] [5])
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Eine deutlich bessere zeitliche Aufloumlsung liefert das RADOLAN RY-Komposit Bei gleicher raumlumlicher Aufloumlsung wie das oben beschriebene RW-Komposit besitzt das RY-Komposit in einer zeitlichen Aufloumlsung von 5 Minuten Die Niederschlagshoumlhen werden in 001 mm bereitgestellt
Beide Radar-Komposit-Produkte (RW und RY) sind fuumlr behoumlrdliche Aufgaben im Rahmen des vorbeugenden Hochwasserschutzes der BRD entwickelt und optimiert worden Fuumlr mittlere und groszlige Einzugsgebiete ist die bereit gestellte raumlumliche und zeitliche Aufloumlsung beider Produkte voumlllig ausreichend
Fuumlr kleine Einzugsgebiete (lt 50 kmsup2) stellt die raumlumliche Aufloumlsung von 1km x 1km die bei beiden Komposit-Produkte moumlglich ist eine deutliche Verbesserung gegenuumlber der Dichte der Niederschlagsstationen und der DWD KOSTRA Rasterweite dar
Am Beispiel des Teileinzugsgebietes des Rambach Ae=21 kmsup2 in Wiesbaden erhaumllt man uumlber das Radar-Komposit-Produkt eine deutlich bessere raumlumliche Aufloumlsung der Niederschlagsverteilung als uumlber die einzelnen Niederschlagsstation in WI-Auringen oder WI-Biebrich
Die zeitliche Aufloumlsung von 5 Minuten bietet die Moumlglichkeit die zeitliche Entwicklung und die raumlumlich Verteilung der Niederschlagsintensitaumlt auch fuumlr kleine Einzugsgebieten in ausreichender Qualitaumlt abzubilden
Die Klaumlrung der Anfrage beim DWD (Ansprechpartner Elmar Weigl) ob auch ein bdquoHessen Kompositldquo mit houmlherer raumlumlicher Aufloumlsung denkbar und erhaumlltlich ist steht noch aus
Insgesamt sind die angebotenen Radarniederschlagsdaten Radarprodukte auf die Beduumlrfnisse der aktuellen Nutzer zugeschnitten Die Zugaumlnglichkeit fuumlr Lehre und Forschung ist ausreichend gegeben
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22 Aufwand zur Nutzung und Aufbereitung von Radarniederschlagsdaten fuumlr Modellierer Ingenieurbuumlros
Wie in Abschnitt 1 einfuumlhrend erlaumlutert sind neben einer ausreichenden raumlumlichen und zeitlichen Aufloumlsung
die Kosten fuumlr die Beschaffung der Radarniederschlagsdaten und
der Aufbereitungsaufwand fuumlr die Simulation
fuumlr Modellierer Ingenieurbuumlros entscheidend
Ingenieurbuumlros bearbeiten Projekte aufgrund der Ausschreibungsbedingungen und der starken Konkurrenzsituation in einem sehr engen Finanzrahmen
Die aktuell angebotenen Radarniederschlagsdaten Radarprodukte benoumltigen einen zu groszligen Aufbereitungsaufwand um diese fuumlr die Simulation von Starkregen und Sturzfluten in kleinen Einzugsgebieten zu nutzen
Vor einer Simulation muumlssen die folgenden zwei Schritte abgearbeitet werden
1) Auswahl geeigneter konvektiver Ereignisse fuumlr das Untersuchungsgebiet (Regensammlung)
2) Aufbereitung der 5-minuumltigen Radarniederschlagsdaten fuumlr die gewaumlhlten konvektiven Ereignisse
Auswahl geeigneter konvektiver Ereignisse fuumlr das Untersuchungsgebiet (Regensammlung)
Zur Erinnerung Aktuelle werden die Radarniederschlagsdaten noch nicht genutzt sondern der statischen Regen aus einer benachbarten Niederschlagsstation oder statischen Blockregen aus DWD KOSTRA 2000 entnommen Die Dauer der Modellregen orientiert sich dabei an der Konzentrationszeit Flieszligzeit im Niederschlagsgebiet Um den Aufwand zur Beschaffung Auswahl und Aufbereitung der Niederschlagsdaten von konvektiven Ereignissen einzelner Niederschlagsstationen zu umgehen werden stattdessen die DWD KOSTRA 2000 Blockregen verwendet
Um bei der Auswahl von konvektiven Ereignissen aus Radarniederschlagsdaten den Kostenrahmen fuumlr die Datenbeschaffung gering zu halten erscheint es sinnvoll auf die RADOLAN-RW-Komposit Radarniederschlagsdaten mit einer zeitliche Aufloumlsung von 1 h die auf dem FTP-Server des
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DWD (ftpftp-cdcdwddepubCDC) zum freien kostenlosen Download zur Verfuumlgung stehen zuruumlck zu greifen
Mit folgenden Systemen lassen sich zurzeit die Niederschlagsdaten des RADOLAN RW-Komposits visualisieren
KONRAD webKONRAD - Zugang uumlber das Feuerwehrinformationssystem (FEWIS)
IDLRaBiD 50 - Darstellungsprogramm fuumlr Radarbilder des Deutschen Wetterdienstes
WaWIS (Registrierung uumlber DWD notwendig)
NinJo Lizenz erhaumlltlich uumlber Ernst Basler + Partner GmbH
Python Skript Bibliothek bdquowradlibldquo (Darstellen der einzelnen RW Komposite)
KONRAD bzw webKONRAD ist nur uumlber den Zugang des Feuerwehrinformationssystems (FEWIS) zu erreichen und steht Ingenieurbuumlros nicht zur Verfuumlgung
IDLRaBiD 50 ist eine interne Software des DWD und steht Ingenieurbuumlros nicht zur Verfuumlgung
WaWIS steht nur Behoumlrden zur Verfuumlgung die im Rahmen des Katastrophenschutzes taumltig sind
NinJo 17 kann als Lizenzprodukt erworben werden Auf das Ingenieurbuumlro kaumlmen Lizenz- und Installationskosten welche sich im 5 stelligen Bereich bewegen zu Fuumlr Forschungsinstitutionen fallen die Lizenzkosten weg es verbleiben jedoch Installationskosten von ca 5000 Euro Eine Betrachtung von konvektiven Fronten uumlber mehrere Tage hinweg ist fuumlr ausgesuchte Zeitabschnitte moumlglich
Eine weitere Alternative ist die Nutzung der umfangreichen Phyton-Skript Bibliothek bdquowradlibldquo Hier muss jedes einzelne RW-Komposit eingelesen und visualisiert werden Natuumlrlich wird dies durch geeignete wradlib utility functions (Batch Routinen zur Verarbeitung vieler RW-Komposite) erleichtert Der Gesamtaufwand zur Visualisierung ist dennoch erheblich
Der Einsatz der letzten zwei Alternativen setzt jedoch voraus dass man bestimmte konvektive Ereignisse bereits identifiziert hat Dh die entsprechenden historischen Ereignisse sind bekannt oder es wurden aus den Aufzeichnungen der Bodenniederschlagsstationen bereits Ereignisse ausgewaumlhlt
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Zurzeit gibt es noch kein System welches frei zugaumlnglich ist und die historischen RW RADOLAN-Daten (Juni-2005 bis heute) visualisieren kann
Optimal waumlre es wenn die RW-RADOLAN-1h-Komposite jahresweise in einem Video mit Datum Kartenhintergrund und N-Intensitaumltsskala vor- und ruumlckspulbar betrachtet werden koumlnnten Auf diese Weise waumlre es moumlglich maszliggebende konvektive Ereignisse Szenarien (Regensammlung mit verschiedenen Niederschlagsdauern und verschiedenen Niederschlagsmengen) zur Simulation leichter zu identifizieren (vgl auch Abschnitt 7)
Arbeitsziel unterstuumltzt durch Studienarbeit Entwurf und Umsetzung eines Werkzeugs zur Visualisierung der archivierten und aktuellen Radarniederschlagsdaten (DWD-RADOLAN-RW-Komposit)
Aufbereitung der 5 minuumltigen Radarniederschlagsdaten fuumlr die gewaumlhlten konvektiven Ereignisse
Sind die konvektiven Ereignisse Szenarien zur Simulation identifiziert muumlssen deren Radarniederschlagsdaten je nach Anforderung des verwendeten Simulationsmodells aufbereitet werden
Alle Simulationsmodelle nutzen fuumlr die Eingabeaufbereitung und Ergebnispraumlsentation GIS-Oberflaumlchen So lassen sich Simulationsergebnisse mit anderen Datengrundlagen (Amtliches Liegenschaftskatasterinformationssystem ALKIS Bodeninformationen Luftbilder Nutzung etc) verschneiden und fachlich interpretieren (zB Erstellung von Starregen Gefahrenkarten) Oftmals werden die Simulationsmodelle als aufgesetzte bdquoFachschaltenldquo zu GIS-Systemen realisiert
Diese Tatsache macht es unumgaumlnglich die Komposit-Radarniederschlagsdaten auf ein GIS-System kompatibles Format mit geeigneter Projektion (zB Gauszlig-Kruumlger- oder UTM-Projektion) zu uumlberfuumlhren
Die fuumlr die DWD ndashRADOLAN-RW-Komposit-Radarniederschlagsdaten verwendete polarstereographische Projektion (siehe [5]) ist fuumlr die derzeitigen Anwendungen geeignet Man betrachtet und beurteilt groszligraumlumige Wetterlagen uumlber Staats- Bundeslandgrenzen hinweg
Fuumlr eine Simulation von kleinraumlumigen Starkregenereignissen und eine fachliche Verschneidung der Simulationsergebnisse mit weiteren Daten eignet sich die polarstereographische Projektion jedoch nicht
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In [33 Kapitel 5] werden die Probleme beim Georeferenzieren der DWD-RADOLAN-Komposite ausfuumlhrlich erlaumlutert
Arbeitsziel unterstuumltzt durch Studienarbeiten Entwurf und Umsetzung eines Werkzeugs zur Transformation und Projektion der DWD-RADOLAN-RW und RY-Komposit-Radarniederschlagsdaten in Gauszlig-Kruumlger undoder UTM-Projektion
Innerhalb des HLUG sollte eine Diskussion zur Festlegung einheitlicher Projektionen fuumlr kuumlnftige wasserwirtschaftliche Projekte im Land Hessen stattfinden
Waumlhrend die in Gauszlig-Kruumlger- oder UTM transformierten Radarniederschlagsdaten in einem Raster von ca 1km x 1km vorliegen koumlnnen die Simulationsmodelle (vgl Abschnitt 0) je nach gewaumlhlten Randbedingungen deutlich kleinere Rasterweiten (zB 5m x 5 m bis 100 m x 100m) verwenden
Fuumlr eine Simulation muss ein gemeinsames Rasters definiert und alle Datengrundlagen in dieses Raster uumlberfuumlhrt werden
Uumlberlagerung eines Transformierten RADOLAN Raster mit Gauszlig-Kruumlger oder UTM Raster
Gauszlig-Kruumlger oder UTM transformiertes RADOLAN Raster (schiefes Veireck 950x950 m)
zur Simulation verwendetes Raster
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Arbeitsziel unterstuumltzt durch Studienarbeit Entwurf und Umsetzung eines GIS Werkzeugs zur Aufbereitung der DWD-RADOLAN-Komposit-Raster zur Simulation von Starkregen in kleinen Einzugsgebieten
23 Auswertung der RADOLAN Radarniederschlagsdaten des DWD
Wie in Abschnitt 2 erlaumlutert koumlnnen die Zugrichtung und die Zuggeschwindigkeit einer konvektiven Starkregenfront Starkregenzelle die Einwirkungsintensitaumlt in einem Niederschlagseinzugsgebiet entscheidend beeinflussen Die Abmessungen der Starkregenfront Starkregenzelle in Verbindung mit der Zuggeschwindigkeit sowie die Regendauer koumlnnen im unguumlnstigen Fall mit der Konzentrationszeit im Niederschlagseinzugsgebiet zusammenfallen und zu einer entscheidenden Verschaumlrfung des Wellenscheitels fuumlhren
Unter der Voraussetzung dass die in Abschnitt 22 beschriebenen Werkzeuge erstellt worden sind sollen nun mit deren Hilfe die historischen RADOLAN Radarniederschlagsdaten ausgewertet werden
Identifizieren von Starkregenfronten Starkregenzellen Hierfuumlr sind Identifikationskriterien zu erarbeiten
Einordnung des Wiederkehrintervalls der Starkregenfront Starkregenzelle (Dauer und Niederschlagsmenge) mit Hilfe der DWD KOSTRA2000-Auswertung
Identifikation und Digitalisierung des Intensitaumltsschwerpunktes der jeweiligen Starkregenfront
Zeitliche Entwicklung der Intensitaumltsverteilung innerhalb der Starkregenfront
Fuumlr jede identifizierte Starkregenfront Starkregenzelle sollen in Abhaumlngigkeit der JahreszeitWetterlage folgende Parameter ermittelt und statistisch ausgewertet werden
Digitalisierung der Abmessungen (Laumlngenausdehnung Breitenausdehnung) und der Form (Laumlngen-Breitenverhaumlltnis oder Flaumlche-Umfangverhaumlltnis)
Digitalisierung der Zugrichtung (Zugbahn Zugtrajektorie) und Zuggeschwindigkeit (im Schwerpunkt der Intensitaumlt)
Darstellung der Abmessungen der Zugrichtungen und Zugbahnen in Karten und Uumlberlagerung mit dem digitalen Gelaumlndemodell
Auf diese Weise koumlnnen eventuell Starkregenschwerpunkte (-regionen) in Hessen identifiziert und in Karten dargestellt werden
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Arbeitsziel unterstuumltzt durch Studienarbeit(en) Auswertung historischer RADOLAN Radarniederschlagsdaten des DWD
24 Praxisseminar Kolloquium bdquoVerwendung von Radardaten zur Simulation von Starkregen Sturzfluten in Hessenldquo
In Zusammenarbeit mit dem Wissenschaftsforum Umwelt und der Weiterbildungsplattform NATURUMWELTTECHNIK (NUT) der Hochschule RheinMain sollen in einem 1-taumlgigen Praxisseminar die Moumlglichkeiten zur Nutzung von Radarniederschlagsdaten zur Simulation von Starkregen Sturzfluten vorgestellt werden
Zielgruppe Ingenieurhydrologen Hydrologen Ingenieurbuumlros (Modellierer) und andere am Thema Interessierten
Die Organisation uumlbernimmt die Weiterbildungsplattform NUT der Hochschule RheinMain Die fachliche Koordination ist durch Prof Dr Ernesto Ruiz Rodriguez und Frau BEng Lisa Trost gesichert Eine partnerschaftliche Koordination durch das HLUG und den DWD ist moumlglich und wird ausdruumlcklich erwuumlnscht
3 Arbeitspaket 2 Uumlberpruumlfung und Anpassung von Modellansaumltze zur Ermittlung des abflusswirksamen Niederschlages bei Starkregen
Unter dem abflusswirksamen (effektiven) Niederschlag versteht man den Anteil des Niederschlages der in einem Einzugsgebiet unmittelbar nach dem Niederschlagsereignis als Direktabfluss wirksam wird
Zu Beginn des Niederschlagsereignisses sind die Verluste idR besonders groszlig (Benetzung der der Vegetationsdecke und Muldenverluste) Bei Starkregen werden diese Speicherraumlume jedoch schnell gefuumlllt und die hohen Niederschlagsintensitaumlten uumlbersteigen oft die Infiltrationsfaumlhigkeit des Bodens und es kommt zum Oberflaumlchenabfluss (vgl auch Abschnitt 4)
Insofern spielt besonders bei Starkregen der Anteil an abflusswirksamen Oberflaumlchenabfluss eine entscheidende Rolle Dieser bildet gemeinsam mit dem oberflaumlchennahen Interflow in der belebten Bodenzone den Hauptanteil am sog abflusswirksamen Niederschlag
Der in der Ingenieurhydrologie am haumlufigsten verwendete Modellansatz zur Ermittlung des abflusswirksamen Niederschlags ist der Ansatz des Abflussbeiwertes Er wird sowohl in der Urbanhydrologie (Kanalnetzberechnung) als auch
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bei der Modellierung von Niederschlags-Abfluss-Prozessen (NA-Modellierung) auf natuumlrlichen Flaumlchen eingesetzt
Abflussbeiwert-Ansaumltze
)()()(
)()(
)(
)(
tititi
titi
ti
ti
vw
w
w
Ψ ndash Abflussbeiwert [-]
i(t) ndash Niederschlagsintensitaumlt [mmh]
iw(t) ndash wirksame Niederschlagsintensitaumlt [mmh]
a) konstanter Abflussbeiwert Ψ
b) Konstanter Abflussbeiwert Ψ mit Anfangsverlust hva
Der Anfangsverlust hva wird durch die Mulden- und Benetzungsverluste begruumlndet
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c) Zeitvarianter Abflussbeiwert Ψ mit oder ohne Anfangsverlust hva
In der Urbanhydrologie wird der konstante Abflussbeiwert Ψ ohne Anfangsverlust hva bei der NA-Modellierung kommt fast immer der konstante Abflussbeiwert Ψ mit Anfangsverlust hva zum Einsatz
Liegen Niederschlags- und Abflussaufzeichnungen des Direktabflusses QD(t) vor und ist der Verlauf des Basisabflusses QB(t) bekannt so kann der Abflussbeiwert Ψ aus der Volumen-Massenbilanz ermittelt werden Der Anfangsverlust hva wird in der Regel mit 3 bis 4 mm Niederschlagshoumlhe geschaumltzt Der gefallene effektive Niederschlag iw(t)=Ψ i(t) findet sich im Direktabfluss QD(t) oberhalb des Basisabflusses QB(t)
RE
RA
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t
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t
t
DQ VdttiAdttQV )()(
0
Liegen keine Niederschlags undoder Pegelaufzeichnungen vor wird in der Ingenieurpraxis der Abflussbeiwert mit Hilfe oder im Anlehnung an das SCS Verfahrens (US Soil Conversation Service der USA) ermittelt Diese Verfahren wird ua in der
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DVWK-Regel 113 beschrieben Das SCS-Verfahren unterscheidet folgende Bodentypen
Bodentyp A Boumlden mit groszligem Versickerungsvermoumlgen auch nach starker Vorbefeuchtung zB tiefe Sand- und Kiesboumlden
Bodentyp B Boumlden mit mittlerem Versickerungsvermoumlgen tiefe bis maumlszligig tiefe Boumlden mit maumlszligig feiner bis maumlszligig grober Textur zB mitteltiefe Sandboumlden Loumlszlig (schwach) lehmiger Sand
Bodentyp C Boumlden mit geringem Versickerungsvermoumlgen Boumlden mit feiner bis maumlszligig feiner Textur oder mit wasserstauender Schicht zB flache Sandboumlden sandiger Lehm
Bodentyp D Boumlden mit sehr geringem Versickerungsvermoumlgen Ton Boumlden sehr flache Boumlden uumlber nahezu undurchlaumlssigem Material Boumlden mit dauernd sehr hohem Grundwasserspiegel
BodennutzungBodentyp A B C D
Oumldland (ohne nenneswerten Bewuchs) 77 86 91 94
Hackfruumlchte Wein 70 80 87 90
Wein (Terrassen) 64 73 79 82
Getreide Futterpflanzen 64 76 84 88
Weide (normal) 49 69 79 84
Weide (kark) 68 79 86 89
Dauerwiese 30 58 71 78
Wald (stark aufgelockert) 45 66 77 83
Wald (mittel aufgelockert) 36 60 73 79
Wald (dicht) 25 55 70 77
undurchlaumlssige bzw versiegelte Flaumlchen 100 100 100 100
CN-Beiwert des SCS-Verfahrens
In Abhaumlngigkeit der Bodennutzung und des Bodentyps wird fuumlr das Niederschlagseinzugsgebiet ein flaumlchengewichteter CN-Beiwert ermittelt und der effektive Niederschlag hNE berechnet
4258800425
22004252
NN
NNNe
Ch
Chh
N
Ne
h
h
Das Originalverfahren hat Schwaumlchen und wurde mehrfach modifiziert (zB nach Oslashverland Zaiszlig und Lutz) Dabei wurde versucht den Einfluss der aktuellen Bodenfeuchte des Bodens besser zu beruumlcksichtigen Je nach Bodentyp kann diese einen groszligen Einfluss auf den effektiven Niederschlag (vgl auch Abschnitt 41) haben
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Alle diese Ansaumltze beruumlcksichtigen nicht die bei Starkregen beobachteten und in [17] beschriebenen Effekte der Bodenluftkompression die die Infiltrationsfaumlhigkeit des Porenraumes bei hohen Niederschlagsintensitaumlten mindert und somit den Anteil des Oberflaumlchenabflusses erhoumlht
Arbeitsziel unterstuumltzt durch Studienarbeit Uumlberpruumlfung und Anpassung der Modelansaumltze zur Ermittlung des abflusswirksamen Niederschlages bei Starkniederschlaumlgen unter besonderer Beruumlcksichtigung von Bodenfeuchte und Bodenluftkompressionseffekten
Die Verwendung der Radarniederschlagsdaten macht es moumlglich die zeitliche und raumlumliche Niederschlagsverteilung im Einzugsgebiet zu betrachten Da die Niederschlagsintensitaumlten und -mengen im Einzugsgebiet variieren werden sich demzufolge raumlumlich verteilte Abflussbeiwerte ergeben Die oben beschriebenen Ansaumltze zur Ermittlung des abflusswirksamen Oberflaumlchenabflusses muumlssen daraufhin angepasst und ggf weiterentwickelt werden
Arbeitsziel unterstuumltzt durch Studienarbeit Uumlberpruumlfung und Anpassung der Modelansaumltze zur Ermittlung des abflusswirksamen Niederschlages bei raumlumlich und zeitlich sich veraumlndernden Starkniederschlaumlgen
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4 Arbeitspaket 3 Uumlberpruumlfung und Anpassung der hydraulischen Ansaumltze zur Berechnung des Oberflaumlchenabflusses bei Starkregen Sturzfluten an steilen Haumlngen
Beim Oberflaumlchenabfluss muss zwischen dem klassischen Oberflaumlchenabfluss nach Horton (1933) und dem Saumlttigungsoberflaumlchenabfluss unterschieden werden
Der Oberflaumlchenabfluss nach Horton entsteht durch einen Infiltrationsuumlberschuss Die Niederschlagsintensitaumlt ist houmlher als die Infiltrationskapazitaumlt der Boumlden und das nicht infiltrierte Niederschlagswasser flieszligt dann in Fallrichtung auf der Hangoberflaumlche ab
Der Saumlttigungsoberflaumlchenabfluss setzt dann ein wenn der Boden seine maximale Wassersaumlttigung erreicht hat dh das Porenvolumen vollstaumlndig mit Wasser gesaumlttigt ist Bei diesem Abfluss tritt haumlufig Wasser aus einem vergangenen Ereignis wieder aus dem Boden aus (Exfiltration) und vermischt sich mit dem Niederschlag des aktuellen Ereignisses
Im Folgenden wird zunaumlchst nur die Einphasenstroumlmung des Oberflaumlchenwassers betrachtet der Bewegungsbeginn und der Transport von Teilen der Bodenmatrix (Erosion) werden nicht analysiert Der Massentransport koumlnnte nachdem die Bewegungsgleichungen der Einphasenstroumlmung in steilen Haumlngen verifiziert oder korrigiert wurden in spaumlteren Arbeitsschritten betrachtet werden
Fuumlr die Simulation des Oberflaumlchenabflusses an Steilhaumlngen werden aktuell dieselben Ansaumltze verwendet wie zur Berechnung des Oberflaumlchenabflusses auf flachen Uumlberflutungsflaumlchen in Gewaumlssern und auf Auen Die dabei erzielten Ergebnisse scheinen so plausibel sodass die verwendeten Modelle bislang noch nicht hinterfragt wurden Und das obwohl die geometrischen und hydraulischen Randbedingungen an steilen Hanglagen sich von denen auf flachen Uumlberflutungsflaumlchen stark unterscheiden
In diesem Zusammenhang verglich beispielsweise Herr Dipl-Ing Klaus Schmalzl des Wasserwirtschaftsamtes Rosenheim in seinem Vortrag bdquoSturzfluten hydrodynamisch numerisch mit HYDRO_AS-2D berechnenldquo [38] den er im Rahmen des Treffens der Anwender des 2D-Hydrodynamik-Programms HYDRO_AS-2D der Fa Hydrotec am 11Okt 2014 in Muumlnchen hielt das Programm HYDRO_AS-2D welches eigentlich fuumlr die 2-Dimensionale Simulation in Gewaumlssern entwickelt worden ist mit einem bdquoSchweizer Messerldquo welches als Symbol fuumlr einen vielseitigen Einsatz steht
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In Kongress INTERPRAEVENT 2012 in Grenoble [25] wurde bdquoEin neuer Ansatz zur Modellierung von Oberflaumlchenabflussldquo vorgestellt In der Zusammenfassung
bdquoOberflaumlchenabfluss wird als der Teil des Niederschlags verstanden welcher einem Vorfluter uumlber die Bodenoberflaumlche unmittelbar zufliesst Auswertungen von Unwetterereignissen in den letzten Jahren in der Schweiz haben gezeigt dass bis zu 50 der durch Wassergefahren verursachten Schadenfaumllle durch Oberflaumlchenabfluss verursacht worden sind Dennoch ist Oberflaumlchenabfluss in der Schweiz kaum in den Gefahrenkartierungsprozess integriert Um diese Luumlcke zu fuumlllen wurde auf der Basis der Software FloodArea eine Methode entwickelt welche eine Modellierung von Oberflaumlchenabfluss mit einheitlichen Kriterien uumlber grosse Gebiete erlaubt In dieser Studie werden die Methodenentwicklung und zwei Fallstudien vorgestellt Die Resultate zeigen dass an den Raumlndern von Siedlungsflaumlchen und im Landwirtschaftsland gute Ergebnisse erzielt werden Potenziell gefaumlhrdete Gebaumlude oder Bauparzellen werden erkannt Innerhalb von Siedlungsgebieten sind die Differenzen zu realen Ereignissen groumlsser Daher liegt der Fokus von Folgearbeiten auf einer weiteren Verbesserung der Genauigkeit des Gelaumlndemodells und der Integration von zusaumltzlichen Strukturen (zB Kleinbauten) welche Fliesswege entscheidend beeinflussen koumlnnenldquo aus [25]
wird auf die Software FloodArea der Fa Geomer Heidelberg verwiesen
FloodArea und auch HYDRO_AS-2D sind Beispiele von in der Praxis verwendeten Programmen zur Berechnung von Wasserspiegellagen in Gewaumlssern und zur 2-D Uumlberflutungssimulation auf Auen Wie das nachfolgende Bild zeigt sind die mit FloodArea erzielten Simulationsergebnisse plausibel
Oberflaumlchenabflussmodellierung in Busswil (Kanton Bern Schweiz) aus [25]
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Der Verfasser dieser Projektskizze selbst hat in Zusammenarbeit mit der Fa Geomer in Heidelberg die hydraulischen Kernroutinen fuumlr das Programm FloodArea entwickelt und ist daher in der Lage deren Einsatzgrenzen gut beurteilen zu koumlnnen
41 Korrektur der Flieszligformeln zur Simulation des Oberflaumlchenabflusses an steilen Haumlngen
Die nachfolgende Tabelle zeigt die unterschiedlichen Auspraumlgungen von wichtigen hydraulischen und geometrischen Randbedingungen fuumlr den steilen Oberflaumlchenabfluss und fuumlr die Wasserausbreitung auf den vergleichsweise flachen Gewaumlsserauen
Parameter Auspraumlgung
Gewaumlsser und Aue Steile Hanglage
Gefaumllle klein permil bis 10
groszlig 5 bis uumlber 100
Wassertiefe groszlig Dezimeter bis mehrere Meter
klein Duumlnnfilmabfluss bis Dezimeter
Betrachten wir zunaumlchst ein Fluidelement 119889119909 times ℎ times 119880 auf einer steilen Hangflaumlche mit dem Hangneigungswinkel β und formulieren in x- Richtung das Kraumlftegleichgewicht zwischen der hangabwaumlrts treibenden Kraft
119866 times sin 120573 = 119889119909 times ℎ times 119880 times 120588 times 119892 times sin 120573 und der Hangreibungskraft T
119879 = 120591 times 119880 times 119889119909 Man erhaumllt so den bekannten Ansatz fuumlr die Schleppspannung
120591 auf einer Hangflaumlche
120591 = 120588 times 119892 times119860
119880times sin 120573 [
119873
1198982]
dx
Q
vdx cosszlig
h
G
G sinszlig
T
U
Ah
szlig
x
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Mit dem in der turbulenten Hydraulik uumlblich verwendeten Ansatz
120591 =120582
81199072 [
119873
1198982]
ergibt sich die Flieszligformel fuumlr den Oberflaumlchenabfluss
119907 =1
radic120582times radic8 times 119892 times
119860
119880times 119904119894119899 120573 [
119898
119904]
mit
v - mittl Flieszliggeschwindigkeit [ms]
1
radic120582 - Reibungskoeffizient [-]
g - Erdbeschleunigung [mssup2]
A - Abflussquerschnitt [msup2]
U - benetzte Sohle [m]
β - Hangneigungswinkel [Grad]
Da in der Flusshydraulik die Neigungswinkel der Gewaumlssersohlen deutlich kleiner sind als die Neigungswinkel steiler Hanglagen werden die Flieszligformeln vereinfach
119907 =1
radic120582times radic8 times 119892 times
119860
119880times 119868119864
Anstelle des 119904119894119899 120573 wird das Gefaumllle IE verwendet Dh
119904119894119899 120573 = 120573 oder 119904119894119899 120573 = 119905119886119899 120573 = 119868119864
mit
IE - Sohlgefaumllle [minuspermil]
Fuumlr Gefaumllle bis 20 oder 113 Grad Neigung ist diese Vereinfachung vertretbar und liefert gute Ergebnisse Ab Neigungen groumlszliger 20 darf diese Vereinfachung nicht mehr angesetzt werden Bei einer Hangneigung mit 45 Grad oder IE=1=100 Gefaumllle weichen die Ergebnisse fuumlr die Flieszliggeschwindigkeit um 16 ab
radic1 = 1 radic119904119894119899 45 = 07071 = 084 119865119890ℎ119897119890119903 =1minus084
1times 100 = 16
Bei aktuellen Simulationen werden diese Fehler manchmal auch aus Unkenntnis hingenommen oder mit Hilfe des Reibungskoeffizienten der Oberflaumlchen versucht zu korrigieren
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42 Versuchseinrichtung zur Uumlberpruumlfung und Anpassung der Flieszligformeln zur Simulation des Oberflaumlchenabflusses an steilen Haumlngen
Auf dem Gelaumlnde des Wasserbaulaboratoriums der Hochschule RheinMain soll im naumlchsten Sommersemester 2015 eine Versuchseinrichtung zur Simulation von Oberflaumlchenabfluss auf Hanglagen bis 45deg (11 100) errichtet werden
Es soll eine kippbare Versuchsrinne mit einer Breite von 10 m einer Houmlhe von 026 m und einer Laumlnge von 63 m errichtet werden (vgl auch Anlage 1) Zur vertikalen Regensimulation soll uumlber der Versuchsrinne eine Beregnungsanlage mit schwenkbaren Duumlsen angebracht werden
Kipprinne zur Simulation von Oberflaumlchenabfluumlssen an steilen Haumlngen vgl Anlage 1
In einer ersten Phase sollen die in Abschnitt 41 diskutierten hydraulischen Ansaumltze in Versuchen verifiziert werden Hierbei gilt es besonders zu uumlberpruumlfen ob bei sehr kleinen Abflusstiefen (Duumlnnfilmabfluss) die Oberflaumlchenspannung der Wassers bei den Bewegungsgleichungen von Bedeutung ist
Fuumlr die Versuchsreihen koumlnnen die Beregnungslaumlnge die Niederschlagsintensitaumlt und der Neigungswinkel der Versuchsrinne variiert werden
Arbeitsziel unterstuumltzt durch Studienarbeit Uumlberpruumlfung und Anpassung der Flieszligformeln zur Simulation des Oberflaumlchenabflusses an steilen Haumlngen
In einer spaumlteren Versuchsphase soll SohlsubstratBoden eingebracht werden um mit oder ohne kuumlnstlichen Bewuchsstrukturen verschiedene Hangrauheiten simulieren zu koumlnnen Dies soll zur Klaumlrung des Erosionsbeginns der Bodenmatrix beitragen
1000 cm
260 cm
Sohlsubstrat zur Aufnahmevon kuumlnstlichen Bewuchsstrukturen
Beregnungsanlage mit schwenkbaren Duumlsen zurvertikalen Regensimulation
Wasserkoumlrper desOberflaumlchenabflusses
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5 Arbeitspaket 4 Instationaumlre 2ndashdimensionale Modellierung des Oberflaumlchenabflusses bei Starkniederschlaumlgen
Um dem Programmieraufwand im Rahmen des Projektes so gering wie moumlglich zu halten wird vorgeschlagen das Programm Floodarea der Fa Geomer Heidelberg welches sich bisher in der Praxis bewaumlhrt hat als Basis fuumlr die Simulationen zu verwenden FloodArea ist ein vollstaumlndig in ArcGISreg integriertes 2D-Modell zur Berechnung von Uumlberschwemmungsflaumlchen Wie in Abschnitt 4 bereits erwaumlhnt war der Verfasser dieser Skizze in die Erarbeitung der hydraulischen Kernroutinen dieser Software involviert und kann insofern ihre Einsatz- und Anpassungsmoumlglichkeiten sehr gut abschaumltzen Eine Abstimmung mit Herrn Dr Assmann von der Fa Geomer erfolgte vor dem Verfassen dieser Projektskizze
Folgende Anpassungen bzw Erweiterungen des Programms sollen realisiert werden
Schnittstelle zu den DWD-Radarniederschlagsdaten um die 5-minuumltigen RADOLAN RY-Komposite fuumlr eine instationaumlre 2-dimensionale Modellierung des Oberflaumlchenabflusses verwenden zu koumlnnen(vgl Abschnitt 2)
Einarbeitung der angepassten und erweiterten Ansaumltze zur Ermittlung des abflusswirksamen Niederschlages bei Starkregen
Einarbeitung der uumlberarbeiteten hydraulischen Ansaumltze fuumlr den Oberflaumlchenabfluss in steilen Hanglagen
Fuumlr die in Abschnitt 7 vorgeschlagenen Pilot-Einzugsgebiete sollen fuumlr ausgesuchte Starkregenereignisse (Regensammlung vgl Abschnitt 22) Simulationen des Oberflaumlchenabflusses durchgefuumlhrt werden
Die Ergebnisse dieser Simulationen sollen die hydraulische Grundlage fuumlr die in Abschnitt 6 beschriebenen Starkregen-Gefahrenkarten bilden
Folgende Datengrundlagen sind in die Simulationen des Oberflaumlchenabflusses zu intergrieren
Radarniederschlagsdaten (vgl Abschnitt 2)
ein hoch aufgeloumlstes digitales Gelaumlndemodell aus Laserscandaten Bereits durchgefuumlhrte Simulationen des Landes Baden Wuumlrttemberg im Einzugsgebiet der Starzel und [25] zeigen dass der Einfluss von Kleinstrukturen und Hindernissen (Mauern Graumlben Strassendammprofile) auf den Verlauf des Abflussgeschehens einen groszligen Einfluss haben koumlnnen
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Diese Kleinstrukturen werden allerdings durch das digitale Gelaumlndemodell nicht immer vollstaumlndig abgebildet Ggf muumlssen die Kleinstrukturen nachdigitalisiert werden um das digitale Gelaumlndemodell bdquohydraulischldquo zu vervollstaumlndigen
Gewaumlssernetz
Nutzungsmodell (zB ATKIS ALKIS CORINE LAND COVER) ggf mit Luftbildaufnahmen zur Verifizierung und Praumlzisierung der Nutzung und zur Ermittlung der Bearbeitungsrichtung bei landwirtschaftlichen Flaumlchen Hydraulisch nicht aktive Gebaumludeflaumlchen muumlssen bdquomarkiertldquo werden damit die Simulation an einer moumlglichst reellen Oberflaumlchengeometrie durchgefuumlhrt werden kann
Bodenkarte
Informationen uumlber die Bodenfeuchte oder Betrachtung der Regenmengen in den letzten 30 Tagen
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6 Arbeitspaket 5 Erarbeitung von Starkregen Gefahrenkarten fuumlr das Land Hessen
Wie im einfuumlhrenden Abschnitt 1 erlaumlutert muumlssen aufgrund der zu kurzen Vorwarnzeiten in kleinen Einzugsgebieten die Flaumlchen- und Bauvorsorge intensiviert werden um Schaumlden durch Starkregen und Sturzfluten mindern zu koumlnnen Die dazu notwendigen Informationen uumlber die in dieser Hinsicht gefaumlhrdeten Flaumlchen und deren Nutzung muumlssen bei der angepassten kommunalen Planung beruumlcksichtigt werden Flaumlchennutzungs- und Bebauungsplaumlne sind auf die topographischen Gegebenheiten und auf die Abflusseigenschaften des Gebietes bei Starkregen abzustimmen
Starkregen Hinweis- oder Starkregen Gefahrenkarten koumlnnen als Ergaumlnzung zu den mittlerweile bundesweit eingefuumlhrten Hochwassergefahrenkarten diese Informationen bereitstellen
Die im Folgenden verwendeten Begriffe
Starkregen-Hinweiskarte
Starkregen-Gefahrenkarten oder Flieszligpfadkarten
sind vorlaumlufige Benennungen Wie auch bei den Hochwassergefahrenkarten muss die LAWA fuumlr eine bundesweit einheitliche Benennung Sorge tragen
Aus der Sicht der Verfasser wird ein zweistufiges Vorgehen empfohlen
1 Identifikation der potentiell gefaumlhrdeten Hangflaumlchen und die Erstellung von Starkregen Hinweiskarten
2 Simulation des Oberflaumlchenabflusses der potentiell gefaumlhrdeten Flaumlchen und Erstellung von Starkregen Gefahrenkarten oder Flieszligpfadkarten
Eine flaumlchendeckende Simulation des Oberflaumlchenabflusses im betrachteten Projektraum sollte aufgrund der dabei entstehenden Projekt- bzw Ingenieurkosten uumlberdacht werden
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(Stufe 1) Identifikation der potentiell gefaumlhrdeten Hangflaumlchen und die Erstellung von Starkregen Hinweiskarten
Es wird vorgeschlagen in einem ersten Schritt den betrachteten Projektraum flaumlchendeckend auf potentiell gefaumlhrdete Hangflaumlchen zu untersuchen
Dazu sollen die Gelaumlndeneigung die Bodennutzung sowie die Lage der steilen Hangflaumlchen zu den schadensempfindlichen Flaumlchen (zB Siedlungsgebiete) fachlich miteinander verknuumlpft werden
Beispielsweise lassen sich auf Grundlage der folgenden fachlich begruumlndeten Matrix mit Hilfe der GIS Werkzeuge die potentiell gefaumlhrdeten Hangflaumlchen leicht identifizieren
Gruumlnland Ackerland
Gelaumlndenutzung Gelaumlndeneigung
Be
arb
eitu
ng
que
r zur
Fallr
ich
tun
g
Be
arb
eitu
ng
in
Fallr
ich
tun
g
kleiner 5 nicht
gefaumlhrdet wenig
gefaumlhrdet
5 bis 10 maumlszligig
gefaumlhrdet
10 bis 20 maumlszligig
gefaumlhrdet
groszliger 20 stark
gefaumlhrdet sehr stark gefaumlhrdet
sehr stark gefaumlhrdet
Liegen unterhalb stark oder maumlszligig gefaumlhrdeter Flaumlchen Siedlungsgebiete oder sind in den gefaumlhrdeten Flaumlchen Siedlungsentwicklungen geplant ist eine detaillierte Untersuchung des Oberflaumlchenabflusses erforderlich (Stufe 2)
Die bislang verwendeten Kriterien zur Einschaumltzung den potentiell betroffenen Flaumlchen sollten uumlberpruumlft und weiterentwickelt werden
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Beispiel fuumlr eine Starkregen-Hinweiskarte Stadt Nidderau
(Stufe 2) Simulation des Oberflaumlchenabflusses der potentiell gefaumlhrdeten Flaumlchen und Erstellung von Starkregen Gefahrenkarten oder Flieszligpfadkarten
Fuumlr die in Stufe 1 identifizierten gefaumlhrdeten Flaumlchen ist in der zweiten Stufe der Oberflaumlchenabfluss zu simulieren Je nach Groumlszlige des zu betrachtenden Niederschlagseinzugsgebietes oberhalb der gefaumlhrdeten Siedlungsflaumlchen und Infrastrukturen muumlssen aus der Regensammlung (vgl Abschnitt 22) konvektive Ereignisse geeigneter Dauer ausgewaumlhlt werden
Aus der instationaumlren 2D-Simulation erhaumllt man fuumlr definierte Zeitpunkte nach dem Beginn des Niederschlages folgende fuumlr das gewaumlhlte Berechnungsraster raumlumlich aufgeloumlste hydraulisch relevante Grundinformationen
Ist die Flaumlche benetzt (janein)
Wasserstand (bdquoUumlberflutungshoumlheldquo) auf der Flaumlche
Flieszligrichtung und Flieszliggeschwindigkeit auf der Flaumlche
Diese hydraulischen Grundinformationen muumlssen aufbereitet fachlich interpretiert und auf geeignete Weise dargestellt werden
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Letztlich geht es darum die Frage zu klaumlren welche Fachinformationen eine Starkregen-Gefahrenkarte beinhalten sollte
Aus der Sicht der Verfasser sollten in den Gefahrenkarten folgende hydraulische Informationen enthalten sein
Abflussrinnen und Flieszligpfade auf den Hangflaumlchen (Vervollstaumlndigung des Gewaumlssernetzes gegen Flieszligrichtung vgl auch Bild Abschnitt 4 Seite 21)
Starkregen-Gefahrenkarte mit Flieszligpfaden und Flieszligrichtung aus BWK [1]
Wassertiefenentwicklung entlang der Flieszligpfade
Flieszliggeschwindigkeiten entlang der Flieszligpfade
Diese Fachinformationen sollten zusammen mit einem fuumlr den Nutzer geeigneten Kartenhintergrund (Luftbildaufnahmen ALK topographische Karte etc) visualisiert werden
Im Rahmen der Bearbeitung der vorgeschlagenen Pilot-Einzugsgebiete (siehe Abschnitt 7) sind geeignete Inhalte und Darstellungsmoumlglichkeiten fuumlr Starkregen-Gefahrenkarten zu entwickeln
Wie auch bei den Hochwassergefahrenkarten sollte die LAWA fuumlr bundesweit einheitliche Standards der Starkregen-Gefahrenkarten Sorge tragen
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7 Arbeitspaket 6 Modell- Pilotprojekt bdquoUmgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessenldquo
In einem letzten Arbeitsabschnitt sollen anhand ausgesuchter Einzugsgebiete mit Hilfe des in Abschnitt 6 vorgeschlagenen Vorgehens Starkregen-Hinweiskarten und Starkregen-Gefahrenkarten erstellt werden
Die Verwendung von Niederschlagsdaten aus Radarbeobachtungen (vgl Abschnitt 1) und der Einsatz des verbesserten Simulationsmodells (vgl Abschnitte 3 und 4) werden gegenuumlber der heutigen Praxis bessere fachliche Informationen zur Bewaumlltigung von Starkregen-Gefahrenlagen bereitstellen koumlnnen
Folgende Pilot-Einzugsgebiete in hessischen Rheingau werden zur Auswahl gestellt
Walluf (AE=281 kmsup2) Die Walluf besitzt einen Pegel (Martinsthal AE=245 kmsup2 36 km oberhalb der Muumlndung) im Einzugsgebiet An der Hochschule RheinMain steht ein Niederschlags-Abfluss Modell der Walluf zur Verfuumlgung
Erbbach Kisselbach (AE= 106 kmsup2)
Pfingstbach (AE= 84 kmsup2)
Stegbach Blaubach (AE= 127 kmsup2)
Der Hochwasserrisikomanagementplan Rheingau steht zurzeit in der oumlffentlichen Abstimmung und wird im Laufe 2015 fertig gestellt werden Nach Aussage von Frau Tremper des Regierungspraumlsidiums Darmstadt Abteilung IVWi 412 waumlre eine Ergaumlnzung des HWRM-PL Rheingau durch Starkregen-Hinweis- und -Gefahrenkarten der Rheingaubaumlche hilfreich Diese wuumlrden die im HWRM-PL Rheingau betrachteten Rhein-Hochwasserszenarien ergaumlnzen
Arbeitsziel unterstuumltzt durch Studienarbeiten Erstellung von Niederschlags- Abfluss Modellen fuumlr die Rheingaubaumlche Erbach Kisselbach Pfingstbach Stegbach Blaubach
Bei der Erstellung der Starkregen-Hinweiskarten und Starkregen-Gefahrenkarten fuumlr die Pilot-Einzugsgebiete sollen die in Abschnitt 6 weiterentwickelten Ansaumltze erprobt und die Karteninhalte mit den spaumlteren Nutzern diskutiert werden Dabei sollen insbesondere die Kartendarstellung und deren Inhalte den jeweiligen fachlichen Beduumlrfnissen entsprechen
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8 Literatur und Quellen
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[6] Deutscher Wetterdienst (DWD) (Hrsg)(2008) Radarniederschlag-Prinzip der Niederschlagsbestimmung mit Radar inklusive Umrechnung der Radarreflektivitaumlten in Momentanwerte des Niederschlages Version 10
[7] Deutscher Wetterdienst (DWD) Abteilung Hydrometeorologie (Hrsg)(2005) Projekt RADVOR-OP
[8] Deutscher Wetterdienst (DWD) Abteilung Hydrometeorologie (Hrsg)(2012) Projekt RADVOR-OP
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[11] DWA Regelwerk Merkblatt DWA-M 153 (2007) Handlungsempfehlungen zum Umgang mit Regenwasser
[12] DWA Kommentar zum DWA Regelwerk (2008) Planung Bau und Betrieb von Anlagen zur Versickerung von Niederschlagswasser
[13] DWA Themen (2010) Abfluumlsse aus extremen Niederschlaumlgen Ergebnisse einer Bestandsaufnahme Hochwasserereignisse und Modellansaumltze zu ihrer Abbildung
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[23] IHK Rhein-Neckar (2011) Starkregen ndash Auswirkungen und Anpassungsstrategien 8Hochwasserschutzforum in der Metropolregion Rhein-Neckar In Schriftenreihe des Verbandes Region Rhein-Neckar Heft 9
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Projektskizze Umgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessen (Arbeitstitel) Januar 2015 Seite 34
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9 Allgemeine Informationen Zeitplan und Ressourcen
91 Allgemeine Informationen
Antragsteller Prof Dr-Ing Ernesto Ruiz Rodriguez Wasserbaulaboratorium am Fachbereich Architektur und Bauingenieurwesen Hochschule RheinMain Kurt-Schumacher-Ring 18 65197 Wiesbaden
Projektbearbeiter Arbeitsgruppe bdquoStarkregen und Sturzflutenldquo am Wasserbaulaboratorium Prof Dr-Ing Ernesto Ruiz Rodriguez (Projektleitung) BEng Lisa Trost (Projektbearbeitung) Frank Salffner (Vermessungstechniker Laborant am Wasserbaulaboratorium und in der EDV- Arbeitsgruppe des Fachbereichs) Die Arbeitsziele werden durch Studienarbeiten des Master- Studienganges bdquoUmweltmanagement und Stadtplanung in Ballungsraumlumenldquo (UMSB) unterstuumltzt
Partnerschaften Kooperationspartner Prof Dr Ralf Doumlrner Hochschule RheinMain
FG Graphische Datenverarbeitung und Virtuelle Realitaumlt Prof Dr Robert Seuszlig Fachhochschule Frankfurt FG Geoinformation und Kommunaltechnik Berufsfeuerwehr Wiesbaden Dr Andreacute Assmann Fa Geomer Heidelberg
gewuumlnschte Zusammenarbeit Deutscher Wetterdienst Abt Hydrometeorologie Projektdauer 4 Jahre (vgl 92 Zeitplan) Eigenmittel Projektleitung durch Prof Dr E Ruiz Rodriguez
Nutzung der Einrichtungen des Wasserbaulaboratoriums der Hochschule RheinMain Unterstuumltzung bei Laborarbeiten und EDV Infrastruktur durch Frank Salffner
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92 Zeitplan
1
Jah
r
2
Jah
r
3
Jah
r
4
Jah
r Bemerkung
Arbeitspaket 1 Verwendung von Radardaten zur Simulation von Starkregen Sturzfluten fuumlr kleine Einzugsgebiete
Beginn der Arbeiten
Klaumlrung der Verfuumlgbarkeit von Radarniederschlagsdaten (fuumlr Modellierer Ingenieurbuumlros)
Aufwand zur Nutzung und Aufbereitung von Radarniederschlagsdaten fuumlr Modellierer Ingenieurbuumlros Erstellung eines Werkzeugs zur Visualisierung der archivierten und aktuellen Radarniederschlagsdaten Erstellung eines Werkzeugs zur Transformation und Projektion der DWD-RADOLAN-RW und RY-Komposit-Radarniederschlagsdaten in Gauszlig-Kruumlger undoder UTM-Projektion Erstellung eines GIS Werkzeugs zur Aufbereitung der DWD-RADOLAN-Komposit-Raster zur Simulation von Starkregen in kleinen Einzugsgebieten
1 Berichterstattung Arbeitspaket 1 (Teil 1)
Auswertung der RADOLAN Radarniederschlagsdaten des DWD
Praxisseminar Kolloquium bdquoVerwendung von Radardaten zur Simulation von Starkregen Sturzfluten in Hessenldquo
Arbeitspaket 2 Uumlberpruumlfung und Anpassung von Modellansaumltze zur Ermittlung des abflusswirksamen Niederschlages bei Starkregen
Uumlberpruumlfung und Anpassung der Modellansaumltze zur Ermittlung des abflusswirksamen Niederschlages bei Starkniederschlaumlgen unter besonderer Beruumlcksichtigung von Bodenfeuchte und Bodenluftkompressionseffekten
Arbeitspaket 3 Uumlberpruumlfung und Anpassung der hydraulischen Ansaumltze zur Berechnung des Oberflaumlchenabflusses bei Starkregen Sturzfluten an steilen Haumlngen
Bau der Versuchsrinne am Wasserbaulaboratorium Durchfuumlhrung und Auswertung der Versuche Uumlberpruumlfung und Anpassung der hydraulischen Ansaumltze zur Berechnung des Oberflaumlchenabflusses
2 Berichterstattung Arbeitspaket 2 und Arbeitspaket 3 (Teil1)
Arbeitspaket 4 Instationaumlre 2ndashdimensionale Modellierung des Oberflaumlchenabflusses bei Starkniederschlaumlgen
Anpassen des 2-dimensionallen Modelles auf instationaumlre Niederschlagsfronten Schnittstelle zu DWD RADOLAN Komposite Einarbeiten der verbesserten Ansaumltze zu Berechnung des abflusswirksamen Niederschlages bei Starkniederschlaumlgen Einarbeiten der verbesserten hydraulischen Ansaumltze
wird fortgesetzt
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1
Jah
r
2
Jah
r
3
Jah
r
4
Jah
r Bemerkung
Arbeitspaket 5 Erarbeitung von Starkregen Gefahrenkarten fuumlr das Land Hessen
Uumlberpruumlfen und Anpassung von fachlichen Kriterien fuumlr die Erstellung von Starkregen-Karten Definition der Inhalte von Starkregen-Hinweiskarten Definition der Inhalte von Starkregen- Gefahrenkarten
3 Berichterstattung Arbeitspaket 3 (Teil 2) Arbeitspaket 4 und Arbeitspaket 5 (Teil1)
Arbeitspaket 6 Modell- Pilotprojekt bdquoUmgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessenldquo
Erarbeitung von Starkregen-Hinweiskarten fuumlr die ausgewaumlhlten Pilot-Einzugsgebiete Erarbeitung von Starkregen-Gefahrenkarten fuumlr die ausgewaumlhlten Pilot-Einzugsgebiete Uumlberpruumlfen der fachlichen Kriterien und Ansaumltze (Arbeitspaket 5) fuumlr die Erstellung von Starkregen-Karten Diskussion uumlber die Starkregen-Karteninhalte und Starkregen-Kartendarstellung mit den Nutzern
4 Berichterstattung Arbeitspaket 5 (Teil 2) und Arbeitspaket 6 (Abschlussbericht)
93 Beantragte Mittel
Zur Durchfuumlhrung und Erreichung der im Antrag beschriebenen Arbeitsziele werden fuumlr das
1 Projektjahr 35000 Euro
2 Projektjahr 35000 Euro
3 Projektjahr 35000 Euro
4 Projektjahr 35000 Euro
beantragt
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1160 cm
280 cm
260 cm
1000 cm
1080 cm
6300 cm280 cm
3000 cm3000 cm
3000 cm 3000 cm
1000 cm624 cm
1500deg
Kipprinne zur Simulation des Oberflaumlchenabflusses an steilen HaumlngenLaumlnge= 630 mBreite= 10 mHoumlhe= 026 mmax Neigungswinkel 45deg
variableBeregnungslaumlnge
Maszligstab 120
1000 cm
260 cm
Sohlsubstrat zur Aufnahmevon kuumlnstlichen Bewuchsstrukturen
Beregnungsanlage mit schwenkbaren Duumlsen zurvertikalen Regensimulation
Wasserkoumlrper desOberflaumlchenabflusses
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Projektskizze Umgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessen (Arbeitstitel) Januar 2015 Anlage 1
1830 cm
2625 cm
Drehpunkt
1330 cm
6300 cm
280 cm
1500deg
Maszligstab 120
Kipprinne zur Simulation des Oberflaumlchenabflusses an steilen HaumlngenLaumlnge= 630 mBreite= 10 mHoumlhe= 026 mmax Neigungswinkel 45deg
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Als Beispiel hierfuumlr wird das Niederschlagsereignis von Freitag dem 11072014 im Teileinzugsgebiet (Rambach) des Salzbaches in der Landeshauptstadt Wiesbaden betrachtet
Die Niederschlagsmenge von 47 mm in einer Stunde (fuumlr das Teileinzugsgebiet des Rambachs mit Ae=21 kmsup2) kann nach KOSTRA DWD (Rasterfeld Wiesbaden) und einer angenommenen Konzentrationszeit von 1 h (Flieszligzeit der Welle in Teileinzugsgebiet) als ein Ereignis mit einem Wiederkehrintervall (WKI) von 100 Jahren einordnen werden
Die Gewitterfront vom 11072014 zog vom Nordosten Richtung Suumldwesten und somit genau in Flieszligrichtung des Rambachs Da die Frontrichtung und wahrscheinlich auch die Frontgeschwindigkeit mit dem Wellenablauf im Rambach
0107
76
124 122114
1 0902 01 01 01 0
0
2
4
6
8
10
12
14
1520 1525 1530 1535 1540 1545 1550 1555 1600 1605 1610 1615 1620
mm
in 5
min
11072014 1520 bis 1620 Uhr
Niederschlag WI AuringenN-Summe 468 mm in 1 h
1284
912
1488 14641368
12 10824 12 12 12
0
20
40
60
80
100
120
140
160
1520 1525 1530 1535 1540 1545 1550 1555 1600 1605 1610 1615 1620
Inte
nsi
taumlt
i [m
mh
]
11072014 1520 bis 1620 Uhr
Niederschlag WI AuringenN-Summe 468 mm in 1 h
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korrespondierten wurden das Wellenvolumen und auch der Wellenscheitel entscheidend vergroumlszligert
Gewaumlssernetz des Teileinzugsgebiets Rambach in der Landeshauptstadt Wiesbaden Zugrichtung der Gewitterfront am 11072014
Dieser fehlende Aspekt in der N-A-Modellierung ist bekannt wird aber aufgrund mangelnder Datengrundlagen oder notwendiger Finanzmittel bei der Simulation selten beruumlcksichtigt Ein Ansatz diese Luumlcke zu fuumlllen ist die Verwendung von Radarniederschlagsdaten
Nachfolgend werden Arbeitsschritte vorgeschlagen die dabei helfen sollen unter der Verwendung von Niederschlagsdaten aus Radaraufzeichnungen die Datengrundlagen fuumlr eine bessere Simulation von Starkregen und Sturzfluten zu verbessern
Im Rahmen der RADOLAN (Routineverfahren zur Online-
Aneichung der Radarniederschlagsdaten mit Hilfe von automatischen
Bodenniederschlagsstationen (Ombrometer)) und RADVOR-OP (Radargestuumltzte zeitnahe Niederschlagsvorhersage fuumlr den
operationellen Einsatz) Projekte des DWD sind Radarprodukte entstanden die geeignet waumlren die Simulation von Starkregen
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Sturzfluten besonders in kleinen Einzugsgebieten entscheidend zu verbessern
Voraussetzung hierfuumlr waumlre aber dass die Radarniederschlagsdaten in einer ausreichenden zeitlichen und raumlumlichen Aufloumlsung und in handhabbarer Form fuumlr die Anwender (Modellierer Ingenieurbuumlros) vorliegen (vgl auch Abschnitt 1)
21 Klaumlrung der Verfuumlgbarkeit von Radarniederschlagsdaten (fuumlr Modellierer Ingenieurbuumlros)
Vorab ist anzumerken dass im Rahmen dieser Projektskizze die Qualitaumlt der vorhandenen Radarniederschlagsdaten die Weiterentwicklung Korrektur (zB Abschattungskorrektur Verfeinerte Z-R-Beziehung etc) und die Verbesserung der Aneichung der Radarbilder nicht diskutiert werden soll
Es wird davon ausgegangen dass die raumlumlichen und zeitlichen Aufloumlsung der Radarniederschlagsdaten bei jetziger bdquoQualitaumltldquo eine deutlich bessere Datengrundlage zur Modellierung darstellen als die bisher verwendeten stationaumlren statischen Niederschlaumlge aus den Niederschlagsstationen oder aus dem KOSTRA DWD-Raster (845 km x 845 km)
Der Deutsche Wetterdienst (DWD) speichert im Rahmen des RADOLAN Projektes seit Juni-2005 bis heute Radaraufzeichnungen und stellt diese in verschiedenen Formaten und zu verschiedenen Konditionen zur Verfuumlgung
Fuumlr die 16 Radarstandorte des DWD stehen jeweils Radarbilder mit einer 5-minuumltigen Aufloumlsung zur Verfuumlgung
Am bekanntesten ist das sog RADOLAN-RW-Kompositprodukt fuumlr die Flaumlche der Bundesrepublik Deutschland (900 km x 900 km)
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RADOLAN RW Kompositprodukt fuumlr die Flaumlchen der Bundesrepublik Deutschlandkomposit (900 km x 900 km) aus [5] 2011
Hierbei handelt es sich um die mit Hilfe der Bodenniederschlagsstationen angeeichten und uumlberlagerten Radarbilder der 16 Radarstationen Dieses Produkt gibt den Niederschlag pro Stunde fuumlr ein Rasterfeld von 1km x 1km an und steht in einer zeitlichen Aufloumlsung von einer Stunde zur Verfuumlgung Die Daten sind frei verfuumlgbar und stehen auf dem FTP-Server des DWD (ftpftp-cdcdwddepubCDC) zur freien Download zur Verfuumlgung Sie liegen im RADOLAN Kompositformat Version 222 vor Dies ist ein Binaumlrformat mit ASCII Header und kann zB mit der Python Skript-Bibliothek bdquowradlibldquo gelesen werden
Auszug aus dem RADOLAN-Kurzbeschreibung (Stand April 2012)
bdquoDas derzeit bestmoumlgliche am schnellsten verfuumlgbare RADOLAN-Ergebnis (RW-Produkt) ist ein angeeichtes RadarndashDeutschlandkomposit mit stuumlndlichen Niederschlagshoumlhen in einer Intensitaumltsaufloumlsung von 01 mm und in einer raumlumlichen Aufloumlsung von einem Quadratkilometer welches zeitnah (innerhalb von 30 Minuten) zur Verfuumlgung stehtldquo
Die RADOLAN-Komposite liegen in polarstereografischer Projektion vor und haben in der Projektion eine aumlquidistante Rasterung von 10 km Das kartesische Koordinatensystem besitzt eine Groumlszlige von 900 km x 900 km (siehe auch [4] [5])
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Eine deutlich bessere zeitliche Aufloumlsung liefert das RADOLAN RY-Komposit Bei gleicher raumlumlicher Aufloumlsung wie das oben beschriebene RW-Komposit besitzt das RY-Komposit in einer zeitlichen Aufloumlsung von 5 Minuten Die Niederschlagshoumlhen werden in 001 mm bereitgestellt
Beide Radar-Komposit-Produkte (RW und RY) sind fuumlr behoumlrdliche Aufgaben im Rahmen des vorbeugenden Hochwasserschutzes der BRD entwickelt und optimiert worden Fuumlr mittlere und groszlige Einzugsgebiete ist die bereit gestellte raumlumliche und zeitliche Aufloumlsung beider Produkte voumlllig ausreichend
Fuumlr kleine Einzugsgebiete (lt 50 kmsup2) stellt die raumlumliche Aufloumlsung von 1km x 1km die bei beiden Komposit-Produkte moumlglich ist eine deutliche Verbesserung gegenuumlber der Dichte der Niederschlagsstationen und der DWD KOSTRA Rasterweite dar
Am Beispiel des Teileinzugsgebietes des Rambach Ae=21 kmsup2 in Wiesbaden erhaumllt man uumlber das Radar-Komposit-Produkt eine deutlich bessere raumlumliche Aufloumlsung der Niederschlagsverteilung als uumlber die einzelnen Niederschlagsstation in WI-Auringen oder WI-Biebrich
Die zeitliche Aufloumlsung von 5 Minuten bietet die Moumlglichkeit die zeitliche Entwicklung und die raumlumlich Verteilung der Niederschlagsintensitaumlt auch fuumlr kleine Einzugsgebieten in ausreichender Qualitaumlt abzubilden
Die Klaumlrung der Anfrage beim DWD (Ansprechpartner Elmar Weigl) ob auch ein bdquoHessen Kompositldquo mit houmlherer raumlumlicher Aufloumlsung denkbar und erhaumlltlich ist steht noch aus
Insgesamt sind die angebotenen Radarniederschlagsdaten Radarprodukte auf die Beduumlrfnisse der aktuellen Nutzer zugeschnitten Die Zugaumlnglichkeit fuumlr Lehre und Forschung ist ausreichend gegeben
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22 Aufwand zur Nutzung und Aufbereitung von Radarniederschlagsdaten fuumlr Modellierer Ingenieurbuumlros
Wie in Abschnitt 1 einfuumlhrend erlaumlutert sind neben einer ausreichenden raumlumlichen und zeitlichen Aufloumlsung
die Kosten fuumlr die Beschaffung der Radarniederschlagsdaten und
der Aufbereitungsaufwand fuumlr die Simulation
fuumlr Modellierer Ingenieurbuumlros entscheidend
Ingenieurbuumlros bearbeiten Projekte aufgrund der Ausschreibungsbedingungen und der starken Konkurrenzsituation in einem sehr engen Finanzrahmen
Die aktuell angebotenen Radarniederschlagsdaten Radarprodukte benoumltigen einen zu groszligen Aufbereitungsaufwand um diese fuumlr die Simulation von Starkregen und Sturzfluten in kleinen Einzugsgebieten zu nutzen
Vor einer Simulation muumlssen die folgenden zwei Schritte abgearbeitet werden
1) Auswahl geeigneter konvektiver Ereignisse fuumlr das Untersuchungsgebiet (Regensammlung)
2) Aufbereitung der 5-minuumltigen Radarniederschlagsdaten fuumlr die gewaumlhlten konvektiven Ereignisse
Auswahl geeigneter konvektiver Ereignisse fuumlr das Untersuchungsgebiet (Regensammlung)
Zur Erinnerung Aktuelle werden die Radarniederschlagsdaten noch nicht genutzt sondern der statischen Regen aus einer benachbarten Niederschlagsstation oder statischen Blockregen aus DWD KOSTRA 2000 entnommen Die Dauer der Modellregen orientiert sich dabei an der Konzentrationszeit Flieszligzeit im Niederschlagsgebiet Um den Aufwand zur Beschaffung Auswahl und Aufbereitung der Niederschlagsdaten von konvektiven Ereignissen einzelner Niederschlagsstationen zu umgehen werden stattdessen die DWD KOSTRA 2000 Blockregen verwendet
Um bei der Auswahl von konvektiven Ereignissen aus Radarniederschlagsdaten den Kostenrahmen fuumlr die Datenbeschaffung gering zu halten erscheint es sinnvoll auf die RADOLAN-RW-Komposit Radarniederschlagsdaten mit einer zeitliche Aufloumlsung von 1 h die auf dem FTP-Server des
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DWD (ftpftp-cdcdwddepubCDC) zum freien kostenlosen Download zur Verfuumlgung stehen zuruumlck zu greifen
Mit folgenden Systemen lassen sich zurzeit die Niederschlagsdaten des RADOLAN RW-Komposits visualisieren
KONRAD webKONRAD - Zugang uumlber das Feuerwehrinformationssystem (FEWIS)
IDLRaBiD 50 - Darstellungsprogramm fuumlr Radarbilder des Deutschen Wetterdienstes
WaWIS (Registrierung uumlber DWD notwendig)
NinJo Lizenz erhaumlltlich uumlber Ernst Basler + Partner GmbH
Python Skript Bibliothek bdquowradlibldquo (Darstellen der einzelnen RW Komposite)
KONRAD bzw webKONRAD ist nur uumlber den Zugang des Feuerwehrinformationssystems (FEWIS) zu erreichen und steht Ingenieurbuumlros nicht zur Verfuumlgung
IDLRaBiD 50 ist eine interne Software des DWD und steht Ingenieurbuumlros nicht zur Verfuumlgung
WaWIS steht nur Behoumlrden zur Verfuumlgung die im Rahmen des Katastrophenschutzes taumltig sind
NinJo 17 kann als Lizenzprodukt erworben werden Auf das Ingenieurbuumlro kaumlmen Lizenz- und Installationskosten welche sich im 5 stelligen Bereich bewegen zu Fuumlr Forschungsinstitutionen fallen die Lizenzkosten weg es verbleiben jedoch Installationskosten von ca 5000 Euro Eine Betrachtung von konvektiven Fronten uumlber mehrere Tage hinweg ist fuumlr ausgesuchte Zeitabschnitte moumlglich
Eine weitere Alternative ist die Nutzung der umfangreichen Phyton-Skript Bibliothek bdquowradlibldquo Hier muss jedes einzelne RW-Komposit eingelesen und visualisiert werden Natuumlrlich wird dies durch geeignete wradlib utility functions (Batch Routinen zur Verarbeitung vieler RW-Komposite) erleichtert Der Gesamtaufwand zur Visualisierung ist dennoch erheblich
Der Einsatz der letzten zwei Alternativen setzt jedoch voraus dass man bestimmte konvektive Ereignisse bereits identifiziert hat Dh die entsprechenden historischen Ereignisse sind bekannt oder es wurden aus den Aufzeichnungen der Bodenniederschlagsstationen bereits Ereignisse ausgewaumlhlt
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Zurzeit gibt es noch kein System welches frei zugaumlnglich ist und die historischen RW RADOLAN-Daten (Juni-2005 bis heute) visualisieren kann
Optimal waumlre es wenn die RW-RADOLAN-1h-Komposite jahresweise in einem Video mit Datum Kartenhintergrund und N-Intensitaumltsskala vor- und ruumlckspulbar betrachtet werden koumlnnten Auf diese Weise waumlre es moumlglich maszliggebende konvektive Ereignisse Szenarien (Regensammlung mit verschiedenen Niederschlagsdauern und verschiedenen Niederschlagsmengen) zur Simulation leichter zu identifizieren (vgl auch Abschnitt 7)
Arbeitsziel unterstuumltzt durch Studienarbeit Entwurf und Umsetzung eines Werkzeugs zur Visualisierung der archivierten und aktuellen Radarniederschlagsdaten (DWD-RADOLAN-RW-Komposit)
Aufbereitung der 5 minuumltigen Radarniederschlagsdaten fuumlr die gewaumlhlten konvektiven Ereignisse
Sind die konvektiven Ereignisse Szenarien zur Simulation identifiziert muumlssen deren Radarniederschlagsdaten je nach Anforderung des verwendeten Simulationsmodells aufbereitet werden
Alle Simulationsmodelle nutzen fuumlr die Eingabeaufbereitung und Ergebnispraumlsentation GIS-Oberflaumlchen So lassen sich Simulationsergebnisse mit anderen Datengrundlagen (Amtliches Liegenschaftskatasterinformationssystem ALKIS Bodeninformationen Luftbilder Nutzung etc) verschneiden und fachlich interpretieren (zB Erstellung von Starregen Gefahrenkarten) Oftmals werden die Simulationsmodelle als aufgesetzte bdquoFachschaltenldquo zu GIS-Systemen realisiert
Diese Tatsache macht es unumgaumlnglich die Komposit-Radarniederschlagsdaten auf ein GIS-System kompatibles Format mit geeigneter Projektion (zB Gauszlig-Kruumlger- oder UTM-Projektion) zu uumlberfuumlhren
Die fuumlr die DWD ndashRADOLAN-RW-Komposit-Radarniederschlagsdaten verwendete polarstereographische Projektion (siehe [5]) ist fuumlr die derzeitigen Anwendungen geeignet Man betrachtet und beurteilt groszligraumlumige Wetterlagen uumlber Staats- Bundeslandgrenzen hinweg
Fuumlr eine Simulation von kleinraumlumigen Starkregenereignissen und eine fachliche Verschneidung der Simulationsergebnisse mit weiteren Daten eignet sich die polarstereographische Projektion jedoch nicht
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In [33 Kapitel 5] werden die Probleme beim Georeferenzieren der DWD-RADOLAN-Komposite ausfuumlhrlich erlaumlutert
Arbeitsziel unterstuumltzt durch Studienarbeiten Entwurf und Umsetzung eines Werkzeugs zur Transformation und Projektion der DWD-RADOLAN-RW und RY-Komposit-Radarniederschlagsdaten in Gauszlig-Kruumlger undoder UTM-Projektion
Innerhalb des HLUG sollte eine Diskussion zur Festlegung einheitlicher Projektionen fuumlr kuumlnftige wasserwirtschaftliche Projekte im Land Hessen stattfinden
Waumlhrend die in Gauszlig-Kruumlger- oder UTM transformierten Radarniederschlagsdaten in einem Raster von ca 1km x 1km vorliegen koumlnnen die Simulationsmodelle (vgl Abschnitt 0) je nach gewaumlhlten Randbedingungen deutlich kleinere Rasterweiten (zB 5m x 5 m bis 100 m x 100m) verwenden
Fuumlr eine Simulation muss ein gemeinsames Rasters definiert und alle Datengrundlagen in dieses Raster uumlberfuumlhrt werden
Uumlberlagerung eines Transformierten RADOLAN Raster mit Gauszlig-Kruumlger oder UTM Raster
Gauszlig-Kruumlger oder UTM transformiertes RADOLAN Raster (schiefes Veireck 950x950 m)
zur Simulation verwendetes Raster
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Arbeitsziel unterstuumltzt durch Studienarbeit Entwurf und Umsetzung eines GIS Werkzeugs zur Aufbereitung der DWD-RADOLAN-Komposit-Raster zur Simulation von Starkregen in kleinen Einzugsgebieten
23 Auswertung der RADOLAN Radarniederschlagsdaten des DWD
Wie in Abschnitt 2 erlaumlutert koumlnnen die Zugrichtung und die Zuggeschwindigkeit einer konvektiven Starkregenfront Starkregenzelle die Einwirkungsintensitaumlt in einem Niederschlagseinzugsgebiet entscheidend beeinflussen Die Abmessungen der Starkregenfront Starkregenzelle in Verbindung mit der Zuggeschwindigkeit sowie die Regendauer koumlnnen im unguumlnstigen Fall mit der Konzentrationszeit im Niederschlagseinzugsgebiet zusammenfallen und zu einer entscheidenden Verschaumlrfung des Wellenscheitels fuumlhren
Unter der Voraussetzung dass die in Abschnitt 22 beschriebenen Werkzeuge erstellt worden sind sollen nun mit deren Hilfe die historischen RADOLAN Radarniederschlagsdaten ausgewertet werden
Identifizieren von Starkregenfronten Starkregenzellen Hierfuumlr sind Identifikationskriterien zu erarbeiten
Einordnung des Wiederkehrintervalls der Starkregenfront Starkregenzelle (Dauer und Niederschlagsmenge) mit Hilfe der DWD KOSTRA2000-Auswertung
Identifikation und Digitalisierung des Intensitaumltsschwerpunktes der jeweiligen Starkregenfront
Zeitliche Entwicklung der Intensitaumltsverteilung innerhalb der Starkregenfront
Fuumlr jede identifizierte Starkregenfront Starkregenzelle sollen in Abhaumlngigkeit der JahreszeitWetterlage folgende Parameter ermittelt und statistisch ausgewertet werden
Digitalisierung der Abmessungen (Laumlngenausdehnung Breitenausdehnung) und der Form (Laumlngen-Breitenverhaumlltnis oder Flaumlche-Umfangverhaumlltnis)
Digitalisierung der Zugrichtung (Zugbahn Zugtrajektorie) und Zuggeschwindigkeit (im Schwerpunkt der Intensitaumlt)
Darstellung der Abmessungen der Zugrichtungen und Zugbahnen in Karten und Uumlberlagerung mit dem digitalen Gelaumlndemodell
Auf diese Weise koumlnnen eventuell Starkregenschwerpunkte (-regionen) in Hessen identifiziert und in Karten dargestellt werden
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Arbeitsziel unterstuumltzt durch Studienarbeit(en) Auswertung historischer RADOLAN Radarniederschlagsdaten des DWD
24 Praxisseminar Kolloquium bdquoVerwendung von Radardaten zur Simulation von Starkregen Sturzfluten in Hessenldquo
In Zusammenarbeit mit dem Wissenschaftsforum Umwelt und der Weiterbildungsplattform NATURUMWELTTECHNIK (NUT) der Hochschule RheinMain sollen in einem 1-taumlgigen Praxisseminar die Moumlglichkeiten zur Nutzung von Radarniederschlagsdaten zur Simulation von Starkregen Sturzfluten vorgestellt werden
Zielgruppe Ingenieurhydrologen Hydrologen Ingenieurbuumlros (Modellierer) und andere am Thema Interessierten
Die Organisation uumlbernimmt die Weiterbildungsplattform NUT der Hochschule RheinMain Die fachliche Koordination ist durch Prof Dr Ernesto Ruiz Rodriguez und Frau BEng Lisa Trost gesichert Eine partnerschaftliche Koordination durch das HLUG und den DWD ist moumlglich und wird ausdruumlcklich erwuumlnscht
3 Arbeitspaket 2 Uumlberpruumlfung und Anpassung von Modellansaumltze zur Ermittlung des abflusswirksamen Niederschlages bei Starkregen
Unter dem abflusswirksamen (effektiven) Niederschlag versteht man den Anteil des Niederschlages der in einem Einzugsgebiet unmittelbar nach dem Niederschlagsereignis als Direktabfluss wirksam wird
Zu Beginn des Niederschlagsereignisses sind die Verluste idR besonders groszlig (Benetzung der der Vegetationsdecke und Muldenverluste) Bei Starkregen werden diese Speicherraumlume jedoch schnell gefuumlllt und die hohen Niederschlagsintensitaumlten uumlbersteigen oft die Infiltrationsfaumlhigkeit des Bodens und es kommt zum Oberflaumlchenabfluss (vgl auch Abschnitt 4)
Insofern spielt besonders bei Starkregen der Anteil an abflusswirksamen Oberflaumlchenabfluss eine entscheidende Rolle Dieser bildet gemeinsam mit dem oberflaumlchennahen Interflow in der belebten Bodenzone den Hauptanteil am sog abflusswirksamen Niederschlag
Der in der Ingenieurhydrologie am haumlufigsten verwendete Modellansatz zur Ermittlung des abflusswirksamen Niederschlags ist der Ansatz des Abflussbeiwertes Er wird sowohl in der Urbanhydrologie (Kanalnetzberechnung) als auch
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bei der Modellierung von Niederschlags-Abfluss-Prozessen (NA-Modellierung) auf natuumlrlichen Flaumlchen eingesetzt
Abflussbeiwert-Ansaumltze
)()()(
)()(
)(
)(
tititi
titi
ti
ti
vw
w
w
Ψ ndash Abflussbeiwert [-]
i(t) ndash Niederschlagsintensitaumlt [mmh]
iw(t) ndash wirksame Niederschlagsintensitaumlt [mmh]
a) konstanter Abflussbeiwert Ψ
b) Konstanter Abflussbeiwert Ψ mit Anfangsverlust hva
Der Anfangsverlust hva wird durch die Mulden- und Benetzungsverluste begruumlndet
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c) Zeitvarianter Abflussbeiwert Ψ mit oder ohne Anfangsverlust hva
In der Urbanhydrologie wird der konstante Abflussbeiwert Ψ ohne Anfangsverlust hva bei der NA-Modellierung kommt fast immer der konstante Abflussbeiwert Ψ mit Anfangsverlust hva zum Einsatz
Liegen Niederschlags- und Abflussaufzeichnungen des Direktabflusses QD(t) vor und ist der Verlauf des Basisabflusses QB(t) bekannt so kann der Abflussbeiwert Ψ aus der Volumen-Massenbilanz ermittelt werden Der Anfangsverlust hva wird in der Regel mit 3 bis 4 mm Niederschlagshoumlhe geschaumltzt Der gefallene effektive Niederschlag iw(t)=Ψ i(t) findet sich im Direktabfluss QD(t) oberhalb des Basisabflusses QB(t)
RE
RA
w
e
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t
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DQ VdttiAdttQV )()(
0
Liegen keine Niederschlags undoder Pegelaufzeichnungen vor wird in der Ingenieurpraxis der Abflussbeiwert mit Hilfe oder im Anlehnung an das SCS Verfahrens (US Soil Conversation Service der USA) ermittelt Diese Verfahren wird ua in der
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DVWK-Regel 113 beschrieben Das SCS-Verfahren unterscheidet folgende Bodentypen
Bodentyp A Boumlden mit groszligem Versickerungsvermoumlgen auch nach starker Vorbefeuchtung zB tiefe Sand- und Kiesboumlden
Bodentyp B Boumlden mit mittlerem Versickerungsvermoumlgen tiefe bis maumlszligig tiefe Boumlden mit maumlszligig feiner bis maumlszligig grober Textur zB mitteltiefe Sandboumlden Loumlszlig (schwach) lehmiger Sand
Bodentyp C Boumlden mit geringem Versickerungsvermoumlgen Boumlden mit feiner bis maumlszligig feiner Textur oder mit wasserstauender Schicht zB flache Sandboumlden sandiger Lehm
Bodentyp D Boumlden mit sehr geringem Versickerungsvermoumlgen Ton Boumlden sehr flache Boumlden uumlber nahezu undurchlaumlssigem Material Boumlden mit dauernd sehr hohem Grundwasserspiegel
BodennutzungBodentyp A B C D
Oumldland (ohne nenneswerten Bewuchs) 77 86 91 94
Hackfruumlchte Wein 70 80 87 90
Wein (Terrassen) 64 73 79 82
Getreide Futterpflanzen 64 76 84 88
Weide (normal) 49 69 79 84
Weide (kark) 68 79 86 89
Dauerwiese 30 58 71 78
Wald (stark aufgelockert) 45 66 77 83
Wald (mittel aufgelockert) 36 60 73 79
Wald (dicht) 25 55 70 77
undurchlaumlssige bzw versiegelte Flaumlchen 100 100 100 100
CN-Beiwert des SCS-Verfahrens
In Abhaumlngigkeit der Bodennutzung und des Bodentyps wird fuumlr das Niederschlagseinzugsgebiet ein flaumlchengewichteter CN-Beiwert ermittelt und der effektive Niederschlag hNE berechnet
4258800425
22004252
NN
NNNe
Ch
Chh
N
Ne
h
h
Das Originalverfahren hat Schwaumlchen und wurde mehrfach modifiziert (zB nach Oslashverland Zaiszlig und Lutz) Dabei wurde versucht den Einfluss der aktuellen Bodenfeuchte des Bodens besser zu beruumlcksichtigen Je nach Bodentyp kann diese einen groszligen Einfluss auf den effektiven Niederschlag (vgl auch Abschnitt 41) haben
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Alle diese Ansaumltze beruumlcksichtigen nicht die bei Starkregen beobachteten und in [17] beschriebenen Effekte der Bodenluftkompression die die Infiltrationsfaumlhigkeit des Porenraumes bei hohen Niederschlagsintensitaumlten mindert und somit den Anteil des Oberflaumlchenabflusses erhoumlht
Arbeitsziel unterstuumltzt durch Studienarbeit Uumlberpruumlfung und Anpassung der Modelansaumltze zur Ermittlung des abflusswirksamen Niederschlages bei Starkniederschlaumlgen unter besonderer Beruumlcksichtigung von Bodenfeuchte und Bodenluftkompressionseffekten
Die Verwendung der Radarniederschlagsdaten macht es moumlglich die zeitliche und raumlumliche Niederschlagsverteilung im Einzugsgebiet zu betrachten Da die Niederschlagsintensitaumlten und -mengen im Einzugsgebiet variieren werden sich demzufolge raumlumlich verteilte Abflussbeiwerte ergeben Die oben beschriebenen Ansaumltze zur Ermittlung des abflusswirksamen Oberflaumlchenabflusses muumlssen daraufhin angepasst und ggf weiterentwickelt werden
Arbeitsziel unterstuumltzt durch Studienarbeit Uumlberpruumlfung und Anpassung der Modelansaumltze zur Ermittlung des abflusswirksamen Niederschlages bei raumlumlich und zeitlich sich veraumlndernden Starkniederschlaumlgen
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4 Arbeitspaket 3 Uumlberpruumlfung und Anpassung der hydraulischen Ansaumltze zur Berechnung des Oberflaumlchenabflusses bei Starkregen Sturzfluten an steilen Haumlngen
Beim Oberflaumlchenabfluss muss zwischen dem klassischen Oberflaumlchenabfluss nach Horton (1933) und dem Saumlttigungsoberflaumlchenabfluss unterschieden werden
Der Oberflaumlchenabfluss nach Horton entsteht durch einen Infiltrationsuumlberschuss Die Niederschlagsintensitaumlt ist houmlher als die Infiltrationskapazitaumlt der Boumlden und das nicht infiltrierte Niederschlagswasser flieszligt dann in Fallrichtung auf der Hangoberflaumlche ab
Der Saumlttigungsoberflaumlchenabfluss setzt dann ein wenn der Boden seine maximale Wassersaumlttigung erreicht hat dh das Porenvolumen vollstaumlndig mit Wasser gesaumlttigt ist Bei diesem Abfluss tritt haumlufig Wasser aus einem vergangenen Ereignis wieder aus dem Boden aus (Exfiltration) und vermischt sich mit dem Niederschlag des aktuellen Ereignisses
Im Folgenden wird zunaumlchst nur die Einphasenstroumlmung des Oberflaumlchenwassers betrachtet der Bewegungsbeginn und der Transport von Teilen der Bodenmatrix (Erosion) werden nicht analysiert Der Massentransport koumlnnte nachdem die Bewegungsgleichungen der Einphasenstroumlmung in steilen Haumlngen verifiziert oder korrigiert wurden in spaumlteren Arbeitsschritten betrachtet werden
Fuumlr die Simulation des Oberflaumlchenabflusses an Steilhaumlngen werden aktuell dieselben Ansaumltze verwendet wie zur Berechnung des Oberflaumlchenabflusses auf flachen Uumlberflutungsflaumlchen in Gewaumlssern und auf Auen Die dabei erzielten Ergebnisse scheinen so plausibel sodass die verwendeten Modelle bislang noch nicht hinterfragt wurden Und das obwohl die geometrischen und hydraulischen Randbedingungen an steilen Hanglagen sich von denen auf flachen Uumlberflutungsflaumlchen stark unterscheiden
In diesem Zusammenhang verglich beispielsweise Herr Dipl-Ing Klaus Schmalzl des Wasserwirtschaftsamtes Rosenheim in seinem Vortrag bdquoSturzfluten hydrodynamisch numerisch mit HYDRO_AS-2D berechnenldquo [38] den er im Rahmen des Treffens der Anwender des 2D-Hydrodynamik-Programms HYDRO_AS-2D der Fa Hydrotec am 11Okt 2014 in Muumlnchen hielt das Programm HYDRO_AS-2D welches eigentlich fuumlr die 2-Dimensionale Simulation in Gewaumlssern entwickelt worden ist mit einem bdquoSchweizer Messerldquo welches als Symbol fuumlr einen vielseitigen Einsatz steht
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In Kongress INTERPRAEVENT 2012 in Grenoble [25] wurde bdquoEin neuer Ansatz zur Modellierung von Oberflaumlchenabflussldquo vorgestellt In der Zusammenfassung
bdquoOberflaumlchenabfluss wird als der Teil des Niederschlags verstanden welcher einem Vorfluter uumlber die Bodenoberflaumlche unmittelbar zufliesst Auswertungen von Unwetterereignissen in den letzten Jahren in der Schweiz haben gezeigt dass bis zu 50 der durch Wassergefahren verursachten Schadenfaumllle durch Oberflaumlchenabfluss verursacht worden sind Dennoch ist Oberflaumlchenabfluss in der Schweiz kaum in den Gefahrenkartierungsprozess integriert Um diese Luumlcke zu fuumlllen wurde auf der Basis der Software FloodArea eine Methode entwickelt welche eine Modellierung von Oberflaumlchenabfluss mit einheitlichen Kriterien uumlber grosse Gebiete erlaubt In dieser Studie werden die Methodenentwicklung und zwei Fallstudien vorgestellt Die Resultate zeigen dass an den Raumlndern von Siedlungsflaumlchen und im Landwirtschaftsland gute Ergebnisse erzielt werden Potenziell gefaumlhrdete Gebaumlude oder Bauparzellen werden erkannt Innerhalb von Siedlungsgebieten sind die Differenzen zu realen Ereignissen groumlsser Daher liegt der Fokus von Folgearbeiten auf einer weiteren Verbesserung der Genauigkeit des Gelaumlndemodells und der Integration von zusaumltzlichen Strukturen (zB Kleinbauten) welche Fliesswege entscheidend beeinflussen koumlnnenldquo aus [25]
wird auf die Software FloodArea der Fa Geomer Heidelberg verwiesen
FloodArea und auch HYDRO_AS-2D sind Beispiele von in der Praxis verwendeten Programmen zur Berechnung von Wasserspiegellagen in Gewaumlssern und zur 2-D Uumlberflutungssimulation auf Auen Wie das nachfolgende Bild zeigt sind die mit FloodArea erzielten Simulationsergebnisse plausibel
Oberflaumlchenabflussmodellierung in Busswil (Kanton Bern Schweiz) aus [25]
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Der Verfasser dieser Projektskizze selbst hat in Zusammenarbeit mit der Fa Geomer in Heidelberg die hydraulischen Kernroutinen fuumlr das Programm FloodArea entwickelt und ist daher in der Lage deren Einsatzgrenzen gut beurteilen zu koumlnnen
41 Korrektur der Flieszligformeln zur Simulation des Oberflaumlchenabflusses an steilen Haumlngen
Die nachfolgende Tabelle zeigt die unterschiedlichen Auspraumlgungen von wichtigen hydraulischen und geometrischen Randbedingungen fuumlr den steilen Oberflaumlchenabfluss und fuumlr die Wasserausbreitung auf den vergleichsweise flachen Gewaumlsserauen
Parameter Auspraumlgung
Gewaumlsser und Aue Steile Hanglage
Gefaumllle klein permil bis 10
groszlig 5 bis uumlber 100
Wassertiefe groszlig Dezimeter bis mehrere Meter
klein Duumlnnfilmabfluss bis Dezimeter
Betrachten wir zunaumlchst ein Fluidelement 119889119909 times ℎ times 119880 auf einer steilen Hangflaumlche mit dem Hangneigungswinkel β und formulieren in x- Richtung das Kraumlftegleichgewicht zwischen der hangabwaumlrts treibenden Kraft
119866 times sin 120573 = 119889119909 times ℎ times 119880 times 120588 times 119892 times sin 120573 und der Hangreibungskraft T
119879 = 120591 times 119880 times 119889119909 Man erhaumllt so den bekannten Ansatz fuumlr die Schleppspannung
120591 auf einer Hangflaumlche
120591 = 120588 times 119892 times119860
119880times sin 120573 [
119873
1198982]
dx
Q
vdx cosszlig
h
G
G sinszlig
T
U
Ah
szlig
x
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Mit dem in der turbulenten Hydraulik uumlblich verwendeten Ansatz
120591 =120582
81199072 [
119873
1198982]
ergibt sich die Flieszligformel fuumlr den Oberflaumlchenabfluss
119907 =1
radic120582times radic8 times 119892 times
119860
119880times 119904119894119899 120573 [
119898
119904]
mit
v - mittl Flieszliggeschwindigkeit [ms]
1
radic120582 - Reibungskoeffizient [-]
g - Erdbeschleunigung [mssup2]
A - Abflussquerschnitt [msup2]
U - benetzte Sohle [m]
β - Hangneigungswinkel [Grad]
Da in der Flusshydraulik die Neigungswinkel der Gewaumlssersohlen deutlich kleiner sind als die Neigungswinkel steiler Hanglagen werden die Flieszligformeln vereinfach
119907 =1
radic120582times radic8 times 119892 times
119860
119880times 119868119864
Anstelle des 119904119894119899 120573 wird das Gefaumllle IE verwendet Dh
119904119894119899 120573 = 120573 oder 119904119894119899 120573 = 119905119886119899 120573 = 119868119864
mit
IE - Sohlgefaumllle [minuspermil]
Fuumlr Gefaumllle bis 20 oder 113 Grad Neigung ist diese Vereinfachung vertretbar und liefert gute Ergebnisse Ab Neigungen groumlszliger 20 darf diese Vereinfachung nicht mehr angesetzt werden Bei einer Hangneigung mit 45 Grad oder IE=1=100 Gefaumllle weichen die Ergebnisse fuumlr die Flieszliggeschwindigkeit um 16 ab
radic1 = 1 radic119904119894119899 45 = 07071 = 084 119865119890ℎ119897119890119903 =1minus084
1times 100 = 16
Bei aktuellen Simulationen werden diese Fehler manchmal auch aus Unkenntnis hingenommen oder mit Hilfe des Reibungskoeffizienten der Oberflaumlchen versucht zu korrigieren
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42 Versuchseinrichtung zur Uumlberpruumlfung und Anpassung der Flieszligformeln zur Simulation des Oberflaumlchenabflusses an steilen Haumlngen
Auf dem Gelaumlnde des Wasserbaulaboratoriums der Hochschule RheinMain soll im naumlchsten Sommersemester 2015 eine Versuchseinrichtung zur Simulation von Oberflaumlchenabfluss auf Hanglagen bis 45deg (11 100) errichtet werden
Es soll eine kippbare Versuchsrinne mit einer Breite von 10 m einer Houmlhe von 026 m und einer Laumlnge von 63 m errichtet werden (vgl auch Anlage 1) Zur vertikalen Regensimulation soll uumlber der Versuchsrinne eine Beregnungsanlage mit schwenkbaren Duumlsen angebracht werden
Kipprinne zur Simulation von Oberflaumlchenabfluumlssen an steilen Haumlngen vgl Anlage 1
In einer ersten Phase sollen die in Abschnitt 41 diskutierten hydraulischen Ansaumltze in Versuchen verifiziert werden Hierbei gilt es besonders zu uumlberpruumlfen ob bei sehr kleinen Abflusstiefen (Duumlnnfilmabfluss) die Oberflaumlchenspannung der Wassers bei den Bewegungsgleichungen von Bedeutung ist
Fuumlr die Versuchsreihen koumlnnen die Beregnungslaumlnge die Niederschlagsintensitaumlt und der Neigungswinkel der Versuchsrinne variiert werden
Arbeitsziel unterstuumltzt durch Studienarbeit Uumlberpruumlfung und Anpassung der Flieszligformeln zur Simulation des Oberflaumlchenabflusses an steilen Haumlngen
In einer spaumlteren Versuchsphase soll SohlsubstratBoden eingebracht werden um mit oder ohne kuumlnstlichen Bewuchsstrukturen verschiedene Hangrauheiten simulieren zu koumlnnen Dies soll zur Klaumlrung des Erosionsbeginns der Bodenmatrix beitragen
1000 cm
260 cm
Sohlsubstrat zur Aufnahmevon kuumlnstlichen Bewuchsstrukturen
Beregnungsanlage mit schwenkbaren Duumlsen zurvertikalen Regensimulation
Wasserkoumlrper desOberflaumlchenabflusses
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5 Arbeitspaket 4 Instationaumlre 2ndashdimensionale Modellierung des Oberflaumlchenabflusses bei Starkniederschlaumlgen
Um dem Programmieraufwand im Rahmen des Projektes so gering wie moumlglich zu halten wird vorgeschlagen das Programm Floodarea der Fa Geomer Heidelberg welches sich bisher in der Praxis bewaumlhrt hat als Basis fuumlr die Simulationen zu verwenden FloodArea ist ein vollstaumlndig in ArcGISreg integriertes 2D-Modell zur Berechnung von Uumlberschwemmungsflaumlchen Wie in Abschnitt 4 bereits erwaumlhnt war der Verfasser dieser Skizze in die Erarbeitung der hydraulischen Kernroutinen dieser Software involviert und kann insofern ihre Einsatz- und Anpassungsmoumlglichkeiten sehr gut abschaumltzen Eine Abstimmung mit Herrn Dr Assmann von der Fa Geomer erfolgte vor dem Verfassen dieser Projektskizze
Folgende Anpassungen bzw Erweiterungen des Programms sollen realisiert werden
Schnittstelle zu den DWD-Radarniederschlagsdaten um die 5-minuumltigen RADOLAN RY-Komposite fuumlr eine instationaumlre 2-dimensionale Modellierung des Oberflaumlchenabflusses verwenden zu koumlnnen(vgl Abschnitt 2)
Einarbeitung der angepassten und erweiterten Ansaumltze zur Ermittlung des abflusswirksamen Niederschlages bei Starkregen
Einarbeitung der uumlberarbeiteten hydraulischen Ansaumltze fuumlr den Oberflaumlchenabfluss in steilen Hanglagen
Fuumlr die in Abschnitt 7 vorgeschlagenen Pilot-Einzugsgebiete sollen fuumlr ausgesuchte Starkregenereignisse (Regensammlung vgl Abschnitt 22) Simulationen des Oberflaumlchenabflusses durchgefuumlhrt werden
Die Ergebnisse dieser Simulationen sollen die hydraulische Grundlage fuumlr die in Abschnitt 6 beschriebenen Starkregen-Gefahrenkarten bilden
Folgende Datengrundlagen sind in die Simulationen des Oberflaumlchenabflusses zu intergrieren
Radarniederschlagsdaten (vgl Abschnitt 2)
ein hoch aufgeloumlstes digitales Gelaumlndemodell aus Laserscandaten Bereits durchgefuumlhrte Simulationen des Landes Baden Wuumlrttemberg im Einzugsgebiet der Starzel und [25] zeigen dass der Einfluss von Kleinstrukturen und Hindernissen (Mauern Graumlben Strassendammprofile) auf den Verlauf des Abflussgeschehens einen groszligen Einfluss haben koumlnnen
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Diese Kleinstrukturen werden allerdings durch das digitale Gelaumlndemodell nicht immer vollstaumlndig abgebildet Ggf muumlssen die Kleinstrukturen nachdigitalisiert werden um das digitale Gelaumlndemodell bdquohydraulischldquo zu vervollstaumlndigen
Gewaumlssernetz
Nutzungsmodell (zB ATKIS ALKIS CORINE LAND COVER) ggf mit Luftbildaufnahmen zur Verifizierung und Praumlzisierung der Nutzung und zur Ermittlung der Bearbeitungsrichtung bei landwirtschaftlichen Flaumlchen Hydraulisch nicht aktive Gebaumludeflaumlchen muumlssen bdquomarkiertldquo werden damit die Simulation an einer moumlglichst reellen Oberflaumlchengeometrie durchgefuumlhrt werden kann
Bodenkarte
Informationen uumlber die Bodenfeuchte oder Betrachtung der Regenmengen in den letzten 30 Tagen
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6 Arbeitspaket 5 Erarbeitung von Starkregen Gefahrenkarten fuumlr das Land Hessen
Wie im einfuumlhrenden Abschnitt 1 erlaumlutert muumlssen aufgrund der zu kurzen Vorwarnzeiten in kleinen Einzugsgebieten die Flaumlchen- und Bauvorsorge intensiviert werden um Schaumlden durch Starkregen und Sturzfluten mindern zu koumlnnen Die dazu notwendigen Informationen uumlber die in dieser Hinsicht gefaumlhrdeten Flaumlchen und deren Nutzung muumlssen bei der angepassten kommunalen Planung beruumlcksichtigt werden Flaumlchennutzungs- und Bebauungsplaumlne sind auf die topographischen Gegebenheiten und auf die Abflusseigenschaften des Gebietes bei Starkregen abzustimmen
Starkregen Hinweis- oder Starkregen Gefahrenkarten koumlnnen als Ergaumlnzung zu den mittlerweile bundesweit eingefuumlhrten Hochwassergefahrenkarten diese Informationen bereitstellen
Die im Folgenden verwendeten Begriffe
Starkregen-Hinweiskarte
Starkregen-Gefahrenkarten oder Flieszligpfadkarten
sind vorlaumlufige Benennungen Wie auch bei den Hochwassergefahrenkarten muss die LAWA fuumlr eine bundesweit einheitliche Benennung Sorge tragen
Aus der Sicht der Verfasser wird ein zweistufiges Vorgehen empfohlen
1 Identifikation der potentiell gefaumlhrdeten Hangflaumlchen und die Erstellung von Starkregen Hinweiskarten
2 Simulation des Oberflaumlchenabflusses der potentiell gefaumlhrdeten Flaumlchen und Erstellung von Starkregen Gefahrenkarten oder Flieszligpfadkarten
Eine flaumlchendeckende Simulation des Oberflaumlchenabflusses im betrachteten Projektraum sollte aufgrund der dabei entstehenden Projekt- bzw Ingenieurkosten uumlberdacht werden
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(Stufe 1) Identifikation der potentiell gefaumlhrdeten Hangflaumlchen und die Erstellung von Starkregen Hinweiskarten
Es wird vorgeschlagen in einem ersten Schritt den betrachteten Projektraum flaumlchendeckend auf potentiell gefaumlhrdete Hangflaumlchen zu untersuchen
Dazu sollen die Gelaumlndeneigung die Bodennutzung sowie die Lage der steilen Hangflaumlchen zu den schadensempfindlichen Flaumlchen (zB Siedlungsgebiete) fachlich miteinander verknuumlpft werden
Beispielsweise lassen sich auf Grundlage der folgenden fachlich begruumlndeten Matrix mit Hilfe der GIS Werkzeuge die potentiell gefaumlhrdeten Hangflaumlchen leicht identifizieren
Gruumlnland Ackerland
Gelaumlndenutzung Gelaumlndeneigung
Be
arb
eitu
ng
que
r zur
Fallr
ich
tun
g
Be
arb
eitu
ng
in
Fallr
ich
tun
g
kleiner 5 nicht
gefaumlhrdet wenig
gefaumlhrdet
5 bis 10 maumlszligig
gefaumlhrdet
10 bis 20 maumlszligig
gefaumlhrdet
groszliger 20 stark
gefaumlhrdet sehr stark gefaumlhrdet
sehr stark gefaumlhrdet
Liegen unterhalb stark oder maumlszligig gefaumlhrdeter Flaumlchen Siedlungsgebiete oder sind in den gefaumlhrdeten Flaumlchen Siedlungsentwicklungen geplant ist eine detaillierte Untersuchung des Oberflaumlchenabflusses erforderlich (Stufe 2)
Die bislang verwendeten Kriterien zur Einschaumltzung den potentiell betroffenen Flaumlchen sollten uumlberpruumlft und weiterentwickelt werden
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Beispiel fuumlr eine Starkregen-Hinweiskarte Stadt Nidderau
(Stufe 2) Simulation des Oberflaumlchenabflusses der potentiell gefaumlhrdeten Flaumlchen und Erstellung von Starkregen Gefahrenkarten oder Flieszligpfadkarten
Fuumlr die in Stufe 1 identifizierten gefaumlhrdeten Flaumlchen ist in der zweiten Stufe der Oberflaumlchenabfluss zu simulieren Je nach Groumlszlige des zu betrachtenden Niederschlagseinzugsgebietes oberhalb der gefaumlhrdeten Siedlungsflaumlchen und Infrastrukturen muumlssen aus der Regensammlung (vgl Abschnitt 22) konvektive Ereignisse geeigneter Dauer ausgewaumlhlt werden
Aus der instationaumlren 2D-Simulation erhaumllt man fuumlr definierte Zeitpunkte nach dem Beginn des Niederschlages folgende fuumlr das gewaumlhlte Berechnungsraster raumlumlich aufgeloumlste hydraulisch relevante Grundinformationen
Ist die Flaumlche benetzt (janein)
Wasserstand (bdquoUumlberflutungshoumlheldquo) auf der Flaumlche
Flieszligrichtung und Flieszliggeschwindigkeit auf der Flaumlche
Diese hydraulischen Grundinformationen muumlssen aufbereitet fachlich interpretiert und auf geeignete Weise dargestellt werden
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Letztlich geht es darum die Frage zu klaumlren welche Fachinformationen eine Starkregen-Gefahrenkarte beinhalten sollte
Aus der Sicht der Verfasser sollten in den Gefahrenkarten folgende hydraulische Informationen enthalten sein
Abflussrinnen und Flieszligpfade auf den Hangflaumlchen (Vervollstaumlndigung des Gewaumlssernetzes gegen Flieszligrichtung vgl auch Bild Abschnitt 4 Seite 21)
Starkregen-Gefahrenkarte mit Flieszligpfaden und Flieszligrichtung aus BWK [1]
Wassertiefenentwicklung entlang der Flieszligpfade
Flieszliggeschwindigkeiten entlang der Flieszligpfade
Diese Fachinformationen sollten zusammen mit einem fuumlr den Nutzer geeigneten Kartenhintergrund (Luftbildaufnahmen ALK topographische Karte etc) visualisiert werden
Im Rahmen der Bearbeitung der vorgeschlagenen Pilot-Einzugsgebiete (siehe Abschnitt 7) sind geeignete Inhalte und Darstellungsmoumlglichkeiten fuumlr Starkregen-Gefahrenkarten zu entwickeln
Wie auch bei den Hochwassergefahrenkarten sollte die LAWA fuumlr bundesweit einheitliche Standards der Starkregen-Gefahrenkarten Sorge tragen
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7 Arbeitspaket 6 Modell- Pilotprojekt bdquoUmgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessenldquo
In einem letzten Arbeitsabschnitt sollen anhand ausgesuchter Einzugsgebiete mit Hilfe des in Abschnitt 6 vorgeschlagenen Vorgehens Starkregen-Hinweiskarten und Starkregen-Gefahrenkarten erstellt werden
Die Verwendung von Niederschlagsdaten aus Radarbeobachtungen (vgl Abschnitt 1) und der Einsatz des verbesserten Simulationsmodells (vgl Abschnitte 3 und 4) werden gegenuumlber der heutigen Praxis bessere fachliche Informationen zur Bewaumlltigung von Starkregen-Gefahrenlagen bereitstellen koumlnnen
Folgende Pilot-Einzugsgebiete in hessischen Rheingau werden zur Auswahl gestellt
Walluf (AE=281 kmsup2) Die Walluf besitzt einen Pegel (Martinsthal AE=245 kmsup2 36 km oberhalb der Muumlndung) im Einzugsgebiet An der Hochschule RheinMain steht ein Niederschlags-Abfluss Modell der Walluf zur Verfuumlgung
Erbbach Kisselbach (AE= 106 kmsup2)
Pfingstbach (AE= 84 kmsup2)
Stegbach Blaubach (AE= 127 kmsup2)
Der Hochwasserrisikomanagementplan Rheingau steht zurzeit in der oumlffentlichen Abstimmung und wird im Laufe 2015 fertig gestellt werden Nach Aussage von Frau Tremper des Regierungspraumlsidiums Darmstadt Abteilung IVWi 412 waumlre eine Ergaumlnzung des HWRM-PL Rheingau durch Starkregen-Hinweis- und -Gefahrenkarten der Rheingaubaumlche hilfreich Diese wuumlrden die im HWRM-PL Rheingau betrachteten Rhein-Hochwasserszenarien ergaumlnzen
Arbeitsziel unterstuumltzt durch Studienarbeiten Erstellung von Niederschlags- Abfluss Modellen fuumlr die Rheingaubaumlche Erbach Kisselbach Pfingstbach Stegbach Blaubach
Bei der Erstellung der Starkregen-Hinweiskarten und Starkregen-Gefahrenkarten fuumlr die Pilot-Einzugsgebiete sollen die in Abschnitt 6 weiterentwickelten Ansaumltze erprobt und die Karteninhalte mit den spaumlteren Nutzern diskutiert werden Dabei sollen insbesondere die Kartendarstellung und deren Inhalte den jeweiligen fachlichen Beduumlrfnissen entsprechen
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8 Literatur und Quellen
[1] Bund der Ingenieure fuumlr Wasserwirtschaft Abfallwirtschaft und Kulturbau (BWK) eV (Hrsg)(2013) Starkregen und urbane Sturzfluten Praxisleitfaden zur Uumlberflutungsvorsorge BWK-Fachinformation Ausgabe Juli 2013 Band 12013 Sindelfingen
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Projektskizze Umgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessen (Arbeitstitel) Januar 2015 Seite 33
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9 Allgemeine Informationen Zeitplan und Ressourcen
91 Allgemeine Informationen
Antragsteller Prof Dr-Ing Ernesto Ruiz Rodriguez Wasserbaulaboratorium am Fachbereich Architektur und Bauingenieurwesen Hochschule RheinMain Kurt-Schumacher-Ring 18 65197 Wiesbaden
Projektbearbeiter Arbeitsgruppe bdquoStarkregen und Sturzflutenldquo am Wasserbaulaboratorium Prof Dr-Ing Ernesto Ruiz Rodriguez (Projektleitung) BEng Lisa Trost (Projektbearbeitung) Frank Salffner (Vermessungstechniker Laborant am Wasserbaulaboratorium und in der EDV- Arbeitsgruppe des Fachbereichs) Die Arbeitsziele werden durch Studienarbeiten des Master- Studienganges bdquoUmweltmanagement und Stadtplanung in Ballungsraumlumenldquo (UMSB) unterstuumltzt
Partnerschaften Kooperationspartner Prof Dr Ralf Doumlrner Hochschule RheinMain
FG Graphische Datenverarbeitung und Virtuelle Realitaumlt Prof Dr Robert Seuszlig Fachhochschule Frankfurt FG Geoinformation und Kommunaltechnik Berufsfeuerwehr Wiesbaden Dr Andreacute Assmann Fa Geomer Heidelberg
gewuumlnschte Zusammenarbeit Deutscher Wetterdienst Abt Hydrometeorologie Projektdauer 4 Jahre (vgl 92 Zeitplan) Eigenmittel Projektleitung durch Prof Dr E Ruiz Rodriguez
Nutzung der Einrichtungen des Wasserbaulaboratoriums der Hochschule RheinMain Unterstuumltzung bei Laborarbeiten und EDV Infrastruktur durch Frank Salffner
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92 Zeitplan
1
Jah
r
2
Jah
r
3
Jah
r
4
Jah
r Bemerkung
Arbeitspaket 1 Verwendung von Radardaten zur Simulation von Starkregen Sturzfluten fuumlr kleine Einzugsgebiete
Beginn der Arbeiten
Klaumlrung der Verfuumlgbarkeit von Radarniederschlagsdaten (fuumlr Modellierer Ingenieurbuumlros)
Aufwand zur Nutzung und Aufbereitung von Radarniederschlagsdaten fuumlr Modellierer Ingenieurbuumlros Erstellung eines Werkzeugs zur Visualisierung der archivierten und aktuellen Radarniederschlagsdaten Erstellung eines Werkzeugs zur Transformation und Projektion der DWD-RADOLAN-RW und RY-Komposit-Radarniederschlagsdaten in Gauszlig-Kruumlger undoder UTM-Projektion Erstellung eines GIS Werkzeugs zur Aufbereitung der DWD-RADOLAN-Komposit-Raster zur Simulation von Starkregen in kleinen Einzugsgebieten
1 Berichterstattung Arbeitspaket 1 (Teil 1)
Auswertung der RADOLAN Radarniederschlagsdaten des DWD
Praxisseminar Kolloquium bdquoVerwendung von Radardaten zur Simulation von Starkregen Sturzfluten in Hessenldquo
Arbeitspaket 2 Uumlberpruumlfung und Anpassung von Modellansaumltze zur Ermittlung des abflusswirksamen Niederschlages bei Starkregen
Uumlberpruumlfung und Anpassung der Modellansaumltze zur Ermittlung des abflusswirksamen Niederschlages bei Starkniederschlaumlgen unter besonderer Beruumlcksichtigung von Bodenfeuchte und Bodenluftkompressionseffekten
Arbeitspaket 3 Uumlberpruumlfung und Anpassung der hydraulischen Ansaumltze zur Berechnung des Oberflaumlchenabflusses bei Starkregen Sturzfluten an steilen Haumlngen
Bau der Versuchsrinne am Wasserbaulaboratorium Durchfuumlhrung und Auswertung der Versuche Uumlberpruumlfung und Anpassung der hydraulischen Ansaumltze zur Berechnung des Oberflaumlchenabflusses
2 Berichterstattung Arbeitspaket 2 und Arbeitspaket 3 (Teil1)
Arbeitspaket 4 Instationaumlre 2ndashdimensionale Modellierung des Oberflaumlchenabflusses bei Starkniederschlaumlgen
Anpassen des 2-dimensionallen Modelles auf instationaumlre Niederschlagsfronten Schnittstelle zu DWD RADOLAN Komposite Einarbeiten der verbesserten Ansaumltze zu Berechnung des abflusswirksamen Niederschlages bei Starkniederschlaumlgen Einarbeiten der verbesserten hydraulischen Ansaumltze
wird fortgesetzt
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1
Jah
r
2
Jah
r
3
Jah
r
4
Jah
r Bemerkung
Arbeitspaket 5 Erarbeitung von Starkregen Gefahrenkarten fuumlr das Land Hessen
Uumlberpruumlfen und Anpassung von fachlichen Kriterien fuumlr die Erstellung von Starkregen-Karten Definition der Inhalte von Starkregen-Hinweiskarten Definition der Inhalte von Starkregen- Gefahrenkarten
3 Berichterstattung Arbeitspaket 3 (Teil 2) Arbeitspaket 4 und Arbeitspaket 5 (Teil1)
Arbeitspaket 6 Modell- Pilotprojekt bdquoUmgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessenldquo
Erarbeitung von Starkregen-Hinweiskarten fuumlr die ausgewaumlhlten Pilot-Einzugsgebiete Erarbeitung von Starkregen-Gefahrenkarten fuumlr die ausgewaumlhlten Pilot-Einzugsgebiete Uumlberpruumlfen der fachlichen Kriterien und Ansaumltze (Arbeitspaket 5) fuumlr die Erstellung von Starkregen-Karten Diskussion uumlber die Starkregen-Karteninhalte und Starkregen-Kartendarstellung mit den Nutzern
4 Berichterstattung Arbeitspaket 5 (Teil 2) und Arbeitspaket 6 (Abschlussbericht)
93 Beantragte Mittel
Zur Durchfuumlhrung und Erreichung der im Antrag beschriebenen Arbeitsziele werden fuumlr das
1 Projektjahr 35000 Euro
2 Projektjahr 35000 Euro
3 Projektjahr 35000 Euro
4 Projektjahr 35000 Euro
beantragt
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1160 cm
280 cm
260 cm
1000 cm
1080 cm
6300 cm280 cm
3000 cm3000 cm
3000 cm 3000 cm
1000 cm624 cm
1500deg
Kipprinne zur Simulation des Oberflaumlchenabflusses an steilen HaumlngenLaumlnge= 630 mBreite= 10 mHoumlhe= 026 mmax Neigungswinkel 45deg
variableBeregnungslaumlnge
Maszligstab 120
1000 cm
260 cm
Sohlsubstrat zur Aufnahmevon kuumlnstlichen Bewuchsstrukturen
Beregnungsanlage mit schwenkbaren Duumlsen zurvertikalen Regensimulation
Wasserkoumlrper desOberflaumlchenabflusses
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Projektskizze Umgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessen (Arbeitstitel) Januar 2015 Anlage 1
1830 cm
2625 cm
Drehpunkt
1330 cm
6300 cm
280 cm
1500deg
Maszligstab 120
Kipprinne zur Simulation des Oberflaumlchenabflusses an steilen HaumlngenLaumlnge= 630 mBreite= 10 mHoumlhe= 026 mmax Neigungswinkel 45deg
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korrespondierten wurden das Wellenvolumen und auch der Wellenscheitel entscheidend vergroumlszligert
Gewaumlssernetz des Teileinzugsgebiets Rambach in der Landeshauptstadt Wiesbaden Zugrichtung der Gewitterfront am 11072014
Dieser fehlende Aspekt in der N-A-Modellierung ist bekannt wird aber aufgrund mangelnder Datengrundlagen oder notwendiger Finanzmittel bei der Simulation selten beruumlcksichtigt Ein Ansatz diese Luumlcke zu fuumlllen ist die Verwendung von Radarniederschlagsdaten
Nachfolgend werden Arbeitsschritte vorgeschlagen die dabei helfen sollen unter der Verwendung von Niederschlagsdaten aus Radaraufzeichnungen die Datengrundlagen fuumlr eine bessere Simulation von Starkregen und Sturzfluten zu verbessern
Im Rahmen der RADOLAN (Routineverfahren zur Online-
Aneichung der Radarniederschlagsdaten mit Hilfe von automatischen
Bodenniederschlagsstationen (Ombrometer)) und RADVOR-OP (Radargestuumltzte zeitnahe Niederschlagsvorhersage fuumlr den
operationellen Einsatz) Projekte des DWD sind Radarprodukte entstanden die geeignet waumlren die Simulation von Starkregen
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Sturzfluten besonders in kleinen Einzugsgebieten entscheidend zu verbessern
Voraussetzung hierfuumlr waumlre aber dass die Radarniederschlagsdaten in einer ausreichenden zeitlichen und raumlumlichen Aufloumlsung und in handhabbarer Form fuumlr die Anwender (Modellierer Ingenieurbuumlros) vorliegen (vgl auch Abschnitt 1)
21 Klaumlrung der Verfuumlgbarkeit von Radarniederschlagsdaten (fuumlr Modellierer Ingenieurbuumlros)
Vorab ist anzumerken dass im Rahmen dieser Projektskizze die Qualitaumlt der vorhandenen Radarniederschlagsdaten die Weiterentwicklung Korrektur (zB Abschattungskorrektur Verfeinerte Z-R-Beziehung etc) und die Verbesserung der Aneichung der Radarbilder nicht diskutiert werden soll
Es wird davon ausgegangen dass die raumlumlichen und zeitlichen Aufloumlsung der Radarniederschlagsdaten bei jetziger bdquoQualitaumltldquo eine deutlich bessere Datengrundlage zur Modellierung darstellen als die bisher verwendeten stationaumlren statischen Niederschlaumlge aus den Niederschlagsstationen oder aus dem KOSTRA DWD-Raster (845 km x 845 km)
Der Deutsche Wetterdienst (DWD) speichert im Rahmen des RADOLAN Projektes seit Juni-2005 bis heute Radaraufzeichnungen und stellt diese in verschiedenen Formaten und zu verschiedenen Konditionen zur Verfuumlgung
Fuumlr die 16 Radarstandorte des DWD stehen jeweils Radarbilder mit einer 5-minuumltigen Aufloumlsung zur Verfuumlgung
Am bekanntesten ist das sog RADOLAN-RW-Kompositprodukt fuumlr die Flaumlche der Bundesrepublik Deutschland (900 km x 900 km)
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RADOLAN RW Kompositprodukt fuumlr die Flaumlchen der Bundesrepublik Deutschlandkomposit (900 km x 900 km) aus [5] 2011
Hierbei handelt es sich um die mit Hilfe der Bodenniederschlagsstationen angeeichten und uumlberlagerten Radarbilder der 16 Radarstationen Dieses Produkt gibt den Niederschlag pro Stunde fuumlr ein Rasterfeld von 1km x 1km an und steht in einer zeitlichen Aufloumlsung von einer Stunde zur Verfuumlgung Die Daten sind frei verfuumlgbar und stehen auf dem FTP-Server des DWD (ftpftp-cdcdwddepubCDC) zur freien Download zur Verfuumlgung Sie liegen im RADOLAN Kompositformat Version 222 vor Dies ist ein Binaumlrformat mit ASCII Header und kann zB mit der Python Skript-Bibliothek bdquowradlibldquo gelesen werden
Auszug aus dem RADOLAN-Kurzbeschreibung (Stand April 2012)
bdquoDas derzeit bestmoumlgliche am schnellsten verfuumlgbare RADOLAN-Ergebnis (RW-Produkt) ist ein angeeichtes RadarndashDeutschlandkomposit mit stuumlndlichen Niederschlagshoumlhen in einer Intensitaumltsaufloumlsung von 01 mm und in einer raumlumlichen Aufloumlsung von einem Quadratkilometer welches zeitnah (innerhalb von 30 Minuten) zur Verfuumlgung stehtldquo
Die RADOLAN-Komposite liegen in polarstereografischer Projektion vor und haben in der Projektion eine aumlquidistante Rasterung von 10 km Das kartesische Koordinatensystem besitzt eine Groumlszlige von 900 km x 900 km (siehe auch [4] [5])
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Eine deutlich bessere zeitliche Aufloumlsung liefert das RADOLAN RY-Komposit Bei gleicher raumlumlicher Aufloumlsung wie das oben beschriebene RW-Komposit besitzt das RY-Komposit in einer zeitlichen Aufloumlsung von 5 Minuten Die Niederschlagshoumlhen werden in 001 mm bereitgestellt
Beide Radar-Komposit-Produkte (RW und RY) sind fuumlr behoumlrdliche Aufgaben im Rahmen des vorbeugenden Hochwasserschutzes der BRD entwickelt und optimiert worden Fuumlr mittlere und groszlige Einzugsgebiete ist die bereit gestellte raumlumliche und zeitliche Aufloumlsung beider Produkte voumlllig ausreichend
Fuumlr kleine Einzugsgebiete (lt 50 kmsup2) stellt die raumlumliche Aufloumlsung von 1km x 1km die bei beiden Komposit-Produkte moumlglich ist eine deutliche Verbesserung gegenuumlber der Dichte der Niederschlagsstationen und der DWD KOSTRA Rasterweite dar
Am Beispiel des Teileinzugsgebietes des Rambach Ae=21 kmsup2 in Wiesbaden erhaumllt man uumlber das Radar-Komposit-Produkt eine deutlich bessere raumlumliche Aufloumlsung der Niederschlagsverteilung als uumlber die einzelnen Niederschlagsstation in WI-Auringen oder WI-Biebrich
Die zeitliche Aufloumlsung von 5 Minuten bietet die Moumlglichkeit die zeitliche Entwicklung und die raumlumlich Verteilung der Niederschlagsintensitaumlt auch fuumlr kleine Einzugsgebieten in ausreichender Qualitaumlt abzubilden
Die Klaumlrung der Anfrage beim DWD (Ansprechpartner Elmar Weigl) ob auch ein bdquoHessen Kompositldquo mit houmlherer raumlumlicher Aufloumlsung denkbar und erhaumlltlich ist steht noch aus
Insgesamt sind die angebotenen Radarniederschlagsdaten Radarprodukte auf die Beduumlrfnisse der aktuellen Nutzer zugeschnitten Die Zugaumlnglichkeit fuumlr Lehre und Forschung ist ausreichend gegeben
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22 Aufwand zur Nutzung und Aufbereitung von Radarniederschlagsdaten fuumlr Modellierer Ingenieurbuumlros
Wie in Abschnitt 1 einfuumlhrend erlaumlutert sind neben einer ausreichenden raumlumlichen und zeitlichen Aufloumlsung
die Kosten fuumlr die Beschaffung der Radarniederschlagsdaten und
der Aufbereitungsaufwand fuumlr die Simulation
fuumlr Modellierer Ingenieurbuumlros entscheidend
Ingenieurbuumlros bearbeiten Projekte aufgrund der Ausschreibungsbedingungen und der starken Konkurrenzsituation in einem sehr engen Finanzrahmen
Die aktuell angebotenen Radarniederschlagsdaten Radarprodukte benoumltigen einen zu groszligen Aufbereitungsaufwand um diese fuumlr die Simulation von Starkregen und Sturzfluten in kleinen Einzugsgebieten zu nutzen
Vor einer Simulation muumlssen die folgenden zwei Schritte abgearbeitet werden
1) Auswahl geeigneter konvektiver Ereignisse fuumlr das Untersuchungsgebiet (Regensammlung)
2) Aufbereitung der 5-minuumltigen Radarniederschlagsdaten fuumlr die gewaumlhlten konvektiven Ereignisse
Auswahl geeigneter konvektiver Ereignisse fuumlr das Untersuchungsgebiet (Regensammlung)
Zur Erinnerung Aktuelle werden die Radarniederschlagsdaten noch nicht genutzt sondern der statischen Regen aus einer benachbarten Niederschlagsstation oder statischen Blockregen aus DWD KOSTRA 2000 entnommen Die Dauer der Modellregen orientiert sich dabei an der Konzentrationszeit Flieszligzeit im Niederschlagsgebiet Um den Aufwand zur Beschaffung Auswahl und Aufbereitung der Niederschlagsdaten von konvektiven Ereignissen einzelner Niederschlagsstationen zu umgehen werden stattdessen die DWD KOSTRA 2000 Blockregen verwendet
Um bei der Auswahl von konvektiven Ereignissen aus Radarniederschlagsdaten den Kostenrahmen fuumlr die Datenbeschaffung gering zu halten erscheint es sinnvoll auf die RADOLAN-RW-Komposit Radarniederschlagsdaten mit einer zeitliche Aufloumlsung von 1 h die auf dem FTP-Server des
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DWD (ftpftp-cdcdwddepubCDC) zum freien kostenlosen Download zur Verfuumlgung stehen zuruumlck zu greifen
Mit folgenden Systemen lassen sich zurzeit die Niederschlagsdaten des RADOLAN RW-Komposits visualisieren
KONRAD webKONRAD - Zugang uumlber das Feuerwehrinformationssystem (FEWIS)
IDLRaBiD 50 - Darstellungsprogramm fuumlr Radarbilder des Deutschen Wetterdienstes
WaWIS (Registrierung uumlber DWD notwendig)
NinJo Lizenz erhaumlltlich uumlber Ernst Basler + Partner GmbH
Python Skript Bibliothek bdquowradlibldquo (Darstellen der einzelnen RW Komposite)
KONRAD bzw webKONRAD ist nur uumlber den Zugang des Feuerwehrinformationssystems (FEWIS) zu erreichen und steht Ingenieurbuumlros nicht zur Verfuumlgung
IDLRaBiD 50 ist eine interne Software des DWD und steht Ingenieurbuumlros nicht zur Verfuumlgung
WaWIS steht nur Behoumlrden zur Verfuumlgung die im Rahmen des Katastrophenschutzes taumltig sind
NinJo 17 kann als Lizenzprodukt erworben werden Auf das Ingenieurbuumlro kaumlmen Lizenz- und Installationskosten welche sich im 5 stelligen Bereich bewegen zu Fuumlr Forschungsinstitutionen fallen die Lizenzkosten weg es verbleiben jedoch Installationskosten von ca 5000 Euro Eine Betrachtung von konvektiven Fronten uumlber mehrere Tage hinweg ist fuumlr ausgesuchte Zeitabschnitte moumlglich
Eine weitere Alternative ist die Nutzung der umfangreichen Phyton-Skript Bibliothek bdquowradlibldquo Hier muss jedes einzelne RW-Komposit eingelesen und visualisiert werden Natuumlrlich wird dies durch geeignete wradlib utility functions (Batch Routinen zur Verarbeitung vieler RW-Komposite) erleichtert Der Gesamtaufwand zur Visualisierung ist dennoch erheblich
Der Einsatz der letzten zwei Alternativen setzt jedoch voraus dass man bestimmte konvektive Ereignisse bereits identifiziert hat Dh die entsprechenden historischen Ereignisse sind bekannt oder es wurden aus den Aufzeichnungen der Bodenniederschlagsstationen bereits Ereignisse ausgewaumlhlt
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Zurzeit gibt es noch kein System welches frei zugaumlnglich ist und die historischen RW RADOLAN-Daten (Juni-2005 bis heute) visualisieren kann
Optimal waumlre es wenn die RW-RADOLAN-1h-Komposite jahresweise in einem Video mit Datum Kartenhintergrund und N-Intensitaumltsskala vor- und ruumlckspulbar betrachtet werden koumlnnten Auf diese Weise waumlre es moumlglich maszliggebende konvektive Ereignisse Szenarien (Regensammlung mit verschiedenen Niederschlagsdauern und verschiedenen Niederschlagsmengen) zur Simulation leichter zu identifizieren (vgl auch Abschnitt 7)
Arbeitsziel unterstuumltzt durch Studienarbeit Entwurf und Umsetzung eines Werkzeugs zur Visualisierung der archivierten und aktuellen Radarniederschlagsdaten (DWD-RADOLAN-RW-Komposit)
Aufbereitung der 5 minuumltigen Radarniederschlagsdaten fuumlr die gewaumlhlten konvektiven Ereignisse
Sind die konvektiven Ereignisse Szenarien zur Simulation identifiziert muumlssen deren Radarniederschlagsdaten je nach Anforderung des verwendeten Simulationsmodells aufbereitet werden
Alle Simulationsmodelle nutzen fuumlr die Eingabeaufbereitung und Ergebnispraumlsentation GIS-Oberflaumlchen So lassen sich Simulationsergebnisse mit anderen Datengrundlagen (Amtliches Liegenschaftskatasterinformationssystem ALKIS Bodeninformationen Luftbilder Nutzung etc) verschneiden und fachlich interpretieren (zB Erstellung von Starregen Gefahrenkarten) Oftmals werden die Simulationsmodelle als aufgesetzte bdquoFachschaltenldquo zu GIS-Systemen realisiert
Diese Tatsache macht es unumgaumlnglich die Komposit-Radarniederschlagsdaten auf ein GIS-System kompatibles Format mit geeigneter Projektion (zB Gauszlig-Kruumlger- oder UTM-Projektion) zu uumlberfuumlhren
Die fuumlr die DWD ndashRADOLAN-RW-Komposit-Radarniederschlagsdaten verwendete polarstereographische Projektion (siehe [5]) ist fuumlr die derzeitigen Anwendungen geeignet Man betrachtet und beurteilt groszligraumlumige Wetterlagen uumlber Staats- Bundeslandgrenzen hinweg
Fuumlr eine Simulation von kleinraumlumigen Starkregenereignissen und eine fachliche Verschneidung der Simulationsergebnisse mit weiteren Daten eignet sich die polarstereographische Projektion jedoch nicht
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In [33 Kapitel 5] werden die Probleme beim Georeferenzieren der DWD-RADOLAN-Komposite ausfuumlhrlich erlaumlutert
Arbeitsziel unterstuumltzt durch Studienarbeiten Entwurf und Umsetzung eines Werkzeugs zur Transformation und Projektion der DWD-RADOLAN-RW und RY-Komposit-Radarniederschlagsdaten in Gauszlig-Kruumlger undoder UTM-Projektion
Innerhalb des HLUG sollte eine Diskussion zur Festlegung einheitlicher Projektionen fuumlr kuumlnftige wasserwirtschaftliche Projekte im Land Hessen stattfinden
Waumlhrend die in Gauszlig-Kruumlger- oder UTM transformierten Radarniederschlagsdaten in einem Raster von ca 1km x 1km vorliegen koumlnnen die Simulationsmodelle (vgl Abschnitt 0) je nach gewaumlhlten Randbedingungen deutlich kleinere Rasterweiten (zB 5m x 5 m bis 100 m x 100m) verwenden
Fuumlr eine Simulation muss ein gemeinsames Rasters definiert und alle Datengrundlagen in dieses Raster uumlberfuumlhrt werden
Uumlberlagerung eines Transformierten RADOLAN Raster mit Gauszlig-Kruumlger oder UTM Raster
Gauszlig-Kruumlger oder UTM transformiertes RADOLAN Raster (schiefes Veireck 950x950 m)
zur Simulation verwendetes Raster
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Arbeitsziel unterstuumltzt durch Studienarbeit Entwurf und Umsetzung eines GIS Werkzeugs zur Aufbereitung der DWD-RADOLAN-Komposit-Raster zur Simulation von Starkregen in kleinen Einzugsgebieten
23 Auswertung der RADOLAN Radarniederschlagsdaten des DWD
Wie in Abschnitt 2 erlaumlutert koumlnnen die Zugrichtung und die Zuggeschwindigkeit einer konvektiven Starkregenfront Starkregenzelle die Einwirkungsintensitaumlt in einem Niederschlagseinzugsgebiet entscheidend beeinflussen Die Abmessungen der Starkregenfront Starkregenzelle in Verbindung mit der Zuggeschwindigkeit sowie die Regendauer koumlnnen im unguumlnstigen Fall mit der Konzentrationszeit im Niederschlagseinzugsgebiet zusammenfallen und zu einer entscheidenden Verschaumlrfung des Wellenscheitels fuumlhren
Unter der Voraussetzung dass die in Abschnitt 22 beschriebenen Werkzeuge erstellt worden sind sollen nun mit deren Hilfe die historischen RADOLAN Radarniederschlagsdaten ausgewertet werden
Identifizieren von Starkregenfronten Starkregenzellen Hierfuumlr sind Identifikationskriterien zu erarbeiten
Einordnung des Wiederkehrintervalls der Starkregenfront Starkregenzelle (Dauer und Niederschlagsmenge) mit Hilfe der DWD KOSTRA2000-Auswertung
Identifikation und Digitalisierung des Intensitaumltsschwerpunktes der jeweiligen Starkregenfront
Zeitliche Entwicklung der Intensitaumltsverteilung innerhalb der Starkregenfront
Fuumlr jede identifizierte Starkregenfront Starkregenzelle sollen in Abhaumlngigkeit der JahreszeitWetterlage folgende Parameter ermittelt und statistisch ausgewertet werden
Digitalisierung der Abmessungen (Laumlngenausdehnung Breitenausdehnung) und der Form (Laumlngen-Breitenverhaumlltnis oder Flaumlche-Umfangverhaumlltnis)
Digitalisierung der Zugrichtung (Zugbahn Zugtrajektorie) und Zuggeschwindigkeit (im Schwerpunkt der Intensitaumlt)
Darstellung der Abmessungen der Zugrichtungen und Zugbahnen in Karten und Uumlberlagerung mit dem digitalen Gelaumlndemodell
Auf diese Weise koumlnnen eventuell Starkregenschwerpunkte (-regionen) in Hessen identifiziert und in Karten dargestellt werden
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Arbeitsziel unterstuumltzt durch Studienarbeit(en) Auswertung historischer RADOLAN Radarniederschlagsdaten des DWD
24 Praxisseminar Kolloquium bdquoVerwendung von Radardaten zur Simulation von Starkregen Sturzfluten in Hessenldquo
In Zusammenarbeit mit dem Wissenschaftsforum Umwelt und der Weiterbildungsplattform NATURUMWELTTECHNIK (NUT) der Hochschule RheinMain sollen in einem 1-taumlgigen Praxisseminar die Moumlglichkeiten zur Nutzung von Radarniederschlagsdaten zur Simulation von Starkregen Sturzfluten vorgestellt werden
Zielgruppe Ingenieurhydrologen Hydrologen Ingenieurbuumlros (Modellierer) und andere am Thema Interessierten
Die Organisation uumlbernimmt die Weiterbildungsplattform NUT der Hochschule RheinMain Die fachliche Koordination ist durch Prof Dr Ernesto Ruiz Rodriguez und Frau BEng Lisa Trost gesichert Eine partnerschaftliche Koordination durch das HLUG und den DWD ist moumlglich und wird ausdruumlcklich erwuumlnscht
3 Arbeitspaket 2 Uumlberpruumlfung und Anpassung von Modellansaumltze zur Ermittlung des abflusswirksamen Niederschlages bei Starkregen
Unter dem abflusswirksamen (effektiven) Niederschlag versteht man den Anteil des Niederschlages der in einem Einzugsgebiet unmittelbar nach dem Niederschlagsereignis als Direktabfluss wirksam wird
Zu Beginn des Niederschlagsereignisses sind die Verluste idR besonders groszlig (Benetzung der der Vegetationsdecke und Muldenverluste) Bei Starkregen werden diese Speicherraumlume jedoch schnell gefuumlllt und die hohen Niederschlagsintensitaumlten uumlbersteigen oft die Infiltrationsfaumlhigkeit des Bodens und es kommt zum Oberflaumlchenabfluss (vgl auch Abschnitt 4)
Insofern spielt besonders bei Starkregen der Anteil an abflusswirksamen Oberflaumlchenabfluss eine entscheidende Rolle Dieser bildet gemeinsam mit dem oberflaumlchennahen Interflow in der belebten Bodenzone den Hauptanteil am sog abflusswirksamen Niederschlag
Der in der Ingenieurhydrologie am haumlufigsten verwendete Modellansatz zur Ermittlung des abflusswirksamen Niederschlags ist der Ansatz des Abflussbeiwertes Er wird sowohl in der Urbanhydrologie (Kanalnetzberechnung) als auch
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bei der Modellierung von Niederschlags-Abfluss-Prozessen (NA-Modellierung) auf natuumlrlichen Flaumlchen eingesetzt
Abflussbeiwert-Ansaumltze
)()()(
)()(
)(
)(
tititi
titi
ti
ti
vw
w
w
Ψ ndash Abflussbeiwert [-]
i(t) ndash Niederschlagsintensitaumlt [mmh]
iw(t) ndash wirksame Niederschlagsintensitaumlt [mmh]
a) konstanter Abflussbeiwert Ψ
b) Konstanter Abflussbeiwert Ψ mit Anfangsverlust hva
Der Anfangsverlust hva wird durch die Mulden- und Benetzungsverluste begruumlndet
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c) Zeitvarianter Abflussbeiwert Ψ mit oder ohne Anfangsverlust hva
In der Urbanhydrologie wird der konstante Abflussbeiwert Ψ ohne Anfangsverlust hva bei der NA-Modellierung kommt fast immer der konstante Abflussbeiwert Ψ mit Anfangsverlust hva zum Einsatz
Liegen Niederschlags- und Abflussaufzeichnungen des Direktabflusses QD(t) vor und ist der Verlauf des Basisabflusses QB(t) bekannt so kann der Abflussbeiwert Ψ aus der Volumen-Massenbilanz ermittelt werden Der Anfangsverlust hva wird in der Regel mit 3 bis 4 mm Niederschlagshoumlhe geschaumltzt Der gefallene effektive Niederschlag iw(t)=Ψ i(t) findet sich im Direktabfluss QD(t) oberhalb des Basisabflusses QB(t)
RE
RA
w
e
D
t
t
iE
t
t
DQ VdttiAdttQV )()(
0
Liegen keine Niederschlags undoder Pegelaufzeichnungen vor wird in der Ingenieurpraxis der Abflussbeiwert mit Hilfe oder im Anlehnung an das SCS Verfahrens (US Soil Conversation Service der USA) ermittelt Diese Verfahren wird ua in der
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DVWK-Regel 113 beschrieben Das SCS-Verfahren unterscheidet folgende Bodentypen
Bodentyp A Boumlden mit groszligem Versickerungsvermoumlgen auch nach starker Vorbefeuchtung zB tiefe Sand- und Kiesboumlden
Bodentyp B Boumlden mit mittlerem Versickerungsvermoumlgen tiefe bis maumlszligig tiefe Boumlden mit maumlszligig feiner bis maumlszligig grober Textur zB mitteltiefe Sandboumlden Loumlszlig (schwach) lehmiger Sand
Bodentyp C Boumlden mit geringem Versickerungsvermoumlgen Boumlden mit feiner bis maumlszligig feiner Textur oder mit wasserstauender Schicht zB flache Sandboumlden sandiger Lehm
Bodentyp D Boumlden mit sehr geringem Versickerungsvermoumlgen Ton Boumlden sehr flache Boumlden uumlber nahezu undurchlaumlssigem Material Boumlden mit dauernd sehr hohem Grundwasserspiegel
BodennutzungBodentyp A B C D
Oumldland (ohne nenneswerten Bewuchs) 77 86 91 94
Hackfruumlchte Wein 70 80 87 90
Wein (Terrassen) 64 73 79 82
Getreide Futterpflanzen 64 76 84 88
Weide (normal) 49 69 79 84
Weide (kark) 68 79 86 89
Dauerwiese 30 58 71 78
Wald (stark aufgelockert) 45 66 77 83
Wald (mittel aufgelockert) 36 60 73 79
Wald (dicht) 25 55 70 77
undurchlaumlssige bzw versiegelte Flaumlchen 100 100 100 100
CN-Beiwert des SCS-Verfahrens
In Abhaumlngigkeit der Bodennutzung und des Bodentyps wird fuumlr das Niederschlagseinzugsgebiet ein flaumlchengewichteter CN-Beiwert ermittelt und der effektive Niederschlag hNE berechnet
4258800425
22004252
NN
NNNe
Ch
Chh
N
Ne
h
h
Das Originalverfahren hat Schwaumlchen und wurde mehrfach modifiziert (zB nach Oslashverland Zaiszlig und Lutz) Dabei wurde versucht den Einfluss der aktuellen Bodenfeuchte des Bodens besser zu beruumlcksichtigen Je nach Bodentyp kann diese einen groszligen Einfluss auf den effektiven Niederschlag (vgl auch Abschnitt 41) haben
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Alle diese Ansaumltze beruumlcksichtigen nicht die bei Starkregen beobachteten und in [17] beschriebenen Effekte der Bodenluftkompression die die Infiltrationsfaumlhigkeit des Porenraumes bei hohen Niederschlagsintensitaumlten mindert und somit den Anteil des Oberflaumlchenabflusses erhoumlht
Arbeitsziel unterstuumltzt durch Studienarbeit Uumlberpruumlfung und Anpassung der Modelansaumltze zur Ermittlung des abflusswirksamen Niederschlages bei Starkniederschlaumlgen unter besonderer Beruumlcksichtigung von Bodenfeuchte und Bodenluftkompressionseffekten
Die Verwendung der Radarniederschlagsdaten macht es moumlglich die zeitliche und raumlumliche Niederschlagsverteilung im Einzugsgebiet zu betrachten Da die Niederschlagsintensitaumlten und -mengen im Einzugsgebiet variieren werden sich demzufolge raumlumlich verteilte Abflussbeiwerte ergeben Die oben beschriebenen Ansaumltze zur Ermittlung des abflusswirksamen Oberflaumlchenabflusses muumlssen daraufhin angepasst und ggf weiterentwickelt werden
Arbeitsziel unterstuumltzt durch Studienarbeit Uumlberpruumlfung und Anpassung der Modelansaumltze zur Ermittlung des abflusswirksamen Niederschlages bei raumlumlich und zeitlich sich veraumlndernden Starkniederschlaumlgen
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4 Arbeitspaket 3 Uumlberpruumlfung und Anpassung der hydraulischen Ansaumltze zur Berechnung des Oberflaumlchenabflusses bei Starkregen Sturzfluten an steilen Haumlngen
Beim Oberflaumlchenabfluss muss zwischen dem klassischen Oberflaumlchenabfluss nach Horton (1933) und dem Saumlttigungsoberflaumlchenabfluss unterschieden werden
Der Oberflaumlchenabfluss nach Horton entsteht durch einen Infiltrationsuumlberschuss Die Niederschlagsintensitaumlt ist houmlher als die Infiltrationskapazitaumlt der Boumlden und das nicht infiltrierte Niederschlagswasser flieszligt dann in Fallrichtung auf der Hangoberflaumlche ab
Der Saumlttigungsoberflaumlchenabfluss setzt dann ein wenn der Boden seine maximale Wassersaumlttigung erreicht hat dh das Porenvolumen vollstaumlndig mit Wasser gesaumlttigt ist Bei diesem Abfluss tritt haumlufig Wasser aus einem vergangenen Ereignis wieder aus dem Boden aus (Exfiltration) und vermischt sich mit dem Niederschlag des aktuellen Ereignisses
Im Folgenden wird zunaumlchst nur die Einphasenstroumlmung des Oberflaumlchenwassers betrachtet der Bewegungsbeginn und der Transport von Teilen der Bodenmatrix (Erosion) werden nicht analysiert Der Massentransport koumlnnte nachdem die Bewegungsgleichungen der Einphasenstroumlmung in steilen Haumlngen verifiziert oder korrigiert wurden in spaumlteren Arbeitsschritten betrachtet werden
Fuumlr die Simulation des Oberflaumlchenabflusses an Steilhaumlngen werden aktuell dieselben Ansaumltze verwendet wie zur Berechnung des Oberflaumlchenabflusses auf flachen Uumlberflutungsflaumlchen in Gewaumlssern und auf Auen Die dabei erzielten Ergebnisse scheinen so plausibel sodass die verwendeten Modelle bislang noch nicht hinterfragt wurden Und das obwohl die geometrischen und hydraulischen Randbedingungen an steilen Hanglagen sich von denen auf flachen Uumlberflutungsflaumlchen stark unterscheiden
In diesem Zusammenhang verglich beispielsweise Herr Dipl-Ing Klaus Schmalzl des Wasserwirtschaftsamtes Rosenheim in seinem Vortrag bdquoSturzfluten hydrodynamisch numerisch mit HYDRO_AS-2D berechnenldquo [38] den er im Rahmen des Treffens der Anwender des 2D-Hydrodynamik-Programms HYDRO_AS-2D der Fa Hydrotec am 11Okt 2014 in Muumlnchen hielt das Programm HYDRO_AS-2D welches eigentlich fuumlr die 2-Dimensionale Simulation in Gewaumlssern entwickelt worden ist mit einem bdquoSchweizer Messerldquo welches als Symbol fuumlr einen vielseitigen Einsatz steht
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In Kongress INTERPRAEVENT 2012 in Grenoble [25] wurde bdquoEin neuer Ansatz zur Modellierung von Oberflaumlchenabflussldquo vorgestellt In der Zusammenfassung
bdquoOberflaumlchenabfluss wird als der Teil des Niederschlags verstanden welcher einem Vorfluter uumlber die Bodenoberflaumlche unmittelbar zufliesst Auswertungen von Unwetterereignissen in den letzten Jahren in der Schweiz haben gezeigt dass bis zu 50 der durch Wassergefahren verursachten Schadenfaumllle durch Oberflaumlchenabfluss verursacht worden sind Dennoch ist Oberflaumlchenabfluss in der Schweiz kaum in den Gefahrenkartierungsprozess integriert Um diese Luumlcke zu fuumlllen wurde auf der Basis der Software FloodArea eine Methode entwickelt welche eine Modellierung von Oberflaumlchenabfluss mit einheitlichen Kriterien uumlber grosse Gebiete erlaubt In dieser Studie werden die Methodenentwicklung und zwei Fallstudien vorgestellt Die Resultate zeigen dass an den Raumlndern von Siedlungsflaumlchen und im Landwirtschaftsland gute Ergebnisse erzielt werden Potenziell gefaumlhrdete Gebaumlude oder Bauparzellen werden erkannt Innerhalb von Siedlungsgebieten sind die Differenzen zu realen Ereignissen groumlsser Daher liegt der Fokus von Folgearbeiten auf einer weiteren Verbesserung der Genauigkeit des Gelaumlndemodells und der Integration von zusaumltzlichen Strukturen (zB Kleinbauten) welche Fliesswege entscheidend beeinflussen koumlnnenldquo aus [25]
wird auf die Software FloodArea der Fa Geomer Heidelberg verwiesen
FloodArea und auch HYDRO_AS-2D sind Beispiele von in der Praxis verwendeten Programmen zur Berechnung von Wasserspiegellagen in Gewaumlssern und zur 2-D Uumlberflutungssimulation auf Auen Wie das nachfolgende Bild zeigt sind die mit FloodArea erzielten Simulationsergebnisse plausibel
Oberflaumlchenabflussmodellierung in Busswil (Kanton Bern Schweiz) aus [25]
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Der Verfasser dieser Projektskizze selbst hat in Zusammenarbeit mit der Fa Geomer in Heidelberg die hydraulischen Kernroutinen fuumlr das Programm FloodArea entwickelt und ist daher in der Lage deren Einsatzgrenzen gut beurteilen zu koumlnnen
41 Korrektur der Flieszligformeln zur Simulation des Oberflaumlchenabflusses an steilen Haumlngen
Die nachfolgende Tabelle zeigt die unterschiedlichen Auspraumlgungen von wichtigen hydraulischen und geometrischen Randbedingungen fuumlr den steilen Oberflaumlchenabfluss und fuumlr die Wasserausbreitung auf den vergleichsweise flachen Gewaumlsserauen
Parameter Auspraumlgung
Gewaumlsser und Aue Steile Hanglage
Gefaumllle klein permil bis 10
groszlig 5 bis uumlber 100
Wassertiefe groszlig Dezimeter bis mehrere Meter
klein Duumlnnfilmabfluss bis Dezimeter
Betrachten wir zunaumlchst ein Fluidelement 119889119909 times ℎ times 119880 auf einer steilen Hangflaumlche mit dem Hangneigungswinkel β und formulieren in x- Richtung das Kraumlftegleichgewicht zwischen der hangabwaumlrts treibenden Kraft
119866 times sin 120573 = 119889119909 times ℎ times 119880 times 120588 times 119892 times sin 120573 und der Hangreibungskraft T
119879 = 120591 times 119880 times 119889119909 Man erhaumllt so den bekannten Ansatz fuumlr die Schleppspannung
120591 auf einer Hangflaumlche
120591 = 120588 times 119892 times119860
119880times sin 120573 [
119873
1198982]
dx
Q
vdx cosszlig
h
G
G sinszlig
T
U
Ah
szlig
x
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Mit dem in der turbulenten Hydraulik uumlblich verwendeten Ansatz
120591 =120582
81199072 [
119873
1198982]
ergibt sich die Flieszligformel fuumlr den Oberflaumlchenabfluss
119907 =1
radic120582times radic8 times 119892 times
119860
119880times 119904119894119899 120573 [
119898
119904]
mit
v - mittl Flieszliggeschwindigkeit [ms]
1
radic120582 - Reibungskoeffizient [-]
g - Erdbeschleunigung [mssup2]
A - Abflussquerschnitt [msup2]
U - benetzte Sohle [m]
β - Hangneigungswinkel [Grad]
Da in der Flusshydraulik die Neigungswinkel der Gewaumlssersohlen deutlich kleiner sind als die Neigungswinkel steiler Hanglagen werden die Flieszligformeln vereinfach
119907 =1
radic120582times radic8 times 119892 times
119860
119880times 119868119864
Anstelle des 119904119894119899 120573 wird das Gefaumllle IE verwendet Dh
119904119894119899 120573 = 120573 oder 119904119894119899 120573 = 119905119886119899 120573 = 119868119864
mit
IE - Sohlgefaumllle [minuspermil]
Fuumlr Gefaumllle bis 20 oder 113 Grad Neigung ist diese Vereinfachung vertretbar und liefert gute Ergebnisse Ab Neigungen groumlszliger 20 darf diese Vereinfachung nicht mehr angesetzt werden Bei einer Hangneigung mit 45 Grad oder IE=1=100 Gefaumllle weichen die Ergebnisse fuumlr die Flieszliggeschwindigkeit um 16 ab
radic1 = 1 radic119904119894119899 45 = 07071 = 084 119865119890ℎ119897119890119903 =1minus084
1times 100 = 16
Bei aktuellen Simulationen werden diese Fehler manchmal auch aus Unkenntnis hingenommen oder mit Hilfe des Reibungskoeffizienten der Oberflaumlchen versucht zu korrigieren
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42 Versuchseinrichtung zur Uumlberpruumlfung und Anpassung der Flieszligformeln zur Simulation des Oberflaumlchenabflusses an steilen Haumlngen
Auf dem Gelaumlnde des Wasserbaulaboratoriums der Hochschule RheinMain soll im naumlchsten Sommersemester 2015 eine Versuchseinrichtung zur Simulation von Oberflaumlchenabfluss auf Hanglagen bis 45deg (11 100) errichtet werden
Es soll eine kippbare Versuchsrinne mit einer Breite von 10 m einer Houmlhe von 026 m und einer Laumlnge von 63 m errichtet werden (vgl auch Anlage 1) Zur vertikalen Regensimulation soll uumlber der Versuchsrinne eine Beregnungsanlage mit schwenkbaren Duumlsen angebracht werden
Kipprinne zur Simulation von Oberflaumlchenabfluumlssen an steilen Haumlngen vgl Anlage 1
In einer ersten Phase sollen die in Abschnitt 41 diskutierten hydraulischen Ansaumltze in Versuchen verifiziert werden Hierbei gilt es besonders zu uumlberpruumlfen ob bei sehr kleinen Abflusstiefen (Duumlnnfilmabfluss) die Oberflaumlchenspannung der Wassers bei den Bewegungsgleichungen von Bedeutung ist
Fuumlr die Versuchsreihen koumlnnen die Beregnungslaumlnge die Niederschlagsintensitaumlt und der Neigungswinkel der Versuchsrinne variiert werden
Arbeitsziel unterstuumltzt durch Studienarbeit Uumlberpruumlfung und Anpassung der Flieszligformeln zur Simulation des Oberflaumlchenabflusses an steilen Haumlngen
In einer spaumlteren Versuchsphase soll SohlsubstratBoden eingebracht werden um mit oder ohne kuumlnstlichen Bewuchsstrukturen verschiedene Hangrauheiten simulieren zu koumlnnen Dies soll zur Klaumlrung des Erosionsbeginns der Bodenmatrix beitragen
1000 cm
260 cm
Sohlsubstrat zur Aufnahmevon kuumlnstlichen Bewuchsstrukturen
Beregnungsanlage mit schwenkbaren Duumlsen zurvertikalen Regensimulation
Wasserkoumlrper desOberflaumlchenabflusses
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5 Arbeitspaket 4 Instationaumlre 2ndashdimensionale Modellierung des Oberflaumlchenabflusses bei Starkniederschlaumlgen
Um dem Programmieraufwand im Rahmen des Projektes so gering wie moumlglich zu halten wird vorgeschlagen das Programm Floodarea der Fa Geomer Heidelberg welches sich bisher in der Praxis bewaumlhrt hat als Basis fuumlr die Simulationen zu verwenden FloodArea ist ein vollstaumlndig in ArcGISreg integriertes 2D-Modell zur Berechnung von Uumlberschwemmungsflaumlchen Wie in Abschnitt 4 bereits erwaumlhnt war der Verfasser dieser Skizze in die Erarbeitung der hydraulischen Kernroutinen dieser Software involviert und kann insofern ihre Einsatz- und Anpassungsmoumlglichkeiten sehr gut abschaumltzen Eine Abstimmung mit Herrn Dr Assmann von der Fa Geomer erfolgte vor dem Verfassen dieser Projektskizze
Folgende Anpassungen bzw Erweiterungen des Programms sollen realisiert werden
Schnittstelle zu den DWD-Radarniederschlagsdaten um die 5-minuumltigen RADOLAN RY-Komposite fuumlr eine instationaumlre 2-dimensionale Modellierung des Oberflaumlchenabflusses verwenden zu koumlnnen(vgl Abschnitt 2)
Einarbeitung der angepassten und erweiterten Ansaumltze zur Ermittlung des abflusswirksamen Niederschlages bei Starkregen
Einarbeitung der uumlberarbeiteten hydraulischen Ansaumltze fuumlr den Oberflaumlchenabfluss in steilen Hanglagen
Fuumlr die in Abschnitt 7 vorgeschlagenen Pilot-Einzugsgebiete sollen fuumlr ausgesuchte Starkregenereignisse (Regensammlung vgl Abschnitt 22) Simulationen des Oberflaumlchenabflusses durchgefuumlhrt werden
Die Ergebnisse dieser Simulationen sollen die hydraulische Grundlage fuumlr die in Abschnitt 6 beschriebenen Starkregen-Gefahrenkarten bilden
Folgende Datengrundlagen sind in die Simulationen des Oberflaumlchenabflusses zu intergrieren
Radarniederschlagsdaten (vgl Abschnitt 2)
ein hoch aufgeloumlstes digitales Gelaumlndemodell aus Laserscandaten Bereits durchgefuumlhrte Simulationen des Landes Baden Wuumlrttemberg im Einzugsgebiet der Starzel und [25] zeigen dass der Einfluss von Kleinstrukturen und Hindernissen (Mauern Graumlben Strassendammprofile) auf den Verlauf des Abflussgeschehens einen groszligen Einfluss haben koumlnnen
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Diese Kleinstrukturen werden allerdings durch das digitale Gelaumlndemodell nicht immer vollstaumlndig abgebildet Ggf muumlssen die Kleinstrukturen nachdigitalisiert werden um das digitale Gelaumlndemodell bdquohydraulischldquo zu vervollstaumlndigen
Gewaumlssernetz
Nutzungsmodell (zB ATKIS ALKIS CORINE LAND COVER) ggf mit Luftbildaufnahmen zur Verifizierung und Praumlzisierung der Nutzung und zur Ermittlung der Bearbeitungsrichtung bei landwirtschaftlichen Flaumlchen Hydraulisch nicht aktive Gebaumludeflaumlchen muumlssen bdquomarkiertldquo werden damit die Simulation an einer moumlglichst reellen Oberflaumlchengeometrie durchgefuumlhrt werden kann
Bodenkarte
Informationen uumlber die Bodenfeuchte oder Betrachtung der Regenmengen in den letzten 30 Tagen
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6 Arbeitspaket 5 Erarbeitung von Starkregen Gefahrenkarten fuumlr das Land Hessen
Wie im einfuumlhrenden Abschnitt 1 erlaumlutert muumlssen aufgrund der zu kurzen Vorwarnzeiten in kleinen Einzugsgebieten die Flaumlchen- und Bauvorsorge intensiviert werden um Schaumlden durch Starkregen und Sturzfluten mindern zu koumlnnen Die dazu notwendigen Informationen uumlber die in dieser Hinsicht gefaumlhrdeten Flaumlchen und deren Nutzung muumlssen bei der angepassten kommunalen Planung beruumlcksichtigt werden Flaumlchennutzungs- und Bebauungsplaumlne sind auf die topographischen Gegebenheiten und auf die Abflusseigenschaften des Gebietes bei Starkregen abzustimmen
Starkregen Hinweis- oder Starkregen Gefahrenkarten koumlnnen als Ergaumlnzung zu den mittlerweile bundesweit eingefuumlhrten Hochwassergefahrenkarten diese Informationen bereitstellen
Die im Folgenden verwendeten Begriffe
Starkregen-Hinweiskarte
Starkregen-Gefahrenkarten oder Flieszligpfadkarten
sind vorlaumlufige Benennungen Wie auch bei den Hochwassergefahrenkarten muss die LAWA fuumlr eine bundesweit einheitliche Benennung Sorge tragen
Aus der Sicht der Verfasser wird ein zweistufiges Vorgehen empfohlen
1 Identifikation der potentiell gefaumlhrdeten Hangflaumlchen und die Erstellung von Starkregen Hinweiskarten
2 Simulation des Oberflaumlchenabflusses der potentiell gefaumlhrdeten Flaumlchen und Erstellung von Starkregen Gefahrenkarten oder Flieszligpfadkarten
Eine flaumlchendeckende Simulation des Oberflaumlchenabflusses im betrachteten Projektraum sollte aufgrund der dabei entstehenden Projekt- bzw Ingenieurkosten uumlberdacht werden
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(Stufe 1) Identifikation der potentiell gefaumlhrdeten Hangflaumlchen und die Erstellung von Starkregen Hinweiskarten
Es wird vorgeschlagen in einem ersten Schritt den betrachteten Projektraum flaumlchendeckend auf potentiell gefaumlhrdete Hangflaumlchen zu untersuchen
Dazu sollen die Gelaumlndeneigung die Bodennutzung sowie die Lage der steilen Hangflaumlchen zu den schadensempfindlichen Flaumlchen (zB Siedlungsgebiete) fachlich miteinander verknuumlpft werden
Beispielsweise lassen sich auf Grundlage der folgenden fachlich begruumlndeten Matrix mit Hilfe der GIS Werkzeuge die potentiell gefaumlhrdeten Hangflaumlchen leicht identifizieren
Gruumlnland Ackerland
Gelaumlndenutzung Gelaumlndeneigung
Be
arb
eitu
ng
que
r zur
Fallr
ich
tun
g
Be
arb
eitu
ng
in
Fallr
ich
tun
g
kleiner 5 nicht
gefaumlhrdet wenig
gefaumlhrdet
5 bis 10 maumlszligig
gefaumlhrdet
10 bis 20 maumlszligig
gefaumlhrdet
groszliger 20 stark
gefaumlhrdet sehr stark gefaumlhrdet
sehr stark gefaumlhrdet
Liegen unterhalb stark oder maumlszligig gefaumlhrdeter Flaumlchen Siedlungsgebiete oder sind in den gefaumlhrdeten Flaumlchen Siedlungsentwicklungen geplant ist eine detaillierte Untersuchung des Oberflaumlchenabflusses erforderlich (Stufe 2)
Die bislang verwendeten Kriterien zur Einschaumltzung den potentiell betroffenen Flaumlchen sollten uumlberpruumlft und weiterentwickelt werden
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Beispiel fuumlr eine Starkregen-Hinweiskarte Stadt Nidderau
(Stufe 2) Simulation des Oberflaumlchenabflusses der potentiell gefaumlhrdeten Flaumlchen und Erstellung von Starkregen Gefahrenkarten oder Flieszligpfadkarten
Fuumlr die in Stufe 1 identifizierten gefaumlhrdeten Flaumlchen ist in der zweiten Stufe der Oberflaumlchenabfluss zu simulieren Je nach Groumlszlige des zu betrachtenden Niederschlagseinzugsgebietes oberhalb der gefaumlhrdeten Siedlungsflaumlchen und Infrastrukturen muumlssen aus der Regensammlung (vgl Abschnitt 22) konvektive Ereignisse geeigneter Dauer ausgewaumlhlt werden
Aus der instationaumlren 2D-Simulation erhaumllt man fuumlr definierte Zeitpunkte nach dem Beginn des Niederschlages folgende fuumlr das gewaumlhlte Berechnungsraster raumlumlich aufgeloumlste hydraulisch relevante Grundinformationen
Ist die Flaumlche benetzt (janein)
Wasserstand (bdquoUumlberflutungshoumlheldquo) auf der Flaumlche
Flieszligrichtung und Flieszliggeschwindigkeit auf der Flaumlche
Diese hydraulischen Grundinformationen muumlssen aufbereitet fachlich interpretiert und auf geeignete Weise dargestellt werden
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Letztlich geht es darum die Frage zu klaumlren welche Fachinformationen eine Starkregen-Gefahrenkarte beinhalten sollte
Aus der Sicht der Verfasser sollten in den Gefahrenkarten folgende hydraulische Informationen enthalten sein
Abflussrinnen und Flieszligpfade auf den Hangflaumlchen (Vervollstaumlndigung des Gewaumlssernetzes gegen Flieszligrichtung vgl auch Bild Abschnitt 4 Seite 21)
Starkregen-Gefahrenkarte mit Flieszligpfaden und Flieszligrichtung aus BWK [1]
Wassertiefenentwicklung entlang der Flieszligpfade
Flieszliggeschwindigkeiten entlang der Flieszligpfade
Diese Fachinformationen sollten zusammen mit einem fuumlr den Nutzer geeigneten Kartenhintergrund (Luftbildaufnahmen ALK topographische Karte etc) visualisiert werden
Im Rahmen der Bearbeitung der vorgeschlagenen Pilot-Einzugsgebiete (siehe Abschnitt 7) sind geeignete Inhalte und Darstellungsmoumlglichkeiten fuumlr Starkregen-Gefahrenkarten zu entwickeln
Wie auch bei den Hochwassergefahrenkarten sollte die LAWA fuumlr bundesweit einheitliche Standards der Starkregen-Gefahrenkarten Sorge tragen
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7 Arbeitspaket 6 Modell- Pilotprojekt bdquoUmgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessenldquo
In einem letzten Arbeitsabschnitt sollen anhand ausgesuchter Einzugsgebiete mit Hilfe des in Abschnitt 6 vorgeschlagenen Vorgehens Starkregen-Hinweiskarten und Starkregen-Gefahrenkarten erstellt werden
Die Verwendung von Niederschlagsdaten aus Radarbeobachtungen (vgl Abschnitt 1) und der Einsatz des verbesserten Simulationsmodells (vgl Abschnitte 3 und 4) werden gegenuumlber der heutigen Praxis bessere fachliche Informationen zur Bewaumlltigung von Starkregen-Gefahrenlagen bereitstellen koumlnnen
Folgende Pilot-Einzugsgebiete in hessischen Rheingau werden zur Auswahl gestellt
Walluf (AE=281 kmsup2) Die Walluf besitzt einen Pegel (Martinsthal AE=245 kmsup2 36 km oberhalb der Muumlndung) im Einzugsgebiet An der Hochschule RheinMain steht ein Niederschlags-Abfluss Modell der Walluf zur Verfuumlgung
Erbbach Kisselbach (AE= 106 kmsup2)
Pfingstbach (AE= 84 kmsup2)
Stegbach Blaubach (AE= 127 kmsup2)
Der Hochwasserrisikomanagementplan Rheingau steht zurzeit in der oumlffentlichen Abstimmung und wird im Laufe 2015 fertig gestellt werden Nach Aussage von Frau Tremper des Regierungspraumlsidiums Darmstadt Abteilung IVWi 412 waumlre eine Ergaumlnzung des HWRM-PL Rheingau durch Starkregen-Hinweis- und -Gefahrenkarten der Rheingaubaumlche hilfreich Diese wuumlrden die im HWRM-PL Rheingau betrachteten Rhein-Hochwasserszenarien ergaumlnzen
Arbeitsziel unterstuumltzt durch Studienarbeiten Erstellung von Niederschlags- Abfluss Modellen fuumlr die Rheingaubaumlche Erbach Kisselbach Pfingstbach Stegbach Blaubach
Bei der Erstellung der Starkregen-Hinweiskarten und Starkregen-Gefahrenkarten fuumlr die Pilot-Einzugsgebiete sollen die in Abschnitt 6 weiterentwickelten Ansaumltze erprobt und die Karteninhalte mit den spaumlteren Nutzern diskutiert werden Dabei sollen insbesondere die Kartendarstellung und deren Inhalte den jeweiligen fachlichen Beduumlrfnissen entsprechen
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8 Literatur und Quellen
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9 Allgemeine Informationen Zeitplan und Ressourcen
91 Allgemeine Informationen
Antragsteller Prof Dr-Ing Ernesto Ruiz Rodriguez Wasserbaulaboratorium am Fachbereich Architektur und Bauingenieurwesen Hochschule RheinMain Kurt-Schumacher-Ring 18 65197 Wiesbaden
Projektbearbeiter Arbeitsgruppe bdquoStarkregen und Sturzflutenldquo am Wasserbaulaboratorium Prof Dr-Ing Ernesto Ruiz Rodriguez (Projektleitung) BEng Lisa Trost (Projektbearbeitung) Frank Salffner (Vermessungstechniker Laborant am Wasserbaulaboratorium und in der EDV- Arbeitsgruppe des Fachbereichs) Die Arbeitsziele werden durch Studienarbeiten des Master- Studienganges bdquoUmweltmanagement und Stadtplanung in Ballungsraumlumenldquo (UMSB) unterstuumltzt
Partnerschaften Kooperationspartner Prof Dr Ralf Doumlrner Hochschule RheinMain
FG Graphische Datenverarbeitung und Virtuelle Realitaumlt Prof Dr Robert Seuszlig Fachhochschule Frankfurt FG Geoinformation und Kommunaltechnik Berufsfeuerwehr Wiesbaden Dr Andreacute Assmann Fa Geomer Heidelberg
gewuumlnschte Zusammenarbeit Deutscher Wetterdienst Abt Hydrometeorologie Projektdauer 4 Jahre (vgl 92 Zeitplan) Eigenmittel Projektleitung durch Prof Dr E Ruiz Rodriguez
Nutzung der Einrichtungen des Wasserbaulaboratoriums der Hochschule RheinMain Unterstuumltzung bei Laborarbeiten und EDV Infrastruktur durch Frank Salffner
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92 Zeitplan
1
Jah
r
2
Jah
r
3
Jah
r
4
Jah
r Bemerkung
Arbeitspaket 1 Verwendung von Radardaten zur Simulation von Starkregen Sturzfluten fuumlr kleine Einzugsgebiete
Beginn der Arbeiten
Klaumlrung der Verfuumlgbarkeit von Radarniederschlagsdaten (fuumlr Modellierer Ingenieurbuumlros)
Aufwand zur Nutzung und Aufbereitung von Radarniederschlagsdaten fuumlr Modellierer Ingenieurbuumlros Erstellung eines Werkzeugs zur Visualisierung der archivierten und aktuellen Radarniederschlagsdaten Erstellung eines Werkzeugs zur Transformation und Projektion der DWD-RADOLAN-RW und RY-Komposit-Radarniederschlagsdaten in Gauszlig-Kruumlger undoder UTM-Projektion Erstellung eines GIS Werkzeugs zur Aufbereitung der DWD-RADOLAN-Komposit-Raster zur Simulation von Starkregen in kleinen Einzugsgebieten
1 Berichterstattung Arbeitspaket 1 (Teil 1)
Auswertung der RADOLAN Radarniederschlagsdaten des DWD
Praxisseminar Kolloquium bdquoVerwendung von Radardaten zur Simulation von Starkregen Sturzfluten in Hessenldquo
Arbeitspaket 2 Uumlberpruumlfung und Anpassung von Modellansaumltze zur Ermittlung des abflusswirksamen Niederschlages bei Starkregen
Uumlberpruumlfung und Anpassung der Modellansaumltze zur Ermittlung des abflusswirksamen Niederschlages bei Starkniederschlaumlgen unter besonderer Beruumlcksichtigung von Bodenfeuchte und Bodenluftkompressionseffekten
Arbeitspaket 3 Uumlberpruumlfung und Anpassung der hydraulischen Ansaumltze zur Berechnung des Oberflaumlchenabflusses bei Starkregen Sturzfluten an steilen Haumlngen
Bau der Versuchsrinne am Wasserbaulaboratorium Durchfuumlhrung und Auswertung der Versuche Uumlberpruumlfung und Anpassung der hydraulischen Ansaumltze zur Berechnung des Oberflaumlchenabflusses
2 Berichterstattung Arbeitspaket 2 und Arbeitspaket 3 (Teil1)
Arbeitspaket 4 Instationaumlre 2ndashdimensionale Modellierung des Oberflaumlchenabflusses bei Starkniederschlaumlgen
Anpassen des 2-dimensionallen Modelles auf instationaumlre Niederschlagsfronten Schnittstelle zu DWD RADOLAN Komposite Einarbeiten der verbesserten Ansaumltze zu Berechnung des abflusswirksamen Niederschlages bei Starkniederschlaumlgen Einarbeiten der verbesserten hydraulischen Ansaumltze
wird fortgesetzt
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1
Jah
r
2
Jah
r
3
Jah
r
4
Jah
r Bemerkung
Arbeitspaket 5 Erarbeitung von Starkregen Gefahrenkarten fuumlr das Land Hessen
Uumlberpruumlfen und Anpassung von fachlichen Kriterien fuumlr die Erstellung von Starkregen-Karten Definition der Inhalte von Starkregen-Hinweiskarten Definition der Inhalte von Starkregen- Gefahrenkarten
3 Berichterstattung Arbeitspaket 3 (Teil 2) Arbeitspaket 4 und Arbeitspaket 5 (Teil1)
Arbeitspaket 6 Modell- Pilotprojekt bdquoUmgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessenldquo
Erarbeitung von Starkregen-Hinweiskarten fuumlr die ausgewaumlhlten Pilot-Einzugsgebiete Erarbeitung von Starkregen-Gefahrenkarten fuumlr die ausgewaumlhlten Pilot-Einzugsgebiete Uumlberpruumlfen der fachlichen Kriterien und Ansaumltze (Arbeitspaket 5) fuumlr die Erstellung von Starkregen-Karten Diskussion uumlber die Starkregen-Karteninhalte und Starkregen-Kartendarstellung mit den Nutzern
4 Berichterstattung Arbeitspaket 5 (Teil 2) und Arbeitspaket 6 (Abschlussbericht)
93 Beantragte Mittel
Zur Durchfuumlhrung und Erreichung der im Antrag beschriebenen Arbeitsziele werden fuumlr das
1 Projektjahr 35000 Euro
2 Projektjahr 35000 Euro
3 Projektjahr 35000 Euro
4 Projektjahr 35000 Euro
beantragt
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Projektskizze Umgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessen (Arbeitstitel) Januar 2015 Anlage 1
1160 cm
280 cm
260 cm
1000 cm
1080 cm
6300 cm280 cm
3000 cm3000 cm
3000 cm 3000 cm
1000 cm624 cm
1500deg
Kipprinne zur Simulation des Oberflaumlchenabflusses an steilen HaumlngenLaumlnge= 630 mBreite= 10 mHoumlhe= 026 mmax Neigungswinkel 45deg
variableBeregnungslaumlnge
Maszligstab 120
1000 cm
260 cm
Sohlsubstrat zur Aufnahmevon kuumlnstlichen Bewuchsstrukturen
Beregnungsanlage mit schwenkbaren Duumlsen zurvertikalen Regensimulation
Wasserkoumlrper desOberflaumlchenabflusses
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Projektskizze Umgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessen (Arbeitstitel) Januar 2015 Anlage 1
1830 cm
2625 cm
Drehpunkt
1330 cm
6300 cm
280 cm
1500deg
Maszligstab 120
Kipprinne zur Simulation des Oberflaumlchenabflusses an steilen HaumlngenLaumlnge= 630 mBreite= 10 mHoumlhe= 026 mmax Neigungswinkel 45deg
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Sturzfluten besonders in kleinen Einzugsgebieten entscheidend zu verbessern
Voraussetzung hierfuumlr waumlre aber dass die Radarniederschlagsdaten in einer ausreichenden zeitlichen und raumlumlichen Aufloumlsung und in handhabbarer Form fuumlr die Anwender (Modellierer Ingenieurbuumlros) vorliegen (vgl auch Abschnitt 1)
21 Klaumlrung der Verfuumlgbarkeit von Radarniederschlagsdaten (fuumlr Modellierer Ingenieurbuumlros)
Vorab ist anzumerken dass im Rahmen dieser Projektskizze die Qualitaumlt der vorhandenen Radarniederschlagsdaten die Weiterentwicklung Korrektur (zB Abschattungskorrektur Verfeinerte Z-R-Beziehung etc) und die Verbesserung der Aneichung der Radarbilder nicht diskutiert werden soll
Es wird davon ausgegangen dass die raumlumlichen und zeitlichen Aufloumlsung der Radarniederschlagsdaten bei jetziger bdquoQualitaumltldquo eine deutlich bessere Datengrundlage zur Modellierung darstellen als die bisher verwendeten stationaumlren statischen Niederschlaumlge aus den Niederschlagsstationen oder aus dem KOSTRA DWD-Raster (845 km x 845 km)
Der Deutsche Wetterdienst (DWD) speichert im Rahmen des RADOLAN Projektes seit Juni-2005 bis heute Radaraufzeichnungen und stellt diese in verschiedenen Formaten und zu verschiedenen Konditionen zur Verfuumlgung
Fuumlr die 16 Radarstandorte des DWD stehen jeweils Radarbilder mit einer 5-minuumltigen Aufloumlsung zur Verfuumlgung
Am bekanntesten ist das sog RADOLAN-RW-Kompositprodukt fuumlr die Flaumlche der Bundesrepublik Deutschland (900 km x 900 km)
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RADOLAN RW Kompositprodukt fuumlr die Flaumlchen der Bundesrepublik Deutschlandkomposit (900 km x 900 km) aus [5] 2011
Hierbei handelt es sich um die mit Hilfe der Bodenniederschlagsstationen angeeichten und uumlberlagerten Radarbilder der 16 Radarstationen Dieses Produkt gibt den Niederschlag pro Stunde fuumlr ein Rasterfeld von 1km x 1km an und steht in einer zeitlichen Aufloumlsung von einer Stunde zur Verfuumlgung Die Daten sind frei verfuumlgbar und stehen auf dem FTP-Server des DWD (ftpftp-cdcdwddepubCDC) zur freien Download zur Verfuumlgung Sie liegen im RADOLAN Kompositformat Version 222 vor Dies ist ein Binaumlrformat mit ASCII Header und kann zB mit der Python Skript-Bibliothek bdquowradlibldquo gelesen werden
Auszug aus dem RADOLAN-Kurzbeschreibung (Stand April 2012)
bdquoDas derzeit bestmoumlgliche am schnellsten verfuumlgbare RADOLAN-Ergebnis (RW-Produkt) ist ein angeeichtes RadarndashDeutschlandkomposit mit stuumlndlichen Niederschlagshoumlhen in einer Intensitaumltsaufloumlsung von 01 mm und in einer raumlumlichen Aufloumlsung von einem Quadratkilometer welches zeitnah (innerhalb von 30 Minuten) zur Verfuumlgung stehtldquo
Die RADOLAN-Komposite liegen in polarstereografischer Projektion vor und haben in der Projektion eine aumlquidistante Rasterung von 10 km Das kartesische Koordinatensystem besitzt eine Groumlszlige von 900 km x 900 km (siehe auch [4] [5])
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Eine deutlich bessere zeitliche Aufloumlsung liefert das RADOLAN RY-Komposit Bei gleicher raumlumlicher Aufloumlsung wie das oben beschriebene RW-Komposit besitzt das RY-Komposit in einer zeitlichen Aufloumlsung von 5 Minuten Die Niederschlagshoumlhen werden in 001 mm bereitgestellt
Beide Radar-Komposit-Produkte (RW und RY) sind fuumlr behoumlrdliche Aufgaben im Rahmen des vorbeugenden Hochwasserschutzes der BRD entwickelt und optimiert worden Fuumlr mittlere und groszlige Einzugsgebiete ist die bereit gestellte raumlumliche und zeitliche Aufloumlsung beider Produkte voumlllig ausreichend
Fuumlr kleine Einzugsgebiete (lt 50 kmsup2) stellt die raumlumliche Aufloumlsung von 1km x 1km die bei beiden Komposit-Produkte moumlglich ist eine deutliche Verbesserung gegenuumlber der Dichte der Niederschlagsstationen und der DWD KOSTRA Rasterweite dar
Am Beispiel des Teileinzugsgebietes des Rambach Ae=21 kmsup2 in Wiesbaden erhaumllt man uumlber das Radar-Komposit-Produkt eine deutlich bessere raumlumliche Aufloumlsung der Niederschlagsverteilung als uumlber die einzelnen Niederschlagsstation in WI-Auringen oder WI-Biebrich
Die zeitliche Aufloumlsung von 5 Minuten bietet die Moumlglichkeit die zeitliche Entwicklung und die raumlumlich Verteilung der Niederschlagsintensitaumlt auch fuumlr kleine Einzugsgebieten in ausreichender Qualitaumlt abzubilden
Die Klaumlrung der Anfrage beim DWD (Ansprechpartner Elmar Weigl) ob auch ein bdquoHessen Kompositldquo mit houmlherer raumlumlicher Aufloumlsung denkbar und erhaumlltlich ist steht noch aus
Insgesamt sind die angebotenen Radarniederschlagsdaten Radarprodukte auf die Beduumlrfnisse der aktuellen Nutzer zugeschnitten Die Zugaumlnglichkeit fuumlr Lehre und Forschung ist ausreichend gegeben
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22 Aufwand zur Nutzung und Aufbereitung von Radarniederschlagsdaten fuumlr Modellierer Ingenieurbuumlros
Wie in Abschnitt 1 einfuumlhrend erlaumlutert sind neben einer ausreichenden raumlumlichen und zeitlichen Aufloumlsung
die Kosten fuumlr die Beschaffung der Radarniederschlagsdaten und
der Aufbereitungsaufwand fuumlr die Simulation
fuumlr Modellierer Ingenieurbuumlros entscheidend
Ingenieurbuumlros bearbeiten Projekte aufgrund der Ausschreibungsbedingungen und der starken Konkurrenzsituation in einem sehr engen Finanzrahmen
Die aktuell angebotenen Radarniederschlagsdaten Radarprodukte benoumltigen einen zu groszligen Aufbereitungsaufwand um diese fuumlr die Simulation von Starkregen und Sturzfluten in kleinen Einzugsgebieten zu nutzen
Vor einer Simulation muumlssen die folgenden zwei Schritte abgearbeitet werden
1) Auswahl geeigneter konvektiver Ereignisse fuumlr das Untersuchungsgebiet (Regensammlung)
2) Aufbereitung der 5-minuumltigen Radarniederschlagsdaten fuumlr die gewaumlhlten konvektiven Ereignisse
Auswahl geeigneter konvektiver Ereignisse fuumlr das Untersuchungsgebiet (Regensammlung)
Zur Erinnerung Aktuelle werden die Radarniederschlagsdaten noch nicht genutzt sondern der statischen Regen aus einer benachbarten Niederschlagsstation oder statischen Blockregen aus DWD KOSTRA 2000 entnommen Die Dauer der Modellregen orientiert sich dabei an der Konzentrationszeit Flieszligzeit im Niederschlagsgebiet Um den Aufwand zur Beschaffung Auswahl und Aufbereitung der Niederschlagsdaten von konvektiven Ereignissen einzelner Niederschlagsstationen zu umgehen werden stattdessen die DWD KOSTRA 2000 Blockregen verwendet
Um bei der Auswahl von konvektiven Ereignissen aus Radarniederschlagsdaten den Kostenrahmen fuumlr die Datenbeschaffung gering zu halten erscheint es sinnvoll auf die RADOLAN-RW-Komposit Radarniederschlagsdaten mit einer zeitliche Aufloumlsung von 1 h die auf dem FTP-Server des
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DWD (ftpftp-cdcdwddepubCDC) zum freien kostenlosen Download zur Verfuumlgung stehen zuruumlck zu greifen
Mit folgenden Systemen lassen sich zurzeit die Niederschlagsdaten des RADOLAN RW-Komposits visualisieren
KONRAD webKONRAD - Zugang uumlber das Feuerwehrinformationssystem (FEWIS)
IDLRaBiD 50 - Darstellungsprogramm fuumlr Radarbilder des Deutschen Wetterdienstes
WaWIS (Registrierung uumlber DWD notwendig)
NinJo Lizenz erhaumlltlich uumlber Ernst Basler + Partner GmbH
Python Skript Bibliothek bdquowradlibldquo (Darstellen der einzelnen RW Komposite)
KONRAD bzw webKONRAD ist nur uumlber den Zugang des Feuerwehrinformationssystems (FEWIS) zu erreichen und steht Ingenieurbuumlros nicht zur Verfuumlgung
IDLRaBiD 50 ist eine interne Software des DWD und steht Ingenieurbuumlros nicht zur Verfuumlgung
WaWIS steht nur Behoumlrden zur Verfuumlgung die im Rahmen des Katastrophenschutzes taumltig sind
NinJo 17 kann als Lizenzprodukt erworben werden Auf das Ingenieurbuumlro kaumlmen Lizenz- und Installationskosten welche sich im 5 stelligen Bereich bewegen zu Fuumlr Forschungsinstitutionen fallen die Lizenzkosten weg es verbleiben jedoch Installationskosten von ca 5000 Euro Eine Betrachtung von konvektiven Fronten uumlber mehrere Tage hinweg ist fuumlr ausgesuchte Zeitabschnitte moumlglich
Eine weitere Alternative ist die Nutzung der umfangreichen Phyton-Skript Bibliothek bdquowradlibldquo Hier muss jedes einzelne RW-Komposit eingelesen und visualisiert werden Natuumlrlich wird dies durch geeignete wradlib utility functions (Batch Routinen zur Verarbeitung vieler RW-Komposite) erleichtert Der Gesamtaufwand zur Visualisierung ist dennoch erheblich
Der Einsatz der letzten zwei Alternativen setzt jedoch voraus dass man bestimmte konvektive Ereignisse bereits identifiziert hat Dh die entsprechenden historischen Ereignisse sind bekannt oder es wurden aus den Aufzeichnungen der Bodenniederschlagsstationen bereits Ereignisse ausgewaumlhlt
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Zurzeit gibt es noch kein System welches frei zugaumlnglich ist und die historischen RW RADOLAN-Daten (Juni-2005 bis heute) visualisieren kann
Optimal waumlre es wenn die RW-RADOLAN-1h-Komposite jahresweise in einem Video mit Datum Kartenhintergrund und N-Intensitaumltsskala vor- und ruumlckspulbar betrachtet werden koumlnnten Auf diese Weise waumlre es moumlglich maszliggebende konvektive Ereignisse Szenarien (Regensammlung mit verschiedenen Niederschlagsdauern und verschiedenen Niederschlagsmengen) zur Simulation leichter zu identifizieren (vgl auch Abschnitt 7)
Arbeitsziel unterstuumltzt durch Studienarbeit Entwurf und Umsetzung eines Werkzeugs zur Visualisierung der archivierten und aktuellen Radarniederschlagsdaten (DWD-RADOLAN-RW-Komposit)
Aufbereitung der 5 minuumltigen Radarniederschlagsdaten fuumlr die gewaumlhlten konvektiven Ereignisse
Sind die konvektiven Ereignisse Szenarien zur Simulation identifiziert muumlssen deren Radarniederschlagsdaten je nach Anforderung des verwendeten Simulationsmodells aufbereitet werden
Alle Simulationsmodelle nutzen fuumlr die Eingabeaufbereitung und Ergebnispraumlsentation GIS-Oberflaumlchen So lassen sich Simulationsergebnisse mit anderen Datengrundlagen (Amtliches Liegenschaftskatasterinformationssystem ALKIS Bodeninformationen Luftbilder Nutzung etc) verschneiden und fachlich interpretieren (zB Erstellung von Starregen Gefahrenkarten) Oftmals werden die Simulationsmodelle als aufgesetzte bdquoFachschaltenldquo zu GIS-Systemen realisiert
Diese Tatsache macht es unumgaumlnglich die Komposit-Radarniederschlagsdaten auf ein GIS-System kompatibles Format mit geeigneter Projektion (zB Gauszlig-Kruumlger- oder UTM-Projektion) zu uumlberfuumlhren
Die fuumlr die DWD ndashRADOLAN-RW-Komposit-Radarniederschlagsdaten verwendete polarstereographische Projektion (siehe [5]) ist fuumlr die derzeitigen Anwendungen geeignet Man betrachtet und beurteilt groszligraumlumige Wetterlagen uumlber Staats- Bundeslandgrenzen hinweg
Fuumlr eine Simulation von kleinraumlumigen Starkregenereignissen und eine fachliche Verschneidung der Simulationsergebnisse mit weiteren Daten eignet sich die polarstereographische Projektion jedoch nicht
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In [33 Kapitel 5] werden die Probleme beim Georeferenzieren der DWD-RADOLAN-Komposite ausfuumlhrlich erlaumlutert
Arbeitsziel unterstuumltzt durch Studienarbeiten Entwurf und Umsetzung eines Werkzeugs zur Transformation und Projektion der DWD-RADOLAN-RW und RY-Komposit-Radarniederschlagsdaten in Gauszlig-Kruumlger undoder UTM-Projektion
Innerhalb des HLUG sollte eine Diskussion zur Festlegung einheitlicher Projektionen fuumlr kuumlnftige wasserwirtschaftliche Projekte im Land Hessen stattfinden
Waumlhrend die in Gauszlig-Kruumlger- oder UTM transformierten Radarniederschlagsdaten in einem Raster von ca 1km x 1km vorliegen koumlnnen die Simulationsmodelle (vgl Abschnitt 0) je nach gewaumlhlten Randbedingungen deutlich kleinere Rasterweiten (zB 5m x 5 m bis 100 m x 100m) verwenden
Fuumlr eine Simulation muss ein gemeinsames Rasters definiert und alle Datengrundlagen in dieses Raster uumlberfuumlhrt werden
Uumlberlagerung eines Transformierten RADOLAN Raster mit Gauszlig-Kruumlger oder UTM Raster
Gauszlig-Kruumlger oder UTM transformiertes RADOLAN Raster (schiefes Veireck 950x950 m)
zur Simulation verwendetes Raster
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Arbeitsziel unterstuumltzt durch Studienarbeit Entwurf und Umsetzung eines GIS Werkzeugs zur Aufbereitung der DWD-RADOLAN-Komposit-Raster zur Simulation von Starkregen in kleinen Einzugsgebieten
23 Auswertung der RADOLAN Radarniederschlagsdaten des DWD
Wie in Abschnitt 2 erlaumlutert koumlnnen die Zugrichtung und die Zuggeschwindigkeit einer konvektiven Starkregenfront Starkregenzelle die Einwirkungsintensitaumlt in einem Niederschlagseinzugsgebiet entscheidend beeinflussen Die Abmessungen der Starkregenfront Starkregenzelle in Verbindung mit der Zuggeschwindigkeit sowie die Regendauer koumlnnen im unguumlnstigen Fall mit der Konzentrationszeit im Niederschlagseinzugsgebiet zusammenfallen und zu einer entscheidenden Verschaumlrfung des Wellenscheitels fuumlhren
Unter der Voraussetzung dass die in Abschnitt 22 beschriebenen Werkzeuge erstellt worden sind sollen nun mit deren Hilfe die historischen RADOLAN Radarniederschlagsdaten ausgewertet werden
Identifizieren von Starkregenfronten Starkregenzellen Hierfuumlr sind Identifikationskriterien zu erarbeiten
Einordnung des Wiederkehrintervalls der Starkregenfront Starkregenzelle (Dauer und Niederschlagsmenge) mit Hilfe der DWD KOSTRA2000-Auswertung
Identifikation und Digitalisierung des Intensitaumltsschwerpunktes der jeweiligen Starkregenfront
Zeitliche Entwicklung der Intensitaumltsverteilung innerhalb der Starkregenfront
Fuumlr jede identifizierte Starkregenfront Starkregenzelle sollen in Abhaumlngigkeit der JahreszeitWetterlage folgende Parameter ermittelt und statistisch ausgewertet werden
Digitalisierung der Abmessungen (Laumlngenausdehnung Breitenausdehnung) und der Form (Laumlngen-Breitenverhaumlltnis oder Flaumlche-Umfangverhaumlltnis)
Digitalisierung der Zugrichtung (Zugbahn Zugtrajektorie) und Zuggeschwindigkeit (im Schwerpunkt der Intensitaumlt)
Darstellung der Abmessungen der Zugrichtungen und Zugbahnen in Karten und Uumlberlagerung mit dem digitalen Gelaumlndemodell
Auf diese Weise koumlnnen eventuell Starkregenschwerpunkte (-regionen) in Hessen identifiziert und in Karten dargestellt werden
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Arbeitsziel unterstuumltzt durch Studienarbeit(en) Auswertung historischer RADOLAN Radarniederschlagsdaten des DWD
24 Praxisseminar Kolloquium bdquoVerwendung von Radardaten zur Simulation von Starkregen Sturzfluten in Hessenldquo
In Zusammenarbeit mit dem Wissenschaftsforum Umwelt und der Weiterbildungsplattform NATURUMWELTTECHNIK (NUT) der Hochschule RheinMain sollen in einem 1-taumlgigen Praxisseminar die Moumlglichkeiten zur Nutzung von Radarniederschlagsdaten zur Simulation von Starkregen Sturzfluten vorgestellt werden
Zielgruppe Ingenieurhydrologen Hydrologen Ingenieurbuumlros (Modellierer) und andere am Thema Interessierten
Die Organisation uumlbernimmt die Weiterbildungsplattform NUT der Hochschule RheinMain Die fachliche Koordination ist durch Prof Dr Ernesto Ruiz Rodriguez und Frau BEng Lisa Trost gesichert Eine partnerschaftliche Koordination durch das HLUG und den DWD ist moumlglich und wird ausdruumlcklich erwuumlnscht
3 Arbeitspaket 2 Uumlberpruumlfung und Anpassung von Modellansaumltze zur Ermittlung des abflusswirksamen Niederschlages bei Starkregen
Unter dem abflusswirksamen (effektiven) Niederschlag versteht man den Anteil des Niederschlages der in einem Einzugsgebiet unmittelbar nach dem Niederschlagsereignis als Direktabfluss wirksam wird
Zu Beginn des Niederschlagsereignisses sind die Verluste idR besonders groszlig (Benetzung der der Vegetationsdecke und Muldenverluste) Bei Starkregen werden diese Speicherraumlume jedoch schnell gefuumlllt und die hohen Niederschlagsintensitaumlten uumlbersteigen oft die Infiltrationsfaumlhigkeit des Bodens und es kommt zum Oberflaumlchenabfluss (vgl auch Abschnitt 4)
Insofern spielt besonders bei Starkregen der Anteil an abflusswirksamen Oberflaumlchenabfluss eine entscheidende Rolle Dieser bildet gemeinsam mit dem oberflaumlchennahen Interflow in der belebten Bodenzone den Hauptanteil am sog abflusswirksamen Niederschlag
Der in der Ingenieurhydrologie am haumlufigsten verwendete Modellansatz zur Ermittlung des abflusswirksamen Niederschlags ist der Ansatz des Abflussbeiwertes Er wird sowohl in der Urbanhydrologie (Kanalnetzberechnung) als auch
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bei der Modellierung von Niederschlags-Abfluss-Prozessen (NA-Modellierung) auf natuumlrlichen Flaumlchen eingesetzt
Abflussbeiwert-Ansaumltze
)()()(
)()(
)(
)(
tititi
titi
ti
ti
vw
w
w
Ψ ndash Abflussbeiwert [-]
i(t) ndash Niederschlagsintensitaumlt [mmh]
iw(t) ndash wirksame Niederschlagsintensitaumlt [mmh]
a) konstanter Abflussbeiwert Ψ
b) Konstanter Abflussbeiwert Ψ mit Anfangsverlust hva
Der Anfangsverlust hva wird durch die Mulden- und Benetzungsverluste begruumlndet
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c) Zeitvarianter Abflussbeiwert Ψ mit oder ohne Anfangsverlust hva
In der Urbanhydrologie wird der konstante Abflussbeiwert Ψ ohne Anfangsverlust hva bei der NA-Modellierung kommt fast immer der konstante Abflussbeiwert Ψ mit Anfangsverlust hva zum Einsatz
Liegen Niederschlags- und Abflussaufzeichnungen des Direktabflusses QD(t) vor und ist der Verlauf des Basisabflusses QB(t) bekannt so kann der Abflussbeiwert Ψ aus der Volumen-Massenbilanz ermittelt werden Der Anfangsverlust hva wird in der Regel mit 3 bis 4 mm Niederschlagshoumlhe geschaumltzt Der gefallene effektive Niederschlag iw(t)=Ψ i(t) findet sich im Direktabfluss QD(t) oberhalb des Basisabflusses QB(t)
RE
RA
w
e
D
t
t
iE
t
t
DQ VdttiAdttQV )()(
0
Liegen keine Niederschlags undoder Pegelaufzeichnungen vor wird in der Ingenieurpraxis der Abflussbeiwert mit Hilfe oder im Anlehnung an das SCS Verfahrens (US Soil Conversation Service der USA) ermittelt Diese Verfahren wird ua in der
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DVWK-Regel 113 beschrieben Das SCS-Verfahren unterscheidet folgende Bodentypen
Bodentyp A Boumlden mit groszligem Versickerungsvermoumlgen auch nach starker Vorbefeuchtung zB tiefe Sand- und Kiesboumlden
Bodentyp B Boumlden mit mittlerem Versickerungsvermoumlgen tiefe bis maumlszligig tiefe Boumlden mit maumlszligig feiner bis maumlszligig grober Textur zB mitteltiefe Sandboumlden Loumlszlig (schwach) lehmiger Sand
Bodentyp C Boumlden mit geringem Versickerungsvermoumlgen Boumlden mit feiner bis maumlszligig feiner Textur oder mit wasserstauender Schicht zB flache Sandboumlden sandiger Lehm
Bodentyp D Boumlden mit sehr geringem Versickerungsvermoumlgen Ton Boumlden sehr flache Boumlden uumlber nahezu undurchlaumlssigem Material Boumlden mit dauernd sehr hohem Grundwasserspiegel
BodennutzungBodentyp A B C D
Oumldland (ohne nenneswerten Bewuchs) 77 86 91 94
Hackfruumlchte Wein 70 80 87 90
Wein (Terrassen) 64 73 79 82
Getreide Futterpflanzen 64 76 84 88
Weide (normal) 49 69 79 84
Weide (kark) 68 79 86 89
Dauerwiese 30 58 71 78
Wald (stark aufgelockert) 45 66 77 83
Wald (mittel aufgelockert) 36 60 73 79
Wald (dicht) 25 55 70 77
undurchlaumlssige bzw versiegelte Flaumlchen 100 100 100 100
CN-Beiwert des SCS-Verfahrens
In Abhaumlngigkeit der Bodennutzung und des Bodentyps wird fuumlr das Niederschlagseinzugsgebiet ein flaumlchengewichteter CN-Beiwert ermittelt und der effektive Niederschlag hNE berechnet
4258800425
22004252
NN
NNNe
Ch
Chh
N
Ne
h
h
Das Originalverfahren hat Schwaumlchen und wurde mehrfach modifiziert (zB nach Oslashverland Zaiszlig und Lutz) Dabei wurde versucht den Einfluss der aktuellen Bodenfeuchte des Bodens besser zu beruumlcksichtigen Je nach Bodentyp kann diese einen groszligen Einfluss auf den effektiven Niederschlag (vgl auch Abschnitt 41) haben
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Alle diese Ansaumltze beruumlcksichtigen nicht die bei Starkregen beobachteten und in [17] beschriebenen Effekte der Bodenluftkompression die die Infiltrationsfaumlhigkeit des Porenraumes bei hohen Niederschlagsintensitaumlten mindert und somit den Anteil des Oberflaumlchenabflusses erhoumlht
Arbeitsziel unterstuumltzt durch Studienarbeit Uumlberpruumlfung und Anpassung der Modelansaumltze zur Ermittlung des abflusswirksamen Niederschlages bei Starkniederschlaumlgen unter besonderer Beruumlcksichtigung von Bodenfeuchte und Bodenluftkompressionseffekten
Die Verwendung der Radarniederschlagsdaten macht es moumlglich die zeitliche und raumlumliche Niederschlagsverteilung im Einzugsgebiet zu betrachten Da die Niederschlagsintensitaumlten und -mengen im Einzugsgebiet variieren werden sich demzufolge raumlumlich verteilte Abflussbeiwerte ergeben Die oben beschriebenen Ansaumltze zur Ermittlung des abflusswirksamen Oberflaumlchenabflusses muumlssen daraufhin angepasst und ggf weiterentwickelt werden
Arbeitsziel unterstuumltzt durch Studienarbeit Uumlberpruumlfung und Anpassung der Modelansaumltze zur Ermittlung des abflusswirksamen Niederschlages bei raumlumlich und zeitlich sich veraumlndernden Starkniederschlaumlgen
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4 Arbeitspaket 3 Uumlberpruumlfung und Anpassung der hydraulischen Ansaumltze zur Berechnung des Oberflaumlchenabflusses bei Starkregen Sturzfluten an steilen Haumlngen
Beim Oberflaumlchenabfluss muss zwischen dem klassischen Oberflaumlchenabfluss nach Horton (1933) und dem Saumlttigungsoberflaumlchenabfluss unterschieden werden
Der Oberflaumlchenabfluss nach Horton entsteht durch einen Infiltrationsuumlberschuss Die Niederschlagsintensitaumlt ist houmlher als die Infiltrationskapazitaumlt der Boumlden und das nicht infiltrierte Niederschlagswasser flieszligt dann in Fallrichtung auf der Hangoberflaumlche ab
Der Saumlttigungsoberflaumlchenabfluss setzt dann ein wenn der Boden seine maximale Wassersaumlttigung erreicht hat dh das Porenvolumen vollstaumlndig mit Wasser gesaumlttigt ist Bei diesem Abfluss tritt haumlufig Wasser aus einem vergangenen Ereignis wieder aus dem Boden aus (Exfiltration) und vermischt sich mit dem Niederschlag des aktuellen Ereignisses
Im Folgenden wird zunaumlchst nur die Einphasenstroumlmung des Oberflaumlchenwassers betrachtet der Bewegungsbeginn und der Transport von Teilen der Bodenmatrix (Erosion) werden nicht analysiert Der Massentransport koumlnnte nachdem die Bewegungsgleichungen der Einphasenstroumlmung in steilen Haumlngen verifiziert oder korrigiert wurden in spaumlteren Arbeitsschritten betrachtet werden
Fuumlr die Simulation des Oberflaumlchenabflusses an Steilhaumlngen werden aktuell dieselben Ansaumltze verwendet wie zur Berechnung des Oberflaumlchenabflusses auf flachen Uumlberflutungsflaumlchen in Gewaumlssern und auf Auen Die dabei erzielten Ergebnisse scheinen so plausibel sodass die verwendeten Modelle bislang noch nicht hinterfragt wurden Und das obwohl die geometrischen und hydraulischen Randbedingungen an steilen Hanglagen sich von denen auf flachen Uumlberflutungsflaumlchen stark unterscheiden
In diesem Zusammenhang verglich beispielsweise Herr Dipl-Ing Klaus Schmalzl des Wasserwirtschaftsamtes Rosenheim in seinem Vortrag bdquoSturzfluten hydrodynamisch numerisch mit HYDRO_AS-2D berechnenldquo [38] den er im Rahmen des Treffens der Anwender des 2D-Hydrodynamik-Programms HYDRO_AS-2D der Fa Hydrotec am 11Okt 2014 in Muumlnchen hielt das Programm HYDRO_AS-2D welches eigentlich fuumlr die 2-Dimensionale Simulation in Gewaumlssern entwickelt worden ist mit einem bdquoSchweizer Messerldquo welches als Symbol fuumlr einen vielseitigen Einsatz steht
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In Kongress INTERPRAEVENT 2012 in Grenoble [25] wurde bdquoEin neuer Ansatz zur Modellierung von Oberflaumlchenabflussldquo vorgestellt In der Zusammenfassung
bdquoOberflaumlchenabfluss wird als der Teil des Niederschlags verstanden welcher einem Vorfluter uumlber die Bodenoberflaumlche unmittelbar zufliesst Auswertungen von Unwetterereignissen in den letzten Jahren in der Schweiz haben gezeigt dass bis zu 50 der durch Wassergefahren verursachten Schadenfaumllle durch Oberflaumlchenabfluss verursacht worden sind Dennoch ist Oberflaumlchenabfluss in der Schweiz kaum in den Gefahrenkartierungsprozess integriert Um diese Luumlcke zu fuumlllen wurde auf der Basis der Software FloodArea eine Methode entwickelt welche eine Modellierung von Oberflaumlchenabfluss mit einheitlichen Kriterien uumlber grosse Gebiete erlaubt In dieser Studie werden die Methodenentwicklung und zwei Fallstudien vorgestellt Die Resultate zeigen dass an den Raumlndern von Siedlungsflaumlchen und im Landwirtschaftsland gute Ergebnisse erzielt werden Potenziell gefaumlhrdete Gebaumlude oder Bauparzellen werden erkannt Innerhalb von Siedlungsgebieten sind die Differenzen zu realen Ereignissen groumlsser Daher liegt der Fokus von Folgearbeiten auf einer weiteren Verbesserung der Genauigkeit des Gelaumlndemodells und der Integration von zusaumltzlichen Strukturen (zB Kleinbauten) welche Fliesswege entscheidend beeinflussen koumlnnenldquo aus [25]
wird auf die Software FloodArea der Fa Geomer Heidelberg verwiesen
FloodArea und auch HYDRO_AS-2D sind Beispiele von in der Praxis verwendeten Programmen zur Berechnung von Wasserspiegellagen in Gewaumlssern und zur 2-D Uumlberflutungssimulation auf Auen Wie das nachfolgende Bild zeigt sind die mit FloodArea erzielten Simulationsergebnisse plausibel
Oberflaumlchenabflussmodellierung in Busswil (Kanton Bern Schweiz) aus [25]
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Der Verfasser dieser Projektskizze selbst hat in Zusammenarbeit mit der Fa Geomer in Heidelberg die hydraulischen Kernroutinen fuumlr das Programm FloodArea entwickelt und ist daher in der Lage deren Einsatzgrenzen gut beurteilen zu koumlnnen
41 Korrektur der Flieszligformeln zur Simulation des Oberflaumlchenabflusses an steilen Haumlngen
Die nachfolgende Tabelle zeigt die unterschiedlichen Auspraumlgungen von wichtigen hydraulischen und geometrischen Randbedingungen fuumlr den steilen Oberflaumlchenabfluss und fuumlr die Wasserausbreitung auf den vergleichsweise flachen Gewaumlsserauen
Parameter Auspraumlgung
Gewaumlsser und Aue Steile Hanglage
Gefaumllle klein permil bis 10
groszlig 5 bis uumlber 100
Wassertiefe groszlig Dezimeter bis mehrere Meter
klein Duumlnnfilmabfluss bis Dezimeter
Betrachten wir zunaumlchst ein Fluidelement 119889119909 times ℎ times 119880 auf einer steilen Hangflaumlche mit dem Hangneigungswinkel β und formulieren in x- Richtung das Kraumlftegleichgewicht zwischen der hangabwaumlrts treibenden Kraft
119866 times sin 120573 = 119889119909 times ℎ times 119880 times 120588 times 119892 times sin 120573 und der Hangreibungskraft T
119879 = 120591 times 119880 times 119889119909 Man erhaumllt so den bekannten Ansatz fuumlr die Schleppspannung
120591 auf einer Hangflaumlche
120591 = 120588 times 119892 times119860
119880times sin 120573 [
119873
1198982]
dx
Q
vdx cosszlig
h
G
G sinszlig
T
U
Ah
szlig
x
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Mit dem in der turbulenten Hydraulik uumlblich verwendeten Ansatz
120591 =120582
81199072 [
119873
1198982]
ergibt sich die Flieszligformel fuumlr den Oberflaumlchenabfluss
119907 =1
radic120582times radic8 times 119892 times
119860
119880times 119904119894119899 120573 [
119898
119904]
mit
v - mittl Flieszliggeschwindigkeit [ms]
1
radic120582 - Reibungskoeffizient [-]
g - Erdbeschleunigung [mssup2]
A - Abflussquerschnitt [msup2]
U - benetzte Sohle [m]
β - Hangneigungswinkel [Grad]
Da in der Flusshydraulik die Neigungswinkel der Gewaumlssersohlen deutlich kleiner sind als die Neigungswinkel steiler Hanglagen werden die Flieszligformeln vereinfach
119907 =1
radic120582times radic8 times 119892 times
119860
119880times 119868119864
Anstelle des 119904119894119899 120573 wird das Gefaumllle IE verwendet Dh
119904119894119899 120573 = 120573 oder 119904119894119899 120573 = 119905119886119899 120573 = 119868119864
mit
IE - Sohlgefaumllle [minuspermil]
Fuumlr Gefaumllle bis 20 oder 113 Grad Neigung ist diese Vereinfachung vertretbar und liefert gute Ergebnisse Ab Neigungen groumlszliger 20 darf diese Vereinfachung nicht mehr angesetzt werden Bei einer Hangneigung mit 45 Grad oder IE=1=100 Gefaumllle weichen die Ergebnisse fuumlr die Flieszliggeschwindigkeit um 16 ab
radic1 = 1 radic119904119894119899 45 = 07071 = 084 119865119890ℎ119897119890119903 =1minus084
1times 100 = 16
Bei aktuellen Simulationen werden diese Fehler manchmal auch aus Unkenntnis hingenommen oder mit Hilfe des Reibungskoeffizienten der Oberflaumlchen versucht zu korrigieren
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42 Versuchseinrichtung zur Uumlberpruumlfung und Anpassung der Flieszligformeln zur Simulation des Oberflaumlchenabflusses an steilen Haumlngen
Auf dem Gelaumlnde des Wasserbaulaboratoriums der Hochschule RheinMain soll im naumlchsten Sommersemester 2015 eine Versuchseinrichtung zur Simulation von Oberflaumlchenabfluss auf Hanglagen bis 45deg (11 100) errichtet werden
Es soll eine kippbare Versuchsrinne mit einer Breite von 10 m einer Houmlhe von 026 m und einer Laumlnge von 63 m errichtet werden (vgl auch Anlage 1) Zur vertikalen Regensimulation soll uumlber der Versuchsrinne eine Beregnungsanlage mit schwenkbaren Duumlsen angebracht werden
Kipprinne zur Simulation von Oberflaumlchenabfluumlssen an steilen Haumlngen vgl Anlage 1
In einer ersten Phase sollen die in Abschnitt 41 diskutierten hydraulischen Ansaumltze in Versuchen verifiziert werden Hierbei gilt es besonders zu uumlberpruumlfen ob bei sehr kleinen Abflusstiefen (Duumlnnfilmabfluss) die Oberflaumlchenspannung der Wassers bei den Bewegungsgleichungen von Bedeutung ist
Fuumlr die Versuchsreihen koumlnnen die Beregnungslaumlnge die Niederschlagsintensitaumlt und der Neigungswinkel der Versuchsrinne variiert werden
Arbeitsziel unterstuumltzt durch Studienarbeit Uumlberpruumlfung und Anpassung der Flieszligformeln zur Simulation des Oberflaumlchenabflusses an steilen Haumlngen
In einer spaumlteren Versuchsphase soll SohlsubstratBoden eingebracht werden um mit oder ohne kuumlnstlichen Bewuchsstrukturen verschiedene Hangrauheiten simulieren zu koumlnnen Dies soll zur Klaumlrung des Erosionsbeginns der Bodenmatrix beitragen
1000 cm
260 cm
Sohlsubstrat zur Aufnahmevon kuumlnstlichen Bewuchsstrukturen
Beregnungsanlage mit schwenkbaren Duumlsen zurvertikalen Regensimulation
Wasserkoumlrper desOberflaumlchenabflusses
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5 Arbeitspaket 4 Instationaumlre 2ndashdimensionale Modellierung des Oberflaumlchenabflusses bei Starkniederschlaumlgen
Um dem Programmieraufwand im Rahmen des Projektes so gering wie moumlglich zu halten wird vorgeschlagen das Programm Floodarea der Fa Geomer Heidelberg welches sich bisher in der Praxis bewaumlhrt hat als Basis fuumlr die Simulationen zu verwenden FloodArea ist ein vollstaumlndig in ArcGISreg integriertes 2D-Modell zur Berechnung von Uumlberschwemmungsflaumlchen Wie in Abschnitt 4 bereits erwaumlhnt war der Verfasser dieser Skizze in die Erarbeitung der hydraulischen Kernroutinen dieser Software involviert und kann insofern ihre Einsatz- und Anpassungsmoumlglichkeiten sehr gut abschaumltzen Eine Abstimmung mit Herrn Dr Assmann von der Fa Geomer erfolgte vor dem Verfassen dieser Projektskizze
Folgende Anpassungen bzw Erweiterungen des Programms sollen realisiert werden
Schnittstelle zu den DWD-Radarniederschlagsdaten um die 5-minuumltigen RADOLAN RY-Komposite fuumlr eine instationaumlre 2-dimensionale Modellierung des Oberflaumlchenabflusses verwenden zu koumlnnen(vgl Abschnitt 2)
Einarbeitung der angepassten und erweiterten Ansaumltze zur Ermittlung des abflusswirksamen Niederschlages bei Starkregen
Einarbeitung der uumlberarbeiteten hydraulischen Ansaumltze fuumlr den Oberflaumlchenabfluss in steilen Hanglagen
Fuumlr die in Abschnitt 7 vorgeschlagenen Pilot-Einzugsgebiete sollen fuumlr ausgesuchte Starkregenereignisse (Regensammlung vgl Abschnitt 22) Simulationen des Oberflaumlchenabflusses durchgefuumlhrt werden
Die Ergebnisse dieser Simulationen sollen die hydraulische Grundlage fuumlr die in Abschnitt 6 beschriebenen Starkregen-Gefahrenkarten bilden
Folgende Datengrundlagen sind in die Simulationen des Oberflaumlchenabflusses zu intergrieren
Radarniederschlagsdaten (vgl Abschnitt 2)
ein hoch aufgeloumlstes digitales Gelaumlndemodell aus Laserscandaten Bereits durchgefuumlhrte Simulationen des Landes Baden Wuumlrttemberg im Einzugsgebiet der Starzel und [25] zeigen dass der Einfluss von Kleinstrukturen und Hindernissen (Mauern Graumlben Strassendammprofile) auf den Verlauf des Abflussgeschehens einen groszligen Einfluss haben koumlnnen
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Diese Kleinstrukturen werden allerdings durch das digitale Gelaumlndemodell nicht immer vollstaumlndig abgebildet Ggf muumlssen die Kleinstrukturen nachdigitalisiert werden um das digitale Gelaumlndemodell bdquohydraulischldquo zu vervollstaumlndigen
Gewaumlssernetz
Nutzungsmodell (zB ATKIS ALKIS CORINE LAND COVER) ggf mit Luftbildaufnahmen zur Verifizierung und Praumlzisierung der Nutzung und zur Ermittlung der Bearbeitungsrichtung bei landwirtschaftlichen Flaumlchen Hydraulisch nicht aktive Gebaumludeflaumlchen muumlssen bdquomarkiertldquo werden damit die Simulation an einer moumlglichst reellen Oberflaumlchengeometrie durchgefuumlhrt werden kann
Bodenkarte
Informationen uumlber die Bodenfeuchte oder Betrachtung der Regenmengen in den letzten 30 Tagen
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6 Arbeitspaket 5 Erarbeitung von Starkregen Gefahrenkarten fuumlr das Land Hessen
Wie im einfuumlhrenden Abschnitt 1 erlaumlutert muumlssen aufgrund der zu kurzen Vorwarnzeiten in kleinen Einzugsgebieten die Flaumlchen- und Bauvorsorge intensiviert werden um Schaumlden durch Starkregen und Sturzfluten mindern zu koumlnnen Die dazu notwendigen Informationen uumlber die in dieser Hinsicht gefaumlhrdeten Flaumlchen und deren Nutzung muumlssen bei der angepassten kommunalen Planung beruumlcksichtigt werden Flaumlchennutzungs- und Bebauungsplaumlne sind auf die topographischen Gegebenheiten und auf die Abflusseigenschaften des Gebietes bei Starkregen abzustimmen
Starkregen Hinweis- oder Starkregen Gefahrenkarten koumlnnen als Ergaumlnzung zu den mittlerweile bundesweit eingefuumlhrten Hochwassergefahrenkarten diese Informationen bereitstellen
Die im Folgenden verwendeten Begriffe
Starkregen-Hinweiskarte
Starkregen-Gefahrenkarten oder Flieszligpfadkarten
sind vorlaumlufige Benennungen Wie auch bei den Hochwassergefahrenkarten muss die LAWA fuumlr eine bundesweit einheitliche Benennung Sorge tragen
Aus der Sicht der Verfasser wird ein zweistufiges Vorgehen empfohlen
1 Identifikation der potentiell gefaumlhrdeten Hangflaumlchen und die Erstellung von Starkregen Hinweiskarten
2 Simulation des Oberflaumlchenabflusses der potentiell gefaumlhrdeten Flaumlchen und Erstellung von Starkregen Gefahrenkarten oder Flieszligpfadkarten
Eine flaumlchendeckende Simulation des Oberflaumlchenabflusses im betrachteten Projektraum sollte aufgrund der dabei entstehenden Projekt- bzw Ingenieurkosten uumlberdacht werden
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(Stufe 1) Identifikation der potentiell gefaumlhrdeten Hangflaumlchen und die Erstellung von Starkregen Hinweiskarten
Es wird vorgeschlagen in einem ersten Schritt den betrachteten Projektraum flaumlchendeckend auf potentiell gefaumlhrdete Hangflaumlchen zu untersuchen
Dazu sollen die Gelaumlndeneigung die Bodennutzung sowie die Lage der steilen Hangflaumlchen zu den schadensempfindlichen Flaumlchen (zB Siedlungsgebiete) fachlich miteinander verknuumlpft werden
Beispielsweise lassen sich auf Grundlage der folgenden fachlich begruumlndeten Matrix mit Hilfe der GIS Werkzeuge die potentiell gefaumlhrdeten Hangflaumlchen leicht identifizieren
Gruumlnland Ackerland
Gelaumlndenutzung Gelaumlndeneigung
Be
arb
eitu
ng
que
r zur
Fallr
ich
tun
g
Be
arb
eitu
ng
in
Fallr
ich
tun
g
kleiner 5 nicht
gefaumlhrdet wenig
gefaumlhrdet
5 bis 10 maumlszligig
gefaumlhrdet
10 bis 20 maumlszligig
gefaumlhrdet
groszliger 20 stark
gefaumlhrdet sehr stark gefaumlhrdet
sehr stark gefaumlhrdet
Liegen unterhalb stark oder maumlszligig gefaumlhrdeter Flaumlchen Siedlungsgebiete oder sind in den gefaumlhrdeten Flaumlchen Siedlungsentwicklungen geplant ist eine detaillierte Untersuchung des Oberflaumlchenabflusses erforderlich (Stufe 2)
Die bislang verwendeten Kriterien zur Einschaumltzung den potentiell betroffenen Flaumlchen sollten uumlberpruumlft und weiterentwickelt werden
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Beispiel fuumlr eine Starkregen-Hinweiskarte Stadt Nidderau
(Stufe 2) Simulation des Oberflaumlchenabflusses der potentiell gefaumlhrdeten Flaumlchen und Erstellung von Starkregen Gefahrenkarten oder Flieszligpfadkarten
Fuumlr die in Stufe 1 identifizierten gefaumlhrdeten Flaumlchen ist in der zweiten Stufe der Oberflaumlchenabfluss zu simulieren Je nach Groumlszlige des zu betrachtenden Niederschlagseinzugsgebietes oberhalb der gefaumlhrdeten Siedlungsflaumlchen und Infrastrukturen muumlssen aus der Regensammlung (vgl Abschnitt 22) konvektive Ereignisse geeigneter Dauer ausgewaumlhlt werden
Aus der instationaumlren 2D-Simulation erhaumllt man fuumlr definierte Zeitpunkte nach dem Beginn des Niederschlages folgende fuumlr das gewaumlhlte Berechnungsraster raumlumlich aufgeloumlste hydraulisch relevante Grundinformationen
Ist die Flaumlche benetzt (janein)
Wasserstand (bdquoUumlberflutungshoumlheldquo) auf der Flaumlche
Flieszligrichtung und Flieszliggeschwindigkeit auf der Flaumlche
Diese hydraulischen Grundinformationen muumlssen aufbereitet fachlich interpretiert und auf geeignete Weise dargestellt werden
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Letztlich geht es darum die Frage zu klaumlren welche Fachinformationen eine Starkregen-Gefahrenkarte beinhalten sollte
Aus der Sicht der Verfasser sollten in den Gefahrenkarten folgende hydraulische Informationen enthalten sein
Abflussrinnen und Flieszligpfade auf den Hangflaumlchen (Vervollstaumlndigung des Gewaumlssernetzes gegen Flieszligrichtung vgl auch Bild Abschnitt 4 Seite 21)
Starkregen-Gefahrenkarte mit Flieszligpfaden und Flieszligrichtung aus BWK [1]
Wassertiefenentwicklung entlang der Flieszligpfade
Flieszliggeschwindigkeiten entlang der Flieszligpfade
Diese Fachinformationen sollten zusammen mit einem fuumlr den Nutzer geeigneten Kartenhintergrund (Luftbildaufnahmen ALK topographische Karte etc) visualisiert werden
Im Rahmen der Bearbeitung der vorgeschlagenen Pilot-Einzugsgebiete (siehe Abschnitt 7) sind geeignete Inhalte und Darstellungsmoumlglichkeiten fuumlr Starkregen-Gefahrenkarten zu entwickeln
Wie auch bei den Hochwassergefahrenkarten sollte die LAWA fuumlr bundesweit einheitliche Standards der Starkregen-Gefahrenkarten Sorge tragen
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7 Arbeitspaket 6 Modell- Pilotprojekt bdquoUmgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessenldquo
In einem letzten Arbeitsabschnitt sollen anhand ausgesuchter Einzugsgebiete mit Hilfe des in Abschnitt 6 vorgeschlagenen Vorgehens Starkregen-Hinweiskarten und Starkregen-Gefahrenkarten erstellt werden
Die Verwendung von Niederschlagsdaten aus Radarbeobachtungen (vgl Abschnitt 1) und der Einsatz des verbesserten Simulationsmodells (vgl Abschnitte 3 und 4) werden gegenuumlber der heutigen Praxis bessere fachliche Informationen zur Bewaumlltigung von Starkregen-Gefahrenlagen bereitstellen koumlnnen
Folgende Pilot-Einzugsgebiete in hessischen Rheingau werden zur Auswahl gestellt
Walluf (AE=281 kmsup2) Die Walluf besitzt einen Pegel (Martinsthal AE=245 kmsup2 36 km oberhalb der Muumlndung) im Einzugsgebiet An der Hochschule RheinMain steht ein Niederschlags-Abfluss Modell der Walluf zur Verfuumlgung
Erbbach Kisselbach (AE= 106 kmsup2)
Pfingstbach (AE= 84 kmsup2)
Stegbach Blaubach (AE= 127 kmsup2)
Der Hochwasserrisikomanagementplan Rheingau steht zurzeit in der oumlffentlichen Abstimmung und wird im Laufe 2015 fertig gestellt werden Nach Aussage von Frau Tremper des Regierungspraumlsidiums Darmstadt Abteilung IVWi 412 waumlre eine Ergaumlnzung des HWRM-PL Rheingau durch Starkregen-Hinweis- und -Gefahrenkarten der Rheingaubaumlche hilfreich Diese wuumlrden die im HWRM-PL Rheingau betrachteten Rhein-Hochwasserszenarien ergaumlnzen
Arbeitsziel unterstuumltzt durch Studienarbeiten Erstellung von Niederschlags- Abfluss Modellen fuumlr die Rheingaubaumlche Erbach Kisselbach Pfingstbach Stegbach Blaubach
Bei der Erstellung der Starkregen-Hinweiskarten und Starkregen-Gefahrenkarten fuumlr die Pilot-Einzugsgebiete sollen die in Abschnitt 6 weiterentwickelten Ansaumltze erprobt und die Karteninhalte mit den spaumlteren Nutzern diskutiert werden Dabei sollen insbesondere die Kartendarstellung und deren Inhalte den jeweiligen fachlichen Beduumlrfnissen entsprechen
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8 Literatur und Quellen
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9 Allgemeine Informationen Zeitplan und Ressourcen
91 Allgemeine Informationen
Antragsteller Prof Dr-Ing Ernesto Ruiz Rodriguez Wasserbaulaboratorium am Fachbereich Architektur und Bauingenieurwesen Hochschule RheinMain Kurt-Schumacher-Ring 18 65197 Wiesbaden
Projektbearbeiter Arbeitsgruppe bdquoStarkregen und Sturzflutenldquo am Wasserbaulaboratorium Prof Dr-Ing Ernesto Ruiz Rodriguez (Projektleitung) BEng Lisa Trost (Projektbearbeitung) Frank Salffner (Vermessungstechniker Laborant am Wasserbaulaboratorium und in der EDV- Arbeitsgruppe des Fachbereichs) Die Arbeitsziele werden durch Studienarbeiten des Master- Studienganges bdquoUmweltmanagement und Stadtplanung in Ballungsraumlumenldquo (UMSB) unterstuumltzt
Partnerschaften Kooperationspartner Prof Dr Ralf Doumlrner Hochschule RheinMain
FG Graphische Datenverarbeitung und Virtuelle Realitaumlt Prof Dr Robert Seuszlig Fachhochschule Frankfurt FG Geoinformation und Kommunaltechnik Berufsfeuerwehr Wiesbaden Dr Andreacute Assmann Fa Geomer Heidelberg
gewuumlnschte Zusammenarbeit Deutscher Wetterdienst Abt Hydrometeorologie Projektdauer 4 Jahre (vgl 92 Zeitplan) Eigenmittel Projektleitung durch Prof Dr E Ruiz Rodriguez
Nutzung der Einrichtungen des Wasserbaulaboratoriums der Hochschule RheinMain Unterstuumltzung bei Laborarbeiten und EDV Infrastruktur durch Frank Salffner
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92 Zeitplan
1
Jah
r
2
Jah
r
3
Jah
r
4
Jah
r Bemerkung
Arbeitspaket 1 Verwendung von Radardaten zur Simulation von Starkregen Sturzfluten fuumlr kleine Einzugsgebiete
Beginn der Arbeiten
Klaumlrung der Verfuumlgbarkeit von Radarniederschlagsdaten (fuumlr Modellierer Ingenieurbuumlros)
Aufwand zur Nutzung und Aufbereitung von Radarniederschlagsdaten fuumlr Modellierer Ingenieurbuumlros Erstellung eines Werkzeugs zur Visualisierung der archivierten und aktuellen Radarniederschlagsdaten Erstellung eines Werkzeugs zur Transformation und Projektion der DWD-RADOLAN-RW und RY-Komposit-Radarniederschlagsdaten in Gauszlig-Kruumlger undoder UTM-Projektion Erstellung eines GIS Werkzeugs zur Aufbereitung der DWD-RADOLAN-Komposit-Raster zur Simulation von Starkregen in kleinen Einzugsgebieten
1 Berichterstattung Arbeitspaket 1 (Teil 1)
Auswertung der RADOLAN Radarniederschlagsdaten des DWD
Praxisseminar Kolloquium bdquoVerwendung von Radardaten zur Simulation von Starkregen Sturzfluten in Hessenldquo
Arbeitspaket 2 Uumlberpruumlfung und Anpassung von Modellansaumltze zur Ermittlung des abflusswirksamen Niederschlages bei Starkregen
Uumlberpruumlfung und Anpassung der Modellansaumltze zur Ermittlung des abflusswirksamen Niederschlages bei Starkniederschlaumlgen unter besonderer Beruumlcksichtigung von Bodenfeuchte und Bodenluftkompressionseffekten
Arbeitspaket 3 Uumlberpruumlfung und Anpassung der hydraulischen Ansaumltze zur Berechnung des Oberflaumlchenabflusses bei Starkregen Sturzfluten an steilen Haumlngen
Bau der Versuchsrinne am Wasserbaulaboratorium Durchfuumlhrung und Auswertung der Versuche Uumlberpruumlfung und Anpassung der hydraulischen Ansaumltze zur Berechnung des Oberflaumlchenabflusses
2 Berichterstattung Arbeitspaket 2 und Arbeitspaket 3 (Teil1)
Arbeitspaket 4 Instationaumlre 2ndashdimensionale Modellierung des Oberflaumlchenabflusses bei Starkniederschlaumlgen
Anpassen des 2-dimensionallen Modelles auf instationaumlre Niederschlagsfronten Schnittstelle zu DWD RADOLAN Komposite Einarbeiten der verbesserten Ansaumltze zu Berechnung des abflusswirksamen Niederschlages bei Starkniederschlaumlgen Einarbeiten der verbesserten hydraulischen Ansaumltze
wird fortgesetzt
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1
Jah
r
2
Jah
r
3
Jah
r
4
Jah
r Bemerkung
Arbeitspaket 5 Erarbeitung von Starkregen Gefahrenkarten fuumlr das Land Hessen
Uumlberpruumlfen und Anpassung von fachlichen Kriterien fuumlr die Erstellung von Starkregen-Karten Definition der Inhalte von Starkregen-Hinweiskarten Definition der Inhalte von Starkregen- Gefahrenkarten
3 Berichterstattung Arbeitspaket 3 (Teil 2) Arbeitspaket 4 und Arbeitspaket 5 (Teil1)
Arbeitspaket 6 Modell- Pilotprojekt bdquoUmgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessenldquo
Erarbeitung von Starkregen-Hinweiskarten fuumlr die ausgewaumlhlten Pilot-Einzugsgebiete Erarbeitung von Starkregen-Gefahrenkarten fuumlr die ausgewaumlhlten Pilot-Einzugsgebiete Uumlberpruumlfen der fachlichen Kriterien und Ansaumltze (Arbeitspaket 5) fuumlr die Erstellung von Starkregen-Karten Diskussion uumlber die Starkregen-Karteninhalte und Starkregen-Kartendarstellung mit den Nutzern
4 Berichterstattung Arbeitspaket 5 (Teil 2) und Arbeitspaket 6 (Abschlussbericht)
93 Beantragte Mittel
Zur Durchfuumlhrung und Erreichung der im Antrag beschriebenen Arbeitsziele werden fuumlr das
1 Projektjahr 35000 Euro
2 Projektjahr 35000 Euro
3 Projektjahr 35000 Euro
4 Projektjahr 35000 Euro
beantragt
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1160 cm
280 cm
260 cm
1000 cm
1080 cm
6300 cm280 cm
3000 cm3000 cm
3000 cm 3000 cm
1000 cm624 cm
1500deg
Kipprinne zur Simulation des Oberflaumlchenabflusses an steilen HaumlngenLaumlnge= 630 mBreite= 10 mHoumlhe= 026 mmax Neigungswinkel 45deg
variableBeregnungslaumlnge
Maszligstab 120
1000 cm
260 cm
Sohlsubstrat zur Aufnahmevon kuumlnstlichen Bewuchsstrukturen
Beregnungsanlage mit schwenkbaren Duumlsen zurvertikalen Regensimulation
Wasserkoumlrper desOberflaumlchenabflusses
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Projektskizze Umgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessen (Arbeitstitel) Januar 2015 Anlage 1
1830 cm
2625 cm
Drehpunkt
1330 cm
6300 cm
280 cm
1500deg
Maszligstab 120
Kipprinne zur Simulation des Oberflaumlchenabflusses an steilen HaumlngenLaumlnge= 630 mBreite= 10 mHoumlhe= 026 mmax Neigungswinkel 45deg
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RADOLAN RW Kompositprodukt fuumlr die Flaumlchen der Bundesrepublik Deutschlandkomposit (900 km x 900 km) aus [5] 2011
Hierbei handelt es sich um die mit Hilfe der Bodenniederschlagsstationen angeeichten und uumlberlagerten Radarbilder der 16 Radarstationen Dieses Produkt gibt den Niederschlag pro Stunde fuumlr ein Rasterfeld von 1km x 1km an und steht in einer zeitlichen Aufloumlsung von einer Stunde zur Verfuumlgung Die Daten sind frei verfuumlgbar und stehen auf dem FTP-Server des DWD (ftpftp-cdcdwddepubCDC) zur freien Download zur Verfuumlgung Sie liegen im RADOLAN Kompositformat Version 222 vor Dies ist ein Binaumlrformat mit ASCII Header und kann zB mit der Python Skript-Bibliothek bdquowradlibldquo gelesen werden
Auszug aus dem RADOLAN-Kurzbeschreibung (Stand April 2012)
bdquoDas derzeit bestmoumlgliche am schnellsten verfuumlgbare RADOLAN-Ergebnis (RW-Produkt) ist ein angeeichtes RadarndashDeutschlandkomposit mit stuumlndlichen Niederschlagshoumlhen in einer Intensitaumltsaufloumlsung von 01 mm und in einer raumlumlichen Aufloumlsung von einem Quadratkilometer welches zeitnah (innerhalb von 30 Minuten) zur Verfuumlgung stehtldquo
Die RADOLAN-Komposite liegen in polarstereografischer Projektion vor und haben in der Projektion eine aumlquidistante Rasterung von 10 km Das kartesische Koordinatensystem besitzt eine Groumlszlige von 900 km x 900 km (siehe auch [4] [5])
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Eine deutlich bessere zeitliche Aufloumlsung liefert das RADOLAN RY-Komposit Bei gleicher raumlumlicher Aufloumlsung wie das oben beschriebene RW-Komposit besitzt das RY-Komposit in einer zeitlichen Aufloumlsung von 5 Minuten Die Niederschlagshoumlhen werden in 001 mm bereitgestellt
Beide Radar-Komposit-Produkte (RW und RY) sind fuumlr behoumlrdliche Aufgaben im Rahmen des vorbeugenden Hochwasserschutzes der BRD entwickelt und optimiert worden Fuumlr mittlere und groszlige Einzugsgebiete ist die bereit gestellte raumlumliche und zeitliche Aufloumlsung beider Produkte voumlllig ausreichend
Fuumlr kleine Einzugsgebiete (lt 50 kmsup2) stellt die raumlumliche Aufloumlsung von 1km x 1km die bei beiden Komposit-Produkte moumlglich ist eine deutliche Verbesserung gegenuumlber der Dichte der Niederschlagsstationen und der DWD KOSTRA Rasterweite dar
Am Beispiel des Teileinzugsgebietes des Rambach Ae=21 kmsup2 in Wiesbaden erhaumllt man uumlber das Radar-Komposit-Produkt eine deutlich bessere raumlumliche Aufloumlsung der Niederschlagsverteilung als uumlber die einzelnen Niederschlagsstation in WI-Auringen oder WI-Biebrich
Die zeitliche Aufloumlsung von 5 Minuten bietet die Moumlglichkeit die zeitliche Entwicklung und die raumlumlich Verteilung der Niederschlagsintensitaumlt auch fuumlr kleine Einzugsgebieten in ausreichender Qualitaumlt abzubilden
Die Klaumlrung der Anfrage beim DWD (Ansprechpartner Elmar Weigl) ob auch ein bdquoHessen Kompositldquo mit houmlherer raumlumlicher Aufloumlsung denkbar und erhaumlltlich ist steht noch aus
Insgesamt sind die angebotenen Radarniederschlagsdaten Radarprodukte auf die Beduumlrfnisse der aktuellen Nutzer zugeschnitten Die Zugaumlnglichkeit fuumlr Lehre und Forschung ist ausreichend gegeben
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22 Aufwand zur Nutzung und Aufbereitung von Radarniederschlagsdaten fuumlr Modellierer Ingenieurbuumlros
Wie in Abschnitt 1 einfuumlhrend erlaumlutert sind neben einer ausreichenden raumlumlichen und zeitlichen Aufloumlsung
die Kosten fuumlr die Beschaffung der Radarniederschlagsdaten und
der Aufbereitungsaufwand fuumlr die Simulation
fuumlr Modellierer Ingenieurbuumlros entscheidend
Ingenieurbuumlros bearbeiten Projekte aufgrund der Ausschreibungsbedingungen und der starken Konkurrenzsituation in einem sehr engen Finanzrahmen
Die aktuell angebotenen Radarniederschlagsdaten Radarprodukte benoumltigen einen zu groszligen Aufbereitungsaufwand um diese fuumlr die Simulation von Starkregen und Sturzfluten in kleinen Einzugsgebieten zu nutzen
Vor einer Simulation muumlssen die folgenden zwei Schritte abgearbeitet werden
1) Auswahl geeigneter konvektiver Ereignisse fuumlr das Untersuchungsgebiet (Regensammlung)
2) Aufbereitung der 5-minuumltigen Radarniederschlagsdaten fuumlr die gewaumlhlten konvektiven Ereignisse
Auswahl geeigneter konvektiver Ereignisse fuumlr das Untersuchungsgebiet (Regensammlung)
Zur Erinnerung Aktuelle werden die Radarniederschlagsdaten noch nicht genutzt sondern der statischen Regen aus einer benachbarten Niederschlagsstation oder statischen Blockregen aus DWD KOSTRA 2000 entnommen Die Dauer der Modellregen orientiert sich dabei an der Konzentrationszeit Flieszligzeit im Niederschlagsgebiet Um den Aufwand zur Beschaffung Auswahl und Aufbereitung der Niederschlagsdaten von konvektiven Ereignissen einzelner Niederschlagsstationen zu umgehen werden stattdessen die DWD KOSTRA 2000 Blockregen verwendet
Um bei der Auswahl von konvektiven Ereignissen aus Radarniederschlagsdaten den Kostenrahmen fuumlr die Datenbeschaffung gering zu halten erscheint es sinnvoll auf die RADOLAN-RW-Komposit Radarniederschlagsdaten mit einer zeitliche Aufloumlsung von 1 h die auf dem FTP-Server des
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DWD (ftpftp-cdcdwddepubCDC) zum freien kostenlosen Download zur Verfuumlgung stehen zuruumlck zu greifen
Mit folgenden Systemen lassen sich zurzeit die Niederschlagsdaten des RADOLAN RW-Komposits visualisieren
KONRAD webKONRAD - Zugang uumlber das Feuerwehrinformationssystem (FEWIS)
IDLRaBiD 50 - Darstellungsprogramm fuumlr Radarbilder des Deutschen Wetterdienstes
WaWIS (Registrierung uumlber DWD notwendig)
NinJo Lizenz erhaumlltlich uumlber Ernst Basler + Partner GmbH
Python Skript Bibliothek bdquowradlibldquo (Darstellen der einzelnen RW Komposite)
KONRAD bzw webKONRAD ist nur uumlber den Zugang des Feuerwehrinformationssystems (FEWIS) zu erreichen und steht Ingenieurbuumlros nicht zur Verfuumlgung
IDLRaBiD 50 ist eine interne Software des DWD und steht Ingenieurbuumlros nicht zur Verfuumlgung
WaWIS steht nur Behoumlrden zur Verfuumlgung die im Rahmen des Katastrophenschutzes taumltig sind
NinJo 17 kann als Lizenzprodukt erworben werden Auf das Ingenieurbuumlro kaumlmen Lizenz- und Installationskosten welche sich im 5 stelligen Bereich bewegen zu Fuumlr Forschungsinstitutionen fallen die Lizenzkosten weg es verbleiben jedoch Installationskosten von ca 5000 Euro Eine Betrachtung von konvektiven Fronten uumlber mehrere Tage hinweg ist fuumlr ausgesuchte Zeitabschnitte moumlglich
Eine weitere Alternative ist die Nutzung der umfangreichen Phyton-Skript Bibliothek bdquowradlibldquo Hier muss jedes einzelne RW-Komposit eingelesen und visualisiert werden Natuumlrlich wird dies durch geeignete wradlib utility functions (Batch Routinen zur Verarbeitung vieler RW-Komposite) erleichtert Der Gesamtaufwand zur Visualisierung ist dennoch erheblich
Der Einsatz der letzten zwei Alternativen setzt jedoch voraus dass man bestimmte konvektive Ereignisse bereits identifiziert hat Dh die entsprechenden historischen Ereignisse sind bekannt oder es wurden aus den Aufzeichnungen der Bodenniederschlagsstationen bereits Ereignisse ausgewaumlhlt
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Zurzeit gibt es noch kein System welches frei zugaumlnglich ist und die historischen RW RADOLAN-Daten (Juni-2005 bis heute) visualisieren kann
Optimal waumlre es wenn die RW-RADOLAN-1h-Komposite jahresweise in einem Video mit Datum Kartenhintergrund und N-Intensitaumltsskala vor- und ruumlckspulbar betrachtet werden koumlnnten Auf diese Weise waumlre es moumlglich maszliggebende konvektive Ereignisse Szenarien (Regensammlung mit verschiedenen Niederschlagsdauern und verschiedenen Niederschlagsmengen) zur Simulation leichter zu identifizieren (vgl auch Abschnitt 7)
Arbeitsziel unterstuumltzt durch Studienarbeit Entwurf und Umsetzung eines Werkzeugs zur Visualisierung der archivierten und aktuellen Radarniederschlagsdaten (DWD-RADOLAN-RW-Komposit)
Aufbereitung der 5 minuumltigen Radarniederschlagsdaten fuumlr die gewaumlhlten konvektiven Ereignisse
Sind die konvektiven Ereignisse Szenarien zur Simulation identifiziert muumlssen deren Radarniederschlagsdaten je nach Anforderung des verwendeten Simulationsmodells aufbereitet werden
Alle Simulationsmodelle nutzen fuumlr die Eingabeaufbereitung und Ergebnispraumlsentation GIS-Oberflaumlchen So lassen sich Simulationsergebnisse mit anderen Datengrundlagen (Amtliches Liegenschaftskatasterinformationssystem ALKIS Bodeninformationen Luftbilder Nutzung etc) verschneiden und fachlich interpretieren (zB Erstellung von Starregen Gefahrenkarten) Oftmals werden die Simulationsmodelle als aufgesetzte bdquoFachschaltenldquo zu GIS-Systemen realisiert
Diese Tatsache macht es unumgaumlnglich die Komposit-Radarniederschlagsdaten auf ein GIS-System kompatibles Format mit geeigneter Projektion (zB Gauszlig-Kruumlger- oder UTM-Projektion) zu uumlberfuumlhren
Die fuumlr die DWD ndashRADOLAN-RW-Komposit-Radarniederschlagsdaten verwendete polarstereographische Projektion (siehe [5]) ist fuumlr die derzeitigen Anwendungen geeignet Man betrachtet und beurteilt groszligraumlumige Wetterlagen uumlber Staats- Bundeslandgrenzen hinweg
Fuumlr eine Simulation von kleinraumlumigen Starkregenereignissen und eine fachliche Verschneidung der Simulationsergebnisse mit weiteren Daten eignet sich die polarstereographische Projektion jedoch nicht
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In [33 Kapitel 5] werden die Probleme beim Georeferenzieren der DWD-RADOLAN-Komposite ausfuumlhrlich erlaumlutert
Arbeitsziel unterstuumltzt durch Studienarbeiten Entwurf und Umsetzung eines Werkzeugs zur Transformation und Projektion der DWD-RADOLAN-RW und RY-Komposit-Radarniederschlagsdaten in Gauszlig-Kruumlger undoder UTM-Projektion
Innerhalb des HLUG sollte eine Diskussion zur Festlegung einheitlicher Projektionen fuumlr kuumlnftige wasserwirtschaftliche Projekte im Land Hessen stattfinden
Waumlhrend die in Gauszlig-Kruumlger- oder UTM transformierten Radarniederschlagsdaten in einem Raster von ca 1km x 1km vorliegen koumlnnen die Simulationsmodelle (vgl Abschnitt 0) je nach gewaumlhlten Randbedingungen deutlich kleinere Rasterweiten (zB 5m x 5 m bis 100 m x 100m) verwenden
Fuumlr eine Simulation muss ein gemeinsames Rasters definiert und alle Datengrundlagen in dieses Raster uumlberfuumlhrt werden
Uumlberlagerung eines Transformierten RADOLAN Raster mit Gauszlig-Kruumlger oder UTM Raster
Gauszlig-Kruumlger oder UTM transformiertes RADOLAN Raster (schiefes Veireck 950x950 m)
zur Simulation verwendetes Raster
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Arbeitsziel unterstuumltzt durch Studienarbeit Entwurf und Umsetzung eines GIS Werkzeugs zur Aufbereitung der DWD-RADOLAN-Komposit-Raster zur Simulation von Starkregen in kleinen Einzugsgebieten
23 Auswertung der RADOLAN Radarniederschlagsdaten des DWD
Wie in Abschnitt 2 erlaumlutert koumlnnen die Zugrichtung und die Zuggeschwindigkeit einer konvektiven Starkregenfront Starkregenzelle die Einwirkungsintensitaumlt in einem Niederschlagseinzugsgebiet entscheidend beeinflussen Die Abmessungen der Starkregenfront Starkregenzelle in Verbindung mit der Zuggeschwindigkeit sowie die Regendauer koumlnnen im unguumlnstigen Fall mit der Konzentrationszeit im Niederschlagseinzugsgebiet zusammenfallen und zu einer entscheidenden Verschaumlrfung des Wellenscheitels fuumlhren
Unter der Voraussetzung dass die in Abschnitt 22 beschriebenen Werkzeuge erstellt worden sind sollen nun mit deren Hilfe die historischen RADOLAN Radarniederschlagsdaten ausgewertet werden
Identifizieren von Starkregenfronten Starkregenzellen Hierfuumlr sind Identifikationskriterien zu erarbeiten
Einordnung des Wiederkehrintervalls der Starkregenfront Starkregenzelle (Dauer und Niederschlagsmenge) mit Hilfe der DWD KOSTRA2000-Auswertung
Identifikation und Digitalisierung des Intensitaumltsschwerpunktes der jeweiligen Starkregenfront
Zeitliche Entwicklung der Intensitaumltsverteilung innerhalb der Starkregenfront
Fuumlr jede identifizierte Starkregenfront Starkregenzelle sollen in Abhaumlngigkeit der JahreszeitWetterlage folgende Parameter ermittelt und statistisch ausgewertet werden
Digitalisierung der Abmessungen (Laumlngenausdehnung Breitenausdehnung) und der Form (Laumlngen-Breitenverhaumlltnis oder Flaumlche-Umfangverhaumlltnis)
Digitalisierung der Zugrichtung (Zugbahn Zugtrajektorie) und Zuggeschwindigkeit (im Schwerpunkt der Intensitaumlt)
Darstellung der Abmessungen der Zugrichtungen und Zugbahnen in Karten und Uumlberlagerung mit dem digitalen Gelaumlndemodell
Auf diese Weise koumlnnen eventuell Starkregenschwerpunkte (-regionen) in Hessen identifiziert und in Karten dargestellt werden
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Arbeitsziel unterstuumltzt durch Studienarbeit(en) Auswertung historischer RADOLAN Radarniederschlagsdaten des DWD
24 Praxisseminar Kolloquium bdquoVerwendung von Radardaten zur Simulation von Starkregen Sturzfluten in Hessenldquo
In Zusammenarbeit mit dem Wissenschaftsforum Umwelt und der Weiterbildungsplattform NATURUMWELTTECHNIK (NUT) der Hochschule RheinMain sollen in einem 1-taumlgigen Praxisseminar die Moumlglichkeiten zur Nutzung von Radarniederschlagsdaten zur Simulation von Starkregen Sturzfluten vorgestellt werden
Zielgruppe Ingenieurhydrologen Hydrologen Ingenieurbuumlros (Modellierer) und andere am Thema Interessierten
Die Organisation uumlbernimmt die Weiterbildungsplattform NUT der Hochschule RheinMain Die fachliche Koordination ist durch Prof Dr Ernesto Ruiz Rodriguez und Frau BEng Lisa Trost gesichert Eine partnerschaftliche Koordination durch das HLUG und den DWD ist moumlglich und wird ausdruumlcklich erwuumlnscht
3 Arbeitspaket 2 Uumlberpruumlfung und Anpassung von Modellansaumltze zur Ermittlung des abflusswirksamen Niederschlages bei Starkregen
Unter dem abflusswirksamen (effektiven) Niederschlag versteht man den Anteil des Niederschlages der in einem Einzugsgebiet unmittelbar nach dem Niederschlagsereignis als Direktabfluss wirksam wird
Zu Beginn des Niederschlagsereignisses sind die Verluste idR besonders groszlig (Benetzung der der Vegetationsdecke und Muldenverluste) Bei Starkregen werden diese Speicherraumlume jedoch schnell gefuumlllt und die hohen Niederschlagsintensitaumlten uumlbersteigen oft die Infiltrationsfaumlhigkeit des Bodens und es kommt zum Oberflaumlchenabfluss (vgl auch Abschnitt 4)
Insofern spielt besonders bei Starkregen der Anteil an abflusswirksamen Oberflaumlchenabfluss eine entscheidende Rolle Dieser bildet gemeinsam mit dem oberflaumlchennahen Interflow in der belebten Bodenzone den Hauptanteil am sog abflusswirksamen Niederschlag
Der in der Ingenieurhydrologie am haumlufigsten verwendete Modellansatz zur Ermittlung des abflusswirksamen Niederschlags ist der Ansatz des Abflussbeiwertes Er wird sowohl in der Urbanhydrologie (Kanalnetzberechnung) als auch
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bei der Modellierung von Niederschlags-Abfluss-Prozessen (NA-Modellierung) auf natuumlrlichen Flaumlchen eingesetzt
Abflussbeiwert-Ansaumltze
)()()(
)()(
)(
)(
tititi
titi
ti
ti
vw
w
w
Ψ ndash Abflussbeiwert [-]
i(t) ndash Niederschlagsintensitaumlt [mmh]
iw(t) ndash wirksame Niederschlagsintensitaumlt [mmh]
a) konstanter Abflussbeiwert Ψ
b) Konstanter Abflussbeiwert Ψ mit Anfangsverlust hva
Der Anfangsverlust hva wird durch die Mulden- und Benetzungsverluste begruumlndet
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c) Zeitvarianter Abflussbeiwert Ψ mit oder ohne Anfangsverlust hva
In der Urbanhydrologie wird der konstante Abflussbeiwert Ψ ohne Anfangsverlust hva bei der NA-Modellierung kommt fast immer der konstante Abflussbeiwert Ψ mit Anfangsverlust hva zum Einsatz
Liegen Niederschlags- und Abflussaufzeichnungen des Direktabflusses QD(t) vor und ist der Verlauf des Basisabflusses QB(t) bekannt so kann der Abflussbeiwert Ψ aus der Volumen-Massenbilanz ermittelt werden Der Anfangsverlust hva wird in der Regel mit 3 bis 4 mm Niederschlagshoumlhe geschaumltzt Der gefallene effektive Niederschlag iw(t)=Ψ i(t) findet sich im Direktabfluss QD(t) oberhalb des Basisabflusses QB(t)
RE
RA
w
e
D
t
t
iE
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t
DQ VdttiAdttQV )()(
0
Liegen keine Niederschlags undoder Pegelaufzeichnungen vor wird in der Ingenieurpraxis der Abflussbeiwert mit Hilfe oder im Anlehnung an das SCS Verfahrens (US Soil Conversation Service der USA) ermittelt Diese Verfahren wird ua in der
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DVWK-Regel 113 beschrieben Das SCS-Verfahren unterscheidet folgende Bodentypen
Bodentyp A Boumlden mit groszligem Versickerungsvermoumlgen auch nach starker Vorbefeuchtung zB tiefe Sand- und Kiesboumlden
Bodentyp B Boumlden mit mittlerem Versickerungsvermoumlgen tiefe bis maumlszligig tiefe Boumlden mit maumlszligig feiner bis maumlszligig grober Textur zB mitteltiefe Sandboumlden Loumlszlig (schwach) lehmiger Sand
Bodentyp C Boumlden mit geringem Versickerungsvermoumlgen Boumlden mit feiner bis maumlszligig feiner Textur oder mit wasserstauender Schicht zB flache Sandboumlden sandiger Lehm
Bodentyp D Boumlden mit sehr geringem Versickerungsvermoumlgen Ton Boumlden sehr flache Boumlden uumlber nahezu undurchlaumlssigem Material Boumlden mit dauernd sehr hohem Grundwasserspiegel
BodennutzungBodentyp A B C D
Oumldland (ohne nenneswerten Bewuchs) 77 86 91 94
Hackfruumlchte Wein 70 80 87 90
Wein (Terrassen) 64 73 79 82
Getreide Futterpflanzen 64 76 84 88
Weide (normal) 49 69 79 84
Weide (kark) 68 79 86 89
Dauerwiese 30 58 71 78
Wald (stark aufgelockert) 45 66 77 83
Wald (mittel aufgelockert) 36 60 73 79
Wald (dicht) 25 55 70 77
undurchlaumlssige bzw versiegelte Flaumlchen 100 100 100 100
CN-Beiwert des SCS-Verfahrens
In Abhaumlngigkeit der Bodennutzung und des Bodentyps wird fuumlr das Niederschlagseinzugsgebiet ein flaumlchengewichteter CN-Beiwert ermittelt und der effektive Niederschlag hNE berechnet
4258800425
22004252
NN
NNNe
Ch
Chh
N
Ne
h
h
Das Originalverfahren hat Schwaumlchen und wurde mehrfach modifiziert (zB nach Oslashverland Zaiszlig und Lutz) Dabei wurde versucht den Einfluss der aktuellen Bodenfeuchte des Bodens besser zu beruumlcksichtigen Je nach Bodentyp kann diese einen groszligen Einfluss auf den effektiven Niederschlag (vgl auch Abschnitt 41) haben
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Alle diese Ansaumltze beruumlcksichtigen nicht die bei Starkregen beobachteten und in [17] beschriebenen Effekte der Bodenluftkompression die die Infiltrationsfaumlhigkeit des Porenraumes bei hohen Niederschlagsintensitaumlten mindert und somit den Anteil des Oberflaumlchenabflusses erhoumlht
Arbeitsziel unterstuumltzt durch Studienarbeit Uumlberpruumlfung und Anpassung der Modelansaumltze zur Ermittlung des abflusswirksamen Niederschlages bei Starkniederschlaumlgen unter besonderer Beruumlcksichtigung von Bodenfeuchte und Bodenluftkompressionseffekten
Die Verwendung der Radarniederschlagsdaten macht es moumlglich die zeitliche und raumlumliche Niederschlagsverteilung im Einzugsgebiet zu betrachten Da die Niederschlagsintensitaumlten und -mengen im Einzugsgebiet variieren werden sich demzufolge raumlumlich verteilte Abflussbeiwerte ergeben Die oben beschriebenen Ansaumltze zur Ermittlung des abflusswirksamen Oberflaumlchenabflusses muumlssen daraufhin angepasst und ggf weiterentwickelt werden
Arbeitsziel unterstuumltzt durch Studienarbeit Uumlberpruumlfung und Anpassung der Modelansaumltze zur Ermittlung des abflusswirksamen Niederschlages bei raumlumlich und zeitlich sich veraumlndernden Starkniederschlaumlgen
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4 Arbeitspaket 3 Uumlberpruumlfung und Anpassung der hydraulischen Ansaumltze zur Berechnung des Oberflaumlchenabflusses bei Starkregen Sturzfluten an steilen Haumlngen
Beim Oberflaumlchenabfluss muss zwischen dem klassischen Oberflaumlchenabfluss nach Horton (1933) und dem Saumlttigungsoberflaumlchenabfluss unterschieden werden
Der Oberflaumlchenabfluss nach Horton entsteht durch einen Infiltrationsuumlberschuss Die Niederschlagsintensitaumlt ist houmlher als die Infiltrationskapazitaumlt der Boumlden und das nicht infiltrierte Niederschlagswasser flieszligt dann in Fallrichtung auf der Hangoberflaumlche ab
Der Saumlttigungsoberflaumlchenabfluss setzt dann ein wenn der Boden seine maximale Wassersaumlttigung erreicht hat dh das Porenvolumen vollstaumlndig mit Wasser gesaumlttigt ist Bei diesem Abfluss tritt haumlufig Wasser aus einem vergangenen Ereignis wieder aus dem Boden aus (Exfiltration) und vermischt sich mit dem Niederschlag des aktuellen Ereignisses
Im Folgenden wird zunaumlchst nur die Einphasenstroumlmung des Oberflaumlchenwassers betrachtet der Bewegungsbeginn und der Transport von Teilen der Bodenmatrix (Erosion) werden nicht analysiert Der Massentransport koumlnnte nachdem die Bewegungsgleichungen der Einphasenstroumlmung in steilen Haumlngen verifiziert oder korrigiert wurden in spaumlteren Arbeitsschritten betrachtet werden
Fuumlr die Simulation des Oberflaumlchenabflusses an Steilhaumlngen werden aktuell dieselben Ansaumltze verwendet wie zur Berechnung des Oberflaumlchenabflusses auf flachen Uumlberflutungsflaumlchen in Gewaumlssern und auf Auen Die dabei erzielten Ergebnisse scheinen so plausibel sodass die verwendeten Modelle bislang noch nicht hinterfragt wurden Und das obwohl die geometrischen und hydraulischen Randbedingungen an steilen Hanglagen sich von denen auf flachen Uumlberflutungsflaumlchen stark unterscheiden
In diesem Zusammenhang verglich beispielsweise Herr Dipl-Ing Klaus Schmalzl des Wasserwirtschaftsamtes Rosenheim in seinem Vortrag bdquoSturzfluten hydrodynamisch numerisch mit HYDRO_AS-2D berechnenldquo [38] den er im Rahmen des Treffens der Anwender des 2D-Hydrodynamik-Programms HYDRO_AS-2D der Fa Hydrotec am 11Okt 2014 in Muumlnchen hielt das Programm HYDRO_AS-2D welches eigentlich fuumlr die 2-Dimensionale Simulation in Gewaumlssern entwickelt worden ist mit einem bdquoSchweizer Messerldquo welches als Symbol fuumlr einen vielseitigen Einsatz steht
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In Kongress INTERPRAEVENT 2012 in Grenoble [25] wurde bdquoEin neuer Ansatz zur Modellierung von Oberflaumlchenabflussldquo vorgestellt In der Zusammenfassung
bdquoOberflaumlchenabfluss wird als der Teil des Niederschlags verstanden welcher einem Vorfluter uumlber die Bodenoberflaumlche unmittelbar zufliesst Auswertungen von Unwetterereignissen in den letzten Jahren in der Schweiz haben gezeigt dass bis zu 50 der durch Wassergefahren verursachten Schadenfaumllle durch Oberflaumlchenabfluss verursacht worden sind Dennoch ist Oberflaumlchenabfluss in der Schweiz kaum in den Gefahrenkartierungsprozess integriert Um diese Luumlcke zu fuumlllen wurde auf der Basis der Software FloodArea eine Methode entwickelt welche eine Modellierung von Oberflaumlchenabfluss mit einheitlichen Kriterien uumlber grosse Gebiete erlaubt In dieser Studie werden die Methodenentwicklung und zwei Fallstudien vorgestellt Die Resultate zeigen dass an den Raumlndern von Siedlungsflaumlchen und im Landwirtschaftsland gute Ergebnisse erzielt werden Potenziell gefaumlhrdete Gebaumlude oder Bauparzellen werden erkannt Innerhalb von Siedlungsgebieten sind die Differenzen zu realen Ereignissen groumlsser Daher liegt der Fokus von Folgearbeiten auf einer weiteren Verbesserung der Genauigkeit des Gelaumlndemodells und der Integration von zusaumltzlichen Strukturen (zB Kleinbauten) welche Fliesswege entscheidend beeinflussen koumlnnenldquo aus [25]
wird auf die Software FloodArea der Fa Geomer Heidelberg verwiesen
FloodArea und auch HYDRO_AS-2D sind Beispiele von in der Praxis verwendeten Programmen zur Berechnung von Wasserspiegellagen in Gewaumlssern und zur 2-D Uumlberflutungssimulation auf Auen Wie das nachfolgende Bild zeigt sind die mit FloodArea erzielten Simulationsergebnisse plausibel
Oberflaumlchenabflussmodellierung in Busswil (Kanton Bern Schweiz) aus [25]
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Der Verfasser dieser Projektskizze selbst hat in Zusammenarbeit mit der Fa Geomer in Heidelberg die hydraulischen Kernroutinen fuumlr das Programm FloodArea entwickelt und ist daher in der Lage deren Einsatzgrenzen gut beurteilen zu koumlnnen
41 Korrektur der Flieszligformeln zur Simulation des Oberflaumlchenabflusses an steilen Haumlngen
Die nachfolgende Tabelle zeigt die unterschiedlichen Auspraumlgungen von wichtigen hydraulischen und geometrischen Randbedingungen fuumlr den steilen Oberflaumlchenabfluss und fuumlr die Wasserausbreitung auf den vergleichsweise flachen Gewaumlsserauen
Parameter Auspraumlgung
Gewaumlsser und Aue Steile Hanglage
Gefaumllle klein permil bis 10
groszlig 5 bis uumlber 100
Wassertiefe groszlig Dezimeter bis mehrere Meter
klein Duumlnnfilmabfluss bis Dezimeter
Betrachten wir zunaumlchst ein Fluidelement 119889119909 times ℎ times 119880 auf einer steilen Hangflaumlche mit dem Hangneigungswinkel β und formulieren in x- Richtung das Kraumlftegleichgewicht zwischen der hangabwaumlrts treibenden Kraft
119866 times sin 120573 = 119889119909 times ℎ times 119880 times 120588 times 119892 times sin 120573 und der Hangreibungskraft T
119879 = 120591 times 119880 times 119889119909 Man erhaumllt so den bekannten Ansatz fuumlr die Schleppspannung
120591 auf einer Hangflaumlche
120591 = 120588 times 119892 times119860
119880times sin 120573 [
119873
1198982]
dx
Q
vdx cosszlig
h
G
G sinszlig
T
U
Ah
szlig
x
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Mit dem in der turbulenten Hydraulik uumlblich verwendeten Ansatz
120591 =120582
81199072 [
119873
1198982]
ergibt sich die Flieszligformel fuumlr den Oberflaumlchenabfluss
119907 =1
radic120582times radic8 times 119892 times
119860
119880times 119904119894119899 120573 [
119898
119904]
mit
v - mittl Flieszliggeschwindigkeit [ms]
1
radic120582 - Reibungskoeffizient [-]
g - Erdbeschleunigung [mssup2]
A - Abflussquerschnitt [msup2]
U - benetzte Sohle [m]
β - Hangneigungswinkel [Grad]
Da in der Flusshydraulik die Neigungswinkel der Gewaumlssersohlen deutlich kleiner sind als die Neigungswinkel steiler Hanglagen werden die Flieszligformeln vereinfach
119907 =1
radic120582times radic8 times 119892 times
119860
119880times 119868119864
Anstelle des 119904119894119899 120573 wird das Gefaumllle IE verwendet Dh
119904119894119899 120573 = 120573 oder 119904119894119899 120573 = 119905119886119899 120573 = 119868119864
mit
IE - Sohlgefaumllle [minuspermil]
Fuumlr Gefaumllle bis 20 oder 113 Grad Neigung ist diese Vereinfachung vertretbar und liefert gute Ergebnisse Ab Neigungen groumlszliger 20 darf diese Vereinfachung nicht mehr angesetzt werden Bei einer Hangneigung mit 45 Grad oder IE=1=100 Gefaumllle weichen die Ergebnisse fuumlr die Flieszliggeschwindigkeit um 16 ab
radic1 = 1 radic119904119894119899 45 = 07071 = 084 119865119890ℎ119897119890119903 =1minus084
1times 100 = 16
Bei aktuellen Simulationen werden diese Fehler manchmal auch aus Unkenntnis hingenommen oder mit Hilfe des Reibungskoeffizienten der Oberflaumlchen versucht zu korrigieren
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42 Versuchseinrichtung zur Uumlberpruumlfung und Anpassung der Flieszligformeln zur Simulation des Oberflaumlchenabflusses an steilen Haumlngen
Auf dem Gelaumlnde des Wasserbaulaboratoriums der Hochschule RheinMain soll im naumlchsten Sommersemester 2015 eine Versuchseinrichtung zur Simulation von Oberflaumlchenabfluss auf Hanglagen bis 45deg (11 100) errichtet werden
Es soll eine kippbare Versuchsrinne mit einer Breite von 10 m einer Houmlhe von 026 m und einer Laumlnge von 63 m errichtet werden (vgl auch Anlage 1) Zur vertikalen Regensimulation soll uumlber der Versuchsrinne eine Beregnungsanlage mit schwenkbaren Duumlsen angebracht werden
Kipprinne zur Simulation von Oberflaumlchenabfluumlssen an steilen Haumlngen vgl Anlage 1
In einer ersten Phase sollen die in Abschnitt 41 diskutierten hydraulischen Ansaumltze in Versuchen verifiziert werden Hierbei gilt es besonders zu uumlberpruumlfen ob bei sehr kleinen Abflusstiefen (Duumlnnfilmabfluss) die Oberflaumlchenspannung der Wassers bei den Bewegungsgleichungen von Bedeutung ist
Fuumlr die Versuchsreihen koumlnnen die Beregnungslaumlnge die Niederschlagsintensitaumlt und der Neigungswinkel der Versuchsrinne variiert werden
Arbeitsziel unterstuumltzt durch Studienarbeit Uumlberpruumlfung und Anpassung der Flieszligformeln zur Simulation des Oberflaumlchenabflusses an steilen Haumlngen
In einer spaumlteren Versuchsphase soll SohlsubstratBoden eingebracht werden um mit oder ohne kuumlnstlichen Bewuchsstrukturen verschiedene Hangrauheiten simulieren zu koumlnnen Dies soll zur Klaumlrung des Erosionsbeginns der Bodenmatrix beitragen
1000 cm
260 cm
Sohlsubstrat zur Aufnahmevon kuumlnstlichen Bewuchsstrukturen
Beregnungsanlage mit schwenkbaren Duumlsen zurvertikalen Regensimulation
Wasserkoumlrper desOberflaumlchenabflusses
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5 Arbeitspaket 4 Instationaumlre 2ndashdimensionale Modellierung des Oberflaumlchenabflusses bei Starkniederschlaumlgen
Um dem Programmieraufwand im Rahmen des Projektes so gering wie moumlglich zu halten wird vorgeschlagen das Programm Floodarea der Fa Geomer Heidelberg welches sich bisher in der Praxis bewaumlhrt hat als Basis fuumlr die Simulationen zu verwenden FloodArea ist ein vollstaumlndig in ArcGISreg integriertes 2D-Modell zur Berechnung von Uumlberschwemmungsflaumlchen Wie in Abschnitt 4 bereits erwaumlhnt war der Verfasser dieser Skizze in die Erarbeitung der hydraulischen Kernroutinen dieser Software involviert und kann insofern ihre Einsatz- und Anpassungsmoumlglichkeiten sehr gut abschaumltzen Eine Abstimmung mit Herrn Dr Assmann von der Fa Geomer erfolgte vor dem Verfassen dieser Projektskizze
Folgende Anpassungen bzw Erweiterungen des Programms sollen realisiert werden
Schnittstelle zu den DWD-Radarniederschlagsdaten um die 5-minuumltigen RADOLAN RY-Komposite fuumlr eine instationaumlre 2-dimensionale Modellierung des Oberflaumlchenabflusses verwenden zu koumlnnen(vgl Abschnitt 2)
Einarbeitung der angepassten und erweiterten Ansaumltze zur Ermittlung des abflusswirksamen Niederschlages bei Starkregen
Einarbeitung der uumlberarbeiteten hydraulischen Ansaumltze fuumlr den Oberflaumlchenabfluss in steilen Hanglagen
Fuumlr die in Abschnitt 7 vorgeschlagenen Pilot-Einzugsgebiete sollen fuumlr ausgesuchte Starkregenereignisse (Regensammlung vgl Abschnitt 22) Simulationen des Oberflaumlchenabflusses durchgefuumlhrt werden
Die Ergebnisse dieser Simulationen sollen die hydraulische Grundlage fuumlr die in Abschnitt 6 beschriebenen Starkregen-Gefahrenkarten bilden
Folgende Datengrundlagen sind in die Simulationen des Oberflaumlchenabflusses zu intergrieren
Radarniederschlagsdaten (vgl Abschnitt 2)
ein hoch aufgeloumlstes digitales Gelaumlndemodell aus Laserscandaten Bereits durchgefuumlhrte Simulationen des Landes Baden Wuumlrttemberg im Einzugsgebiet der Starzel und [25] zeigen dass der Einfluss von Kleinstrukturen und Hindernissen (Mauern Graumlben Strassendammprofile) auf den Verlauf des Abflussgeschehens einen groszligen Einfluss haben koumlnnen
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Diese Kleinstrukturen werden allerdings durch das digitale Gelaumlndemodell nicht immer vollstaumlndig abgebildet Ggf muumlssen die Kleinstrukturen nachdigitalisiert werden um das digitale Gelaumlndemodell bdquohydraulischldquo zu vervollstaumlndigen
Gewaumlssernetz
Nutzungsmodell (zB ATKIS ALKIS CORINE LAND COVER) ggf mit Luftbildaufnahmen zur Verifizierung und Praumlzisierung der Nutzung und zur Ermittlung der Bearbeitungsrichtung bei landwirtschaftlichen Flaumlchen Hydraulisch nicht aktive Gebaumludeflaumlchen muumlssen bdquomarkiertldquo werden damit die Simulation an einer moumlglichst reellen Oberflaumlchengeometrie durchgefuumlhrt werden kann
Bodenkarte
Informationen uumlber die Bodenfeuchte oder Betrachtung der Regenmengen in den letzten 30 Tagen
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6 Arbeitspaket 5 Erarbeitung von Starkregen Gefahrenkarten fuumlr das Land Hessen
Wie im einfuumlhrenden Abschnitt 1 erlaumlutert muumlssen aufgrund der zu kurzen Vorwarnzeiten in kleinen Einzugsgebieten die Flaumlchen- und Bauvorsorge intensiviert werden um Schaumlden durch Starkregen und Sturzfluten mindern zu koumlnnen Die dazu notwendigen Informationen uumlber die in dieser Hinsicht gefaumlhrdeten Flaumlchen und deren Nutzung muumlssen bei der angepassten kommunalen Planung beruumlcksichtigt werden Flaumlchennutzungs- und Bebauungsplaumlne sind auf die topographischen Gegebenheiten und auf die Abflusseigenschaften des Gebietes bei Starkregen abzustimmen
Starkregen Hinweis- oder Starkregen Gefahrenkarten koumlnnen als Ergaumlnzung zu den mittlerweile bundesweit eingefuumlhrten Hochwassergefahrenkarten diese Informationen bereitstellen
Die im Folgenden verwendeten Begriffe
Starkregen-Hinweiskarte
Starkregen-Gefahrenkarten oder Flieszligpfadkarten
sind vorlaumlufige Benennungen Wie auch bei den Hochwassergefahrenkarten muss die LAWA fuumlr eine bundesweit einheitliche Benennung Sorge tragen
Aus der Sicht der Verfasser wird ein zweistufiges Vorgehen empfohlen
1 Identifikation der potentiell gefaumlhrdeten Hangflaumlchen und die Erstellung von Starkregen Hinweiskarten
2 Simulation des Oberflaumlchenabflusses der potentiell gefaumlhrdeten Flaumlchen und Erstellung von Starkregen Gefahrenkarten oder Flieszligpfadkarten
Eine flaumlchendeckende Simulation des Oberflaumlchenabflusses im betrachteten Projektraum sollte aufgrund der dabei entstehenden Projekt- bzw Ingenieurkosten uumlberdacht werden
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(Stufe 1) Identifikation der potentiell gefaumlhrdeten Hangflaumlchen und die Erstellung von Starkregen Hinweiskarten
Es wird vorgeschlagen in einem ersten Schritt den betrachteten Projektraum flaumlchendeckend auf potentiell gefaumlhrdete Hangflaumlchen zu untersuchen
Dazu sollen die Gelaumlndeneigung die Bodennutzung sowie die Lage der steilen Hangflaumlchen zu den schadensempfindlichen Flaumlchen (zB Siedlungsgebiete) fachlich miteinander verknuumlpft werden
Beispielsweise lassen sich auf Grundlage der folgenden fachlich begruumlndeten Matrix mit Hilfe der GIS Werkzeuge die potentiell gefaumlhrdeten Hangflaumlchen leicht identifizieren
Gruumlnland Ackerland
Gelaumlndenutzung Gelaumlndeneigung
Be
arb
eitu
ng
que
r zur
Fallr
ich
tun
g
Be
arb
eitu
ng
in
Fallr
ich
tun
g
kleiner 5 nicht
gefaumlhrdet wenig
gefaumlhrdet
5 bis 10 maumlszligig
gefaumlhrdet
10 bis 20 maumlszligig
gefaumlhrdet
groszliger 20 stark
gefaumlhrdet sehr stark gefaumlhrdet
sehr stark gefaumlhrdet
Liegen unterhalb stark oder maumlszligig gefaumlhrdeter Flaumlchen Siedlungsgebiete oder sind in den gefaumlhrdeten Flaumlchen Siedlungsentwicklungen geplant ist eine detaillierte Untersuchung des Oberflaumlchenabflusses erforderlich (Stufe 2)
Die bislang verwendeten Kriterien zur Einschaumltzung den potentiell betroffenen Flaumlchen sollten uumlberpruumlft und weiterentwickelt werden
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Beispiel fuumlr eine Starkregen-Hinweiskarte Stadt Nidderau
(Stufe 2) Simulation des Oberflaumlchenabflusses der potentiell gefaumlhrdeten Flaumlchen und Erstellung von Starkregen Gefahrenkarten oder Flieszligpfadkarten
Fuumlr die in Stufe 1 identifizierten gefaumlhrdeten Flaumlchen ist in der zweiten Stufe der Oberflaumlchenabfluss zu simulieren Je nach Groumlszlige des zu betrachtenden Niederschlagseinzugsgebietes oberhalb der gefaumlhrdeten Siedlungsflaumlchen und Infrastrukturen muumlssen aus der Regensammlung (vgl Abschnitt 22) konvektive Ereignisse geeigneter Dauer ausgewaumlhlt werden
Aus der instationaumlren 2D-Simulation erhaumllt man fuumlr definierte Zeitpunkte nach dem Beginn des Niederschlages folgende fuumlr das gewaumlhlte Berechnungsraster raumlumlich aufgeloumlste hydraulisch relevante Grundinformationen
Ist die Flaumlche benetzt (janein)
Wasserstand (bdquoUumlberflutungshoumlheldquo) auf der Flaumlche
Flieszligrichtung und Flieszliggeschwindigkeit auf der Flaumlche
Diese hydraulischen Grundinformationen muumlssen aufbereitet fachlich interpretiert und auf geeignete Weise dargestellt werden
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Letztlich geht es darum die Frage zu klaumlren welche Fachinformationen eine Starkregen-Gefahrenkarte beinhalten sollte
Aus der Sicht der Verfasser sollten in den Gefahrenkarten folgende hydraulische Informationen enthalten sein
Abflussrinnen und Flieszligpfade auf den Hangflaumlchen (Vervollstaumlndigung des Gewaumlssernetzes gegen Flieszligrichtung vgl auch Bild Abschnitt 4 Seite 21)
Starkregen-Gefahrenkarte mit Flieszligpfaden und Flieszligrichtung aus BWK [1]
Wassertiefenentwicklung entlang der Flieszligpfade
Flieszliggeschwindigkeiten entlang der Flieszligpfade
Diese Fachinformationen sollten zusammen mit einem fuumlr den Nutzer geeigneten Kartenhintergrund (Luftbildaufnahmen ALK topographische Karte etc) visualisiert werden
Im Rahmen der Bearbeitung der vorgeschlagenen Pilot-Einzugsgebiete (siehe Abschnitt 7) sind geeignete Inhalte und Darstellungsmoumlglichkeiten fuumlr Starkregen-Gefahrenkarten zu entwickeln
Wie auch bei den Hochwassergefahrenkarten sollte die LAWA fuumlr bundesweit einheitliche Standards der Starkregen-Gefahrenkarten Sorge tragen
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7 Arbeitspaket 6 Modell- Pilotprojekt bdquoUmgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessenldquo
In einem letzten Arbeitsabschnitt sollen anhand ausgesuchter Einzugsgebiete mit Hilfe des in Abschnitt 6 vorgeschlagenen Vorgehens Starkregen-Hinweiskarten und Starkregen-Gefahrenkarten erstellt werden
Die Verwendung von Niederschlagsdaten aus Radarbeobachtungen (vgl Abschnitt 1) und der Einsatz des verbesserten Simulationsmodells (vgl Abschnitte 3 und 4) werden gegenuumlber der heutigen Praxis bessere fachliche Informationen zur Bewaumlltigung von Starkregen-Gefahrenlagen bereitstellen koumlnnen
Folgende Pilot-Einzugsgebiete in hessischen Rheingau werden zur Auswahl gestellt
Walluf (AE=281 kmsup2) Die Walluf besitzt einen Pegel (Martinsthal AE=245 kmsup2 36 km oberhalb der Muumlndung) im Einzugsgebiet An der Hochschule RheinMain steht ein Niederschlags-Abfluss Modell der Walluf zur Verfuumlgung
Erbbach Kisselbach (AE= 106 kmsup2)
Pfingstbach (AE= 84 kmsup2)
Stegbach Blaubach (AE= 127 kmsup2)
Der Hochwasserrisikomanagementplan Rheingau steht zurzeit in der oumlffentlichen Abstimmung und wird im Laufe 2015 fertig gestellt werden Nach Aussage von Frau Tremper des Regierungspraumlsidiums Darmstadt Abteilung IVWi 412 waumlre eine Ergaumlnzung des HWRM-PL Rheingau durch Starkregen-Hinweis- und -Gefahrenkarten der Rheingaubaumlche hilfreich Diese wuumlrden die im HWRM-PL Rheingau betrachteten Rhein-Hochwasserszenarien ergaumlnzen
Arbeitsziel unterstuumltzt durch Studienarbeiten Erstellung von Niederschlags- Abfluss Modellen fuumlr die Rheingaubaumlche Erbach Kisselbach Pfingstbach Stegbach Blaubach
Bei der Erstellung der Starkregen-Hinweiskarten und Starkregen-Gefahrenkarten fuumlr die Pilot-Einzugsgebiete sollen die in Abschnitt 6 weiterentwickelten Ansaumltze erprobt und die Karteninhalte mit den spaumlteren Nutzern diskutiert werden Dabei sollen insbesondere die Kartendarstellung und deren Inhalte den jeweiligen fachlichen Beduumlrfnissen entsprechen
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8 Literatur und Quellen
[1] Bund der Ingenieure fuumlr Wasserwirtschaft Abfallwirtschaft und Kulturbau (BWK) eV (Hrsg)(2013) Starkregen und urbane Sturzfluten Praxisleitfaden zur Uumlberflutungsvorsorge BWK-Fachinformation Ausgabe Juli 2013 Band 12013 Sindelfingen
[2] BUREK P THIELEN-DEL POZO J THIEMIG V SALAMON P DE ROO A (2011) Das Europaumlische Hochwasserfruumlhwarnsystem (EFAS) In DWA (Hrsg) Fachbeitraumlge Korrespondenz Wasserwirtschaft Ispra (Italien)
[3] Deutsche Bundesstiftung Umwelt (Hrsg)(2002) Innovativer Ansatz eines vorbeugenden Hochwasserschutzes durch dezentrale Maszlignahmen im Bereich der Siedlungswasserwirtschaft sowie der Landwirtschaft im Einzugsgebiet der Lausitzer Neiszlige Endbericht Universitaumlt Hannover
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[5] Deutscher Wetterdienst (DWD) Abteilung Hydrometeorologie (Hrsg)(2011) RADOLANRADVOR-OP Beschreibung des Kompositformats Version 222
[6] Deutscher Wetterdienst (DWD) (Hrsg)(2008) Radarniederschlag-Prinzip der Niederschlagsbestimmung mit Radar inklusive Umrechnung der Radarreflektivitaumlten in Momentanwerte des Niederschlages Version 10
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[8] Deutscher Wetterdienst (DWD) Abteilung Hydrometeorologie (Hrsg)(2012) Projekt RADVOR-OP
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[10] DWA Regelwerk Arbeitsblatt DWA-A 118 (2006) Hydraulische Bemessung und Nachweis von Entwaumlsserungssystemen
[11] DWA Regelwerk Merkblatt DWA-M 153 (2007) Handlungsempfehlungen zum Umgang mit Regenwasser
[12] DWA Kommentar zum DWA Regelwerk (2008) Planung Bau und Betrieb von Anlagen zur Versickerung von Niederschlagswasser
[13] DWA Themen (2010) Abfluumlsse aus extremen Niederschlaumlgen Ergebnisse einer Bestandsaufnahme Hochwasserereignisse und Modellansaumltze zu ihrer Abbildung
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Projektskizze Umgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessen (Arbeitstitel) Januar 2015 Seite 33
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Projektskizze Umgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessen (Arbeitstitel) Januar 2015 Seite 34
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9 Allgemeine Informationen Zeitplan und Ressourcen
91 Allgemeine Informationen
Antragsteller Prof Dr-Ing Ernesto Ruiz Rodriguez Wasserbaulaboratorium am Fachbereich Architektur und Bauingenieurwesen Hochschule RheinMain Kurt-Schumacher-Ring 18 65197 Wiesbaden
Projektbearbeiter Arbeitsgruppe bdquoStarkregen und Sturzflutenldquo am Wasserbaulaboratorium Prof Dr-Ing Ernesto Ruiz Rodriguez (Projektleitung) BEng Lisa Trost (Projektbearbeitung) Frank Salffner (Vermessungstechniker Laborant am Wasserbaulaboratorium und in der EDV- Arbeitsgruppe des Fachbereichs) Die Arbeitsziele werden durch Studienarbeiten des Master- Studienganges bdquoUmweltmanagement und Stadtplanung in Ballungsraumlumenldquo (UMSB) unterstuumltzt
Partnerschaften Kooperationspartner Prof Dr Ralf Doumlrner Hochschule RheinMain
FG Graphische Datenverarbeitung und Virtuelle Realitaumlt Prof Dr Robert Seuszlig Fachhochschule Frankfurt FG Geoinformation und Kommunaltechnik Berufsfeuerwehr Wiesbaden Dr Andreacute Assmann Fa Geomer Heidelberg
gewuumlnschte Zusammenarbeit Deutscher Wetterdienst Abt Hydrometeorologie Projektdauer 4 Jahre (vgl 92 Zeitplan) Eigenmittel Projektleitung durch Prof Dr E Ruiz Rodriguez
Nutzung der Einrichtungen des Wasserbaulaboratoriums der Hochschule RheinMain Unterstuumltzung bei Laborarbeiten und EDV Infrastruktur durch Frank Salffner
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92 Zeitplan
1
Jah
r
2
Jah
r
3
Jah
r
4
Jah
r Bemerkung
Arbeitspaket 1 Verwendung von Radardaten zur Simulation von Starkregen Sturzfluten fuumlr kleine Einzugsgebiete
Beginn der Arbeiten
Klaumlrung der Verfuumlgbarkeit von Radarniederschlagsdaten (fuumlr Modellierer Ingenieurbuumlros)
Aufwand zur Nutzung und Aufbereitung von Radarniederschlagsdaten fuumlr Modellierer Ingenieurbuumlros Erstellung eines Werkzeugs zur Visualisierung der archivierten und aktuellen Radarniederschlagsdaten Erstellung eines Werkzeugs zur Transformation und Projektion der DWD-RADOLAN-RW und RY-Komposit-Radarniederschlagsdaten in Gauszlig-Kruumlger undoder UTM-Projektion Erstellung eines GIS Werkzeugs zur Aufbereitung der DWD-RADOLAN-Komposit-Raster zur Simulation von Starkregen in kleinen Einzugsgebieten
1 Berichterstattung Arbeitspaket 1 (Teil 1)
Auswertung der RADOLAN Radarniederschlagsdaten des DWD
Praxisseminar Kolloquium bdquoVerwendung von Radardaten zur Simulation von Starkregen Sturzfluten in Hessenldquo
Arbeitspaket 2 Uumlberpruumlfung und Anpassung von Modellansaumltze zur Ermittlung des abflusswirksamen Niederschlages bei Starkregen
Uumlberpruumlfung und Anpassung der Modellansaumltze zur Ermittlung des abflusswirksamen Niederschlages bei Starkniederschlaumlgen unter besonderer Beruumlcksichtigung von Bodenfeuchte und Bodenluftkompressionseffekten
Arbeitspaket 3 Uumlberpruumlfung und Anpassung der hydraulischen Ansaumltze zur Berechnung des Oberflaumlchenabflusses bei Starkregen Sturzfluten an steilen Haumlngen
Bau der Versuchsrinne am Wasserbaulaboratorium Durchfuumlhrung und Auswertung der Versuche Uumlberpruumlfung und Anpassung der hydraulischen Ansaumltze zur Berechnung des Oberflaumlchenabflusses
2 Berichterstattung Arbeitspaket 2 und Arbeitspaket 3 (Teil1)
Arbeitspaket 4 Instationaumlre 2ndashdimensionale Modellierung des Oberflaumlchenabflusses bei Starkniederschlaumlgen
Anpassen des 2-dimensionallen Modelles auf instationaumlre Niederschlagsfronten Schnittstelle zu DWD RADOLAN Komposite Einarbeiten der verbesserten Ansaumltze zu Berechnung des abflusswirksamen Niederschlages bei Starkniederschlaumlgen Einarbeiten der verbesserten hydraulischen Ansaumltze
wird fortgesetzt
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1
Jah
r
2
Jah
r
3
Jah
r
4
Jah
r Bemerkung
Arbeitspaket 5 Erarbeitung von Starkregen Gefahrenkarten fuumlr das Land Hessen
Uumlberpruumlfen und Anpassung von fachlichen Kriterien fuumlr die Erstellung von Starkregen-Karten Definition der Inhalte von Starkregen-Hinweiskarten Definition der Inhalte von Starkregen- Gefahrenkarten
3 Berichterstattung Arbeitspaket 3 (Teil 2) Arbeitspaket 4 und Arbeitspaket 5 (Teil1)
Arbeitspaket 6 Modell- Pilotprojekt bdquoUmgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessenldquo
Erarbeitung von Starkregen-Hinweiskarten fuumlr die ausgewaumlhlten Pilot-Einzugsgebiete Erarbeitung von Starkregen-Gefahrenkarten fuumlr die ausgewaumlhlten Pilot-Einzugsgebiete Uumlberpruumlfen der fachlichen Kriterien und Ansaumltze (Arbeitspaket 5) fuumlr die Erstellung von Starkregen-Karten Diskussion uumlber die Starkregen-Karteninhalte und Starkregen-Kartendarstellung mit den Nutzern
4 Berichterstattung Arbeitspaket 5 (Teil 2) und Arbeitspaket 6 (Abschlussbericht)
93 Beantragte Mittel
Zur Durchfuumlhrung und Erreichung der im Antrag beschriebenen Arbeitsziele werden fuumlr das
1 Projektjahr 35000 Euro
2 Projektjahr 35000 Euro
3 Projektjahr 35000 Euro
4 Projektjahr 35000 Euro
beantragt
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1160 cm
280 cm
260 cm
1000 cm
1080 cm
6300 cm280 cm
3000 cm3000 cm
3000 cm 3000 cm
1000 cm624 cm
1500deg
Kipprinne zur Simulation des Oberflaumlchenabflusses an steilen HaumlngenLaumlnge= 630 mBreite= 10 mHoumlhe= 026 mmax Neigungswinkel 45deg
variableBeregnungslaumlnge
Maszligstab 120
1000 cm
260 cm
Sohlsubstrat zur Aufnahmevon kuumlnstlichen Bewuchsstrukturen
Beregnungsanlage mit schwenkbaren Duumlsen zurvertikalen Regensimulation
Wasserkoumlrper desOberflaumlchenabflusses
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Projektskizze Umgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessen (Arbeitstitel) Januar 2015 Anlage 1
1830 cm
2625 cm
Drehpunkt
1330 cm
6300 cm
280 cm
1500deg
Maszligstab 120
Kipprinne zur Simulation des Oberflaumlchenabflusses an steilen HaumlngenLaumlnge= 630 mBreite= 10 mHoumlhe= 026 mmax Neigungswinkel 45deg
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Eine deutlich bessere zeitliche Aufloumlsung liefert das RADOLAN RY-Komposit Bei gleicher raumlumlicher Aufloumlsung wie das oben beschriebene RW-Komposit besitzt das RY-Komposit in einer zeitlichen Aufloumlsung von 5 Minuten Die Niederschlagshoumlhen werden in 001 mm bereitgestellt
Beide Radar-Komposit-Produkte (RW und RY) sind fuumlr behoumlrdliche Aufgaben im Rahmen des vorbeugenden Hochwasserschutzes der BRD entwickelt und optimiert worden Fuumlr mittlere und groszlige Einzugsgebiete ist die bereit gestellte raumlumliche und zeitliche Aufloumlsung beider Produkte voumlllig ausreichend
Fuumlr kleine Einzugsgebiete (lt 50 kmsup2) stellt die raumlumliche Aufloumlsung von 1km x 1km die bei beiden Komposit-Produkte moumlglich ist eine deutliche Verbesserung gegenuumlber der Dichte der Niederschlagsstationen und der DWD KOSTRA Rasterweite dar
Am Beispiel des Teileinzugsgebietes des Rambach Ae=21 kmsup2 in Wiesbaden erhaumllt man uumlber das Radar-Komposit-Produkt eine deutlich bessere raumlumliche Aufloumlsung der Niederschlagsverteilung als uumlber die einzelnen Niederschlagsstation in WI-Auringen oder WI-Biebrich
Die zeitliche Aufloumlsung von 5 Minuten bietet die Moumlglichkeit die zeitliche Entwicklung und die raumlumlich Verteilung der Niederschlagsintensitaumlt auch fuumlr kleine Einzugsgebieten in ausreichender Qualitaumlt abzubilden
Die Klaumlrung der Anfrage beim DWD (Ansprechpartner Elmar Weigl) ob auch ein bdquoHessen Kompositldquo mit houmlherer raumlumlicher Aufloumlsung denkbar und erhaumlltlich ist steht noch aus
Insgesamt sind die angebotenen Radarniederschlagsdaten Radarprodukte auf die Beduumlrfnisse der aktuellen Nutzer zugeschnitten Die Zugaumlnglichkeit fuumlr Lehre und Forschung ist ausreichend gegeben
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22 Aufwand zur Nutzung und Aufbereitung von Radarniederschlagsdaten fuumlr Modellierer Ingenieurbuumlros
Wie in Abschnitt 1 einfuumlhrend erlaumlutert sind neben einer ausreichenden raumlumlichen und zeitlichen Aufloumlsung
die Kosten fuumlr die Beschaffung der Radarniederschlagsdaten und
der Aufbereitungsaufwand fuumlr die Simulation
fuumlr Modellierer Ingenieurbuumlros entscheidend
Ingenieurbuumlros bearbeiten Projekte aufgrund der Ausschreibungsbedingungen und der starken Konkurrenzsituation in einem sehr engen Finanzrahmen
Die aktuell angebotenen Radarniederschlagsdaten Radarprodukte benoumltigen einen zu groszligen Aufbereitungsaufwand um diese fuumlr die Simulation von Starkregen und Sturzfluten in kleinen Einzugsgebieten zu nutzen
Vor einer Simulation muumlssen die folgenden zwei Schritte abgearbeitet werden
1) Auswahl geeigneter konvektiver Ereignisse fuumlr das Untersuchungsgebiet (Regensammlung)
2) Aufbereitung der 5-minuumltigen Radarniederschlagsdaten fuumlr die gewaumlhlten konvektiven Ereignisse
Auswahl geeigneter konvektiver Ereignisse fuumlr das Untersuchungsgebiet (Regensammlung)
Zur Erinnerung Aktuelle werden die Radarniederschlagsdaten noch nicht genutzt sondern der statischen Regen aus einer benachbarten Niederschlagsstation oder statischen Blockregen aus DWD KOSTRA 2000 entnommen Die Dauer der Modellregen orientiert sich dabei an der Konzentrationszeit Flieszligzeit im Niederschlagsgebiet Um den Aufwand zur Beschaffung Auswahl und Aufbereitung der Niederschlagsdaten von konvektiven Ereignissen einzelner Niederschlagsstationen zu umgehen werden stattdessen die DWD KOSTRA 2000 Blockregen verwendet
Um bei der Auswahl von konvektiven Ereignissen aus Radarniederschlagsdaten den Kostenrahmen fuumlr die Datenbeschaffung gering zu halten erscheint es sinnvoll auf die RADOLAN-RW-Komposit Radarniederschlagsdaten mit einer zeitliche Aufloumlsung von 1 h die auf dem FTP-Server des
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DWD (ftpftp-cdcdwddepubCDC) zum freien kostenlosen Download zur Verfuumlgung stehen zuruumlck zu greifen
Mit folgenden Systemen lassen sich zurzeit die Niederschlagsdaten des RADOLAN RW-Komposits visualisieren
KONRAD webKONRAD - Zugang uumlber das Feuerwehrinformationssystem (FEWIS)
IDLRaBiD 50 - Darstellungsprogramm fuumlr Radarbilder des Deutschen Wetterdienstes
WaWIS (Registrierung uumlber DWD notwendig)
NinJo Lizenz erhaumlltlich uumlber Ernst Basler + Partner GmbH
Python Skript Bibliothek bdquowradlibldquo (Darstellen der einzelnen RW Komposite)
KONRAD bzw webKONRAD ist nur uumlber den Zugang des Feuerwehrinformationssystems (FEWIS) zu erreichen und steht Ingenieurbuumlros nicht zur Verfuumlgung
IDLRaBiD 50 ist eine interne Software des DWD und steht Ingenieurbuumlros nicht zur Verfuumlgung
WaWIS steht nur Behoumlrden zur Verfuumlgung die im Rahmen des Katastrophenschutzes taumltig sind
NinJo 17 kann als Lizenzprodukt erworben werden Auf das Ingenieurbuumlro kaumlmen Lizenz- und Installationskosten welche sich im 5 stelligen Bereich bewegen zu Fuumlr Forschungsinstitutionen fallen die Lizenzkosten weg es verbleiben jedoch Installationskosten von ca 5000 Euro Eine Betrachtung von konvektiven Fronten uumlber mehrere Tage hinweg ist fuumlr ausgesuchte Zeitabschnitte moumlglich
Eine weitere Alternative ist die Nutzung der umfangreichen Phyton-Skript Bibliothek bdquowradlibldquo Hier muss jedes einzelne RW-Komposit eingelesen und visualisiert werden Natuumlrlich wird dies durch geeignete wradlib utility functions (Batch Routinen zur Verarbeitung vieler RW-Komposite) erleichtert Der Gesamtaufwand zur Visualisierung ist dennoch erheblich
Der Einsatz der letzten zwei Alternativen setzt jedoch voraus dass man bestimmte konvektive Ereignisse bereits identifiziert hat Dh die entsprechenden historischen Ereignisse sind bekannt oder es wurden aus den Aufzeichnungen der Bodenniederschlagsstationen bereits Ereignisse ausgewaumlhlt
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Zurzeit gibt es noch kein System welches frei zugaumlnglich ist und die historischen RW RADOLAN-Daten (Juni-2005 bis heute) visualisieren kann
Optimal waumlre es wenn die RW-RADOLAN-1h-Komposite jahresweise in einem Video mit Datum Kartenhintergrund und N-Intensitaumltsskala vor- und ruumlckspulbar betrachtet werden koumlnnten Auf diese Weise waumlre es moumlglich maszliggebende konvektive Ereignisse Szenarien (Regensammlung mit verschiedenen Niederschlagsdauern und verschiedenen Niederschlagsmengen) zur Simulation leichter zu identifizieren (vgl auch Abschnitt 7)
Arbeitsziel unterstuumltzt durch Studienarbeit Entwurf und Umsetzung eines Werkzeugs zur Visualisierung der archivierten und aktuellen Radarniederschlagsdaten (DWD-RADOLAN-RW-Komposit)
Aufbereitung der 5 minuumltigen Radarniederschlagsdaten fuumlr die gewaumlhlten konvektiven Ereignisse
Sind die konvektiven Ereignisse Szenarien zur Simulation identifiziert muumlssen deren Radarniederschlagsdaten je nach Anforderung des verwendeten Simulationsmodells aufbereitet werden
Alle Simulationsmodelle nutzen fuumlr die Eingabeaufbereitung und Ergebnispraumlsentation GIS-Oberflaumlchen So lassen sich Simulationsergebnisse mit anderen Datengrundlagen (Amtliches Liegenschaftskatasterinformationssystem ALKIS Bodeninformationen Luftbilder Nutzung etc) verschneiden und fachlich interpretieren (zB Erstellung von Starregen Gefahrenkarten) Oftmals werden die Simulationsmodelle als aufgesetzte bdquoFachschaltenldquo zu GIS-Systemen realisiert
Diese Tatsache macht es unumgaumlnglich die Komposit-Radarniederschlagsdaten auf ein GIS-System kompatibles Format mit geeigneter Projektion (zB Gauszlig-Kruumlger- oder UTM-Projektion) zu uumlberfuumlhren
Die fuumlr die DWD ndashRADOLAN-RW-Komposit-Radarniederschlagsdaten verwendete polarstereographische Projektion (siehe [5]) ist fuumlr die derzeitigen Anwendungen geeignet Man betrachtet und beurteilt groszligraumlumige Wetterlagen uumlber Staats- Bundeslandgrenzen hinweg
Fuumlr eine Simulation von kleinraumlumigen Starkregenereignissen und eine fachliche Verschneidung der Simulationsergebnisse mit weiteren Daten eignet sich die polarstereographische Projektion jedoch nicht
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In [33 Kapitel 5] werden die Probleme beim Georeferenzieren der DWD-RADOLAN-Komposite ausfuumlhrlich erlaumlutert
Arbeitsziel unterstuumltzt durch Studienarbeiten Entwurf und Umsetzung eines Werkzeugs zur Transformation und Projektion der DWD-RADOLAN-RW und RY-Komposit-Radarniederschlagsdaten in Gauszlig-Kruumlger undoder UTM-Projektion
Innerhalb des HLUG sollte eine Diskussion zur Festlegung einheitlicher Projektionen fuumlr kuumlnftige wasserwirtschaftliche Projekte im Land Hessen stattfinden
Waumlhrend die in Gauszlig-Kruumlger- oder UTM transformierten Radarniederschlagsdaten in einem Raster von ca 1km x 1km vorliegen koumlnnen die Simulationsmodelle (vgl Abschnitt 0) je nach gewaumlhlten Randbedingungen deutlich kleinere Rasterweiten (zB 5m x 5 m bis 100 m x 100m) verwenden
Fuumlr eine Simulation muss ein gemeinsames Rasters definiert und alle Datengrundlagen in dieses Raster uumlberfuumlhrt werden
Uumlberlagerung eines Transformierten RADOLAN Raster mit Gauszlig-Kruumlger oder UTM Raster
Gauszlig-Kruumlger oder UTM transformiertes RADOLAN Raster (schiefes Veireck 950x950 m)
zur Simulation verwendetes Raster
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Arbeitsziel unterstuumltzt durch Studienarbeit Entwurf und Umsetzung eines GIS Werkzeugs zur Aufbereitung der DWD-RADOLAN-Komposit-Raster zur Simulation von Starkregen in kleinen Einzugsgebieten
23 Auswertung der RADOLAN Radarniederschlagsdaten des DWD
Wie in Abschnitt 2 erlaumlutert koumlnnen die Zugrichtung und die Zuggeschwindigkeit einer konvektiven Starkregenfront Starkregenzelle die Einwirkungsintensitaumlt in einem Niederschlagseinzugsgebiet entscheidend beeinflussen Die Abmessungen der Starkregenfront Starkregenzelle in Verbindung mit der Zuggeschwindigkeit sowie die Regendauer koumlnnen im unguumlnstigen Fall mit der Konzentrationszeit im Niederschlagseinzugsgebiet zusammenfallen und zu einer entscheidenden Verschaumlrfung des Wellenscheitels fuumlhren
Unter der Voraussetzung dass die in Abschnitt 22 beschriebenen Werkzeuge erstellt worden sind sollen nun mit deren Hilfe die historischen RADOLAN Radarniederschlagsdaten ausgewertet werden
Identifizieren von Starkregenfronten Starkregenzellen Hierfuumlr sind Identifikationskriterien zu erarbeiten
Einordnung des Wiederkehrintervalls der Starkregenfront Starkregenzelle (Dauer und Niederschlagsmenge) mit Hilfe der DWD KOSTRA2000-Auswertung
Identifikation und Digitalisierung des Intensitaumltsschwerpunktes der jeweiligen Starkregenfront
Zeitliche Entwicklung der Intensitaumltsverteilung innerhalb der Starkregenfront
Fuumlr jede identifizierte Starkregenfront Starkregenzelle sollen in Abhaumlngigkeit der JahreszeitWetterlage folgende Parameter ermittelt und statistisch ausgewertet werden
Digitalisierung der Abmessungen (Laumlngenausdehnung Breitenausdehnung) und der Form (Laumlngen-Breitenverhaumlltnis oder Flaumlche-Umfangverhaumlltnis)
Digitalisierung der Zugrichtung (Zugbahn Zugtrajektorie) und Zuggeschwindigkeit (im Schwerpunkt der Intensitaumlt)
Darstellung der Abmessungen der Zugrichtungen und Zugbahnen in Karten und Uumlberlagerung mit dem digitalen Gelaumlndemodell
Auf diese Weise koumlnnen eventuell Starkregenschwerpunkte (-regionen) in Hessen identifiziert und in Karten dargestellt werden
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Arbeitsziel unterstuumltzt durch Studienarbeit(en) Auswertung historischer RADOLAN Radarniederschlagsdaten des DWD
24 Praxisseminar Kolloquium bdquoVerwendung von Radardaten zur Simulation von Starkregen Sturzfluten in Hessenldquo
In Zusammenarbeit mit dem Wissenschaftsforum Umwelt und der Weiterbildungsplattform NATURUMWELTTECHNIK (NUT) der Hochschule RheinMain sollen in einem 1-taumlgigen Praxisseminar die Moumlglichkeiten zur Nutzung von Radarniederschlagsdaten zur Simulation von Starkregen Sturzfluten vorgestellt werden
Zielgruppe Ingenieurhydrologen Hydrologen Ingenieurbuumlros (Modellierer) und andere am Thema Interessierten
Die Organisation uumlbernimmt die Weiterbildungsplattform NUT der Hochschule RheinMain Die fachliche Koordination ist durch Prof Dr Ernesto Ruiz Rodriguez und Frau BEng Lisa Trost gesichert Eine partnerschaftliche Koordination durch das HLUG und den DWD ist moumlglich und wird ausdruumlcklich erwuumlnscht
3 Arbeitspaket 2 Uumlberpruumlfung und Anpassung von Modellansaumltze zur Ermittlung des abflusswirksamen Niederschlages bei Starkregen
Unter dem abflusswirksamen (effektiven) Niederschlag versteht man den Anteil des Niederschlages der in einem Einzugsgebiet unmittelbar nach dem Niederschlagsereignis als Direktabfluss wirksam wird
Zu Beginn des Niederschlagsereignisses sind die Verluste idR besonders groszlig (Benetzung der der Vegetationsdecke und Muldenverluste) Bei Starkregen werden diese Speicherraumlume jedoch schnell gefuumlllt und die hohen Niederschlagsintensitaumlten uumlbersteigen oft die Infiltrationsfaumlhigkeit des Bodens und es kommt zum Oberflaumlchenabfluss (vgl auch Abschnitt 4)
Insofern spielt besonders bei Starkregen der Anteil an abflusswirksamen Oberflaumlchenabfluss eine entscheidende Rolle Dieser bildet gemeinsam mit dem oberflaumlchennahen Interflow in der belebten Bodenzone den Hauptanteil am sog abflusswirksamen Niederschlag
Der in der Ingenieurhydrologie am haumlufigsten verwendete Modellansatz zur Ermittlung des abflusswirksamen Niederschlags ist der Ansatz des Abflussbeiwertes Er wird sowohl in der Urbanhydrologie (Kanalnetzberechnung) als auch
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bei der Modellierung von Niederschlags-Abfluss-Prozessen (NA-Modellierung) auf natuumlrlichen Flaumlchen eingesetzt
Abflussbeiwert-Ansaumltze
)()()(
)()(
)(
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ti
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w
w
Ψ ndash Abflussbeiwert [-]
i(t) ndash Niederschlagsintensitaumlt [mmh]
iw(t) ndash wirksame Niederschlagsintensitaumlt [mmh]
a) konstanter Abflussbeiwert Ψ
b) Konstanter Abflussbeiwert Ψ mit Anfangsverlust hva
Der Anfangsverlust hva wird durch die Mulden- und Benetzungsverluste begruumlndet
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c) Zeitvarianter Abflussbeiwert Ψ mit oder ohne Anfangsverlust hva
In der Urbanhydrologie wird der konstante Abflussbeiwert Ψ ohne Anfangsverlust hva bei der NA-Modellierung kommt fast immer der konstante Abflussbeiwert Ψ mit Anfangsverlust hva zum Einsatz
Liegen Niederschlags- und Abflussaufzeichnungen des Direktabflusses QD(t) vor und ist der Verlauf des Basisabflusses QB(t) bekannt so kann der Abflussbeiwert Ψ aus der Volumen-Massenbilanz ermittelt werden Der Anfangsverlust hva wird in der Regel mit 3 bis 4 mm Niederschlagshoumlhe geschaumltzt Der gefallene effektive Niederschlag iw(t)=Ψ i(t) findet sich im Direktabfluss QD(t) oberhalb des Basisabflusses QB(t)
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Liegen keine Niederschlags undoder Pegelaufzeichnungen vor wird in der Ingenieurpraxis der Abflussbeiwert mit Hilfe oder im Anlehnung an das SCS Verfahrens (US Soil Conversation Service der USA) ermittelt Diese Verfahren wird ua in der
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DVWK-Regel 113 beschrieben Das SCS-Verfahren unterscheidet folgende Bodentypen
Bodentyp A Boumlden mit groszligem Versickerungsvermoumlgen auch nach starker Vorbefeuchtung zB tiefe Sand- und Kiesboumlden
Bodentyp B Boumlden mit mittlerem Versickerungsvermoumlgen tiefe bis maumlszligig tiefe Boumlden mit maumlszligig feiner bis maumlszligig grober Textur zB mitteltiefe Sandboumlden Loumlszlig (schwach) lehmiger Sand
Bodentyp C Boumlden mit geringem Versickerungsvermoumlgen Boumlden mit feiner bis maumlszligig feiner Textur oder mit wasserstauender Schicht zB flache Sandboumlden sandiger Lehm
Bodentyp D Boumlden mit sehr geringem Versickerungsvermoumlgen Ton Boumlden sehr flache Boumlden uumlber nahezu undurchlaumlssigem Material Boumlden mit dauernd sehr hohem Grundwasserspiegel
BodennutzungBodentyp A B C D
Oumldland (ohne nenneswerten Bewuchs) 77 86 91 94
Hackfruumlchte Wein 70 80 87 90
Wein (Terrassen) 64 73 79 82
Getreide Futterpflanzen 64 76 84 88
Weide (normal) 49 69 79 84
Weide (kark) 68 79 86 89
Dauerwiese 30 58 71 78
Wald (stark aufgelockert) 45 66 77 83
Wald (mittel aufgelockert) 36 60 73 79
Wald (dicht) 25 55 70 77
undurchlaumlssige bzw versiegelte Flaumlchen 100 100 100 100
CN-Beiwert des SCS-Verfahrens
In Abhaumlngigkeit der Bodennutzung und des Bodentyps wird fuumlr das Niederschlagseinzugsgebiet ein flaumlchengewichteter CN-Beiwert ermittelt und der effektive Niederschlag hNE berechnet
4258800425
22004252
NN
NNNe
Ch
Chh
N
Ne
h
h
Das Originalverfahren hat Schwaumlchen und wurde mehrfach modifiziert (zB nach Oslashverland Zaiszlig und Lutz) Dabei wurde versucht den Einfluss der aktuellen Bodenfeuchte des Bodens besser zu beruumlcksichtigen Je nach Bodentyp kann diese einen groszligen Einfluss auf den effektiven Niederschlag (vgl auch Abschnitt 41) haben
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Alle diese Ansaumltze beruumlcksichtigen nicht die bei Starkregen beobachteten und in [17] beschriebenen Effekte der Bodenluftkompression die die Infiltrationsfaumlhigkeit des Porenraumes bei hohen Niederschlagsintensitaumlten mindert und somit den Anteil des Oberflaumlchenabflusses erhoumlht
Arbeitsziel unterstuumltzt durch Studienarbeit Uumlberpruumlfung und Anpassung der Modelansaumltze zur Ermittlung des abflusswirksamen Niederschlages bei Starkniederschlaumlgen unter besonderer Beruumlcksichtigung von Bodenfeuchte und Bodenluftkompressionseffekten
Die Verwendung der Radarniederschlagsdaten macht es moumlglich die zeitliche und raumlumliche Niederschlagsverteilung im Einzugsgebiet zu betrachten Da die Niederschlagsintensitaumlten und -mengen im Einzugsgebiet variieren werden sich demzufolge raumlumlich verteilte Abflussbeiwerte ergeben Die oben beschriebenen Ansaumltze zur Ermittlung des abflusswirksamen Oberflaumlchenabflusses muumlssen daraufhin angepasst und ggf weiterentwickelt werden
Arbeitsziel unterstuumltzt durch Studienarbeit Uumlberpruumlfung und Anpassung der Modelansaumltze zur Ermittlung des abflusswirksamen Niederschlages bei raumlumlich und zeitlich sich veraumlndernden Starkniederschlaumlgen
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4 Arbeitspaket 3 Uumlberpruumlfung und Anpassung der hydraulischen Ansaumltze zur Berechnung des Oberflaumlchenabflusses bei Starkregen Sturzfluten an steilen Haumlngen
Beim Oberflaumlchenabfluss muss zwischen dem klassischen Oberflaumlchenabfluss nach Horton (1933) und dem Saumlttigungsoberflaumlchenabfluss unterschieden werden
Der Oberflaumlchenabfluss nach Horton entsteht durch einen Infiltrationsuumlberschuss Die Niederschlagsintensitaumlt ist houmlher als die Infiltrationskapazitaumlt der Boumlden und das nicht infiltrierte Niederschlagswasser flieszligt dann in Fallrichtung auf der Hangoberflaumlche ab
Der Saumlttigungsoberflaumlchenabfluss setzt dann ein wenn der Boden seine maximale Wassersaumlttigung erreicht hat dh das Porenvolumen vollstaumlndig mit Wasser gesaumlttigt ist Bei diesem Abfluss tritt haumlufig Wasser aus einem vergangenen Ereignis wieder aus dem Boden aus (Exfiltration) und vermischt sich mit dem Niederschlag des aktuellen Ereignisses
Im Folgenden wird zunaumlchst nur die Einphasenstroumlmung des Oberflaumlchenwassers betrachtet der Bewegungsbeginn und der Transport von Teilen der Bodenmatrix (Erosion) werden nicht analysiert Der Massentransport koumlnnte nachdem die Bewegungsgleichungen der Einphasenstroumlmung in steilen Haumlngen verifiziert oder korrigiert wurden in spaumlteren Arbeitsschritten betrachtet werden
Fuumlr die Simulation des Oberflaumlchenabflusses an Steilhaumlngen werden aktuell dieselben Ansaumltze verwendet wie zur Berechnung des Oberflaumlchenabflusses auf flachen Uumlberflutungsflaumlchen in Gewaumlssern und auf Auen Die dabei erzielten Ergebnisse scheinen so plausibel sodass die verwendeten Modelle bislang noch nicht hinterfragt wurden Und das obwohl die geometrischen und hydraulischen Randbedingungen an steilen Hanglagen sich von denen auf flachen Uumlberflutungsflaumlchen stark unterscheiden
In diesem Zusammenhang verglich beispielsweise Herr Dipl-Ing Klaus Schmalzl des Wasserwirtschaftsamtes Rosenheim in seinem Vortrag bdquoSturzfluten hydrodynamisch numerisch mit HYDRO_AS-2D berechnenldquo [38] den er im Rahmen des Treffens der Anwender des 2D-Hydrodynamik-Programms HYDRO_AS-2D der Fa Hydrotec am 11Okt 2014 in Muumlnchen hielt das Programm HYDRO_AS-2D welches eigentlich fuumlr die 2-Dimensionale Simulation in Gewaumlssern entwickelt worden ist mit einem bdquoSchweizer Messerldquo welches als Symbol fuumlr einen vielseitigen Einsatz steht
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In Kongress INTERPRAEVENT 2012 in Grenoble [25] wurde bdquoEin neuer Ansatz zur Modellierung von Oberflaumlchenabflussldquo vorgestellt In der Zusammenfassung
bdquoOberflaumlchenabfluss wird als der Teil des Niederschlags verstanden welcher einem Vorfluter uumlber die Bodenoberflaumlche unmittelbar zufliesst Auswertungen von Unwetterereignissen in den letzten Jahren in der Schweiz haben gezeigt dass bis zu 50 der durch Wassergefahren verursachten Schadenfaumllle durch Oberflaumlchenabfluss verursacht worden sind Dennoch ist Oberflaumlchenabfluss in der Schweiz kaum in den Gefahrenkartierungsprozess integriert Um diese Luumlcke zu fuumlllen wurde auf der Basis der Software FloodArea eine Methode entwickelt welche eine Modellierung von Oberflaumlchenabfluss mit einheitlichen Kriterien uumlber grosse Gebiete erlaubt In dieser Studie werden die Methodenentwicklung und zwei Fallstudien vorgestellt Die Resultate zeigen dass an den Raumlndern von Siedlungsflaumlchen und im Landwirtschaftsland gute Ergebnisse erzielt werden Potenziell gefaumlhrdete Gebaumlude oder Bauparzellen werden erkannt Innerhalb von Siedlungsgebieten sind die Differenzen zu realen Ereignissen groumlsser Daher liegt der Fokus von Folgearbeiten auf einer weiteren Verbesserung der Genauigkeit des Gelaumlndemodells und der Integration von zusaumltzlichen Strukturen (zB Kleinbauten) welche Fliesswege entscheidend beeinflussen koumlnnenldquo aus [25]
wird auf die Software FloodArea der Fa Geomer Heidelberg verwiesen
FloodArea und auch HYDRO_AS-2D sind Beispiele von in der Praxis verwendeten Programmen zur Berechnung von Wasserspiegellagen in Gewaumlssern und zur 2-D Uumlberflutungssimulation auf Auen Wie das nachfolgende Bild zeigt sind die mit FloodArea erzielten Simulationsergebnisse plausibel
Oberflaumlchenabflussmodellierung in Busswil (Kanton Bern Schweiz) aus [25]
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Der Verfasser dieser Projektskizze selbst hat in Zusammenarbeit mit der Fa Geomer in Heidelberg die hydraulischen Kernroutinen fuumlr das Programm FloodArea entwickelt und ist daher in der Lage deren Einsatzgrenzen gut beurteilen zu koumlnnen
41 Korrektur der Flieszligformeln zur Simulation des Oberflaumlchenabflusses an steilen Haumlngen
Die nachfolgende Tabelle zeigt die unterschiedlichen Auspraumlgungen von wichtigen hydraulischen und geometrischen Randbedingungen fuumlr den steilen Oberflaumlchenabfluss und fuumlr die Wasserausbreitung auf den vergleichsweise flachen Gewaumlsserauen
Parameter Auspraumlgung
Gewaumlsser und Aue Steile Hanglage
Gefaumllle klein permil bis 10
groszlig 5 bis uumlber 100
Wassertiefe groszlig Dezimeter bis mehrere Meter
klein Duumlnnfilmabfluss bis Dezimeter
Betrachten wir zunaumlchst ein Fluidelement 119889119909 times ℎ times 119880 auf einer steilen Hangflaumlche mit dem Hangneigungswinkel β und formulieren in x- Richtung das Kraumlftegleichgewicht zwischen der hangabwaumlrts treibenden Kraft
119866 times sin 120573 = 119889119909 times ℎ times 119880 times 120588 times 119892 times sin 120573 und der Hangreibungskraft T
119879 = 120591 times 119880 times 119889119909 Man erhaumllt so den bekannten Ansatz fuumlr die Schleppspannung
120591 auf einer Hangflaumlche
120591 = 120588 times 119892 times119860
119880times sin 120573 [
119873
1198982]
dx
Q
vdx cosszlig
h
G
G sinszlig
T
U
Ah
szlig
x
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Mit dem in der turbulenten Hydraulik uumlblich verwendeten Ansatz
120591 =120582
81199072 [
119873
1198982]
ergibt sich die Flieszligformel fuumlr den Oberflaumlchenabfluss
119907 =1
radic120582times radic8 times 119892 times
119860
119880times 119904119894119899 120573 [
119898
119904]
mit
v - mittl Flieszliggeschwindigkeit [ms]
1
radic120582 - Reibungskoeffizient [-]
g - Erdbeschleunigung [mssup2]
A - Abflussquerschnitt [msup2]
U - benetzte Sohle [m]
β - Hangneigungswinkel [Grad]
Da in der Flusshydraulik die Neigungswinkel der Gewaumlssersohlen deutlich kleiner sind als die Neigungswinkel steiler Hanglagen werden die Flieszligformeln vereinfach
119907 =1
radic120582times radic8 times 119892 times
119860
119880times 119868119864
Anstelle des 119904119894119899 120573 wird das Gefaumllle IE verwendet Dh
119904119894119899 120573 = 120573 oder 119904119894119899 120573 = 119905119886119899 120573 = 119868119864
mit
IE - Sohlgefaumllle [minuspermil]
Fuumlr Gefaumllle bis 20 oder 113 Grad Neigung ist diese Vereinfachung vertretbar und liefert gute Ergebnisse Ab Neigungen groumlszliger 20 darf diese Vereinfachung nicht mehr angesetzt werden Bei einer Hangneigung mit 45 Grad oder IE=1=100 Gefaumllle weichen die Ergebnisse fuumlr die Flieszliggeschwindigkeit um 16 ab
radic1 = 1 radic119904119894119899 45 = 07071 = 084 119865119890ℎ119897119890119903 =1minus084
1times 100 = 16
Bei aktuellen Simulationen werden diese Fehler manchmal auch aus Unkenntnis hingenommen oder mit Hilfe des Reibungskoeffizienten der Oberflaumlchen versucht zu korrigieren
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42 Versuchseinrichtung zur Uumlberpruumlfung und Anpassung der Flieszligformeln zur Simulation des Oberflaumlchenabflusses an steilen Haumlngen
Auf dem Gelaumlnde des Wasserbaulaboratoriums der Hochschule RheinMain soll im naumlchsten Sommersemester 2015 eine Versuchseinrichtung zur Simulation von Oberflaumlchenabfluss auf Hanglagen bis 45deg (11 100) errichtet werden
Es soll eine kippbare Versuchsrinne mit einer Breite von 10 m einer Houmlhe von 026 m und einer Laumlnge von 63 m errichtet werden (vgl auch Anlage 1) Zur vertikalen Regensimulation soll uumlber der Versuchsrinne eine Beregnungsanlage mit schwenkbaren Duumlsen angebracht werden
Kipprinne zur Simulation von Oberflaumlchenabfluumlssen an steilen Haumlngen vgl Anlage 1
In einer ersten Phase sollen die in Abschnitt 41 diskutierten hydraulischen Ansaumltze in Versuchen verifiziert werden Hierbei gilt es besonders zu uumlberpruumlfen ob bei sehr kleinen Abflusstiefen (Duumlnnfilmabfluss) die Oberflaumlchenspannung der Wassers bei den Bewegungsgleichungen von Bedeutung ist
Fuumlr die Versuchsreihen koumlnnen die Beregnungslaumlnge die Niederschlagsintensitaumlt und der Neigungswinkel der Versuchsrinne variiert werden
Arbeitsziel unterstuumltzt durch Studienarbeit Uumlberpruumlfung und Anpassung der Flieszligformeln zur Simulation des Oberflaumlchenabflusses an steilen Haumlngen
In einer spaumlteren Versuchsphase soll SohlsubstratBoden eingebracht werden um mit oder ohne kuumlnstlichen Bewuchsstrukturen verschiedene Hangrauheiten simulieren zu koumlnnen Dies soll zur Klaumlrung des Erosionsbeginns der Bodenmatrix beitragen
1000 cm
260 cm
Sohlsubstrat zur Aufnahmevon kuumlnstlichen Bewuchsstrukturen
Beregnungsanlage mit schwenkbaren Duumlsen zurvertikalen Regensimulation
Wasserkoumlrper desOberflaumlchenabflusses
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5 Arbeitspaket 4 Instationaumlre 2ndashdimensionale Modellierung des Oberflaumlchenabflusses bei Starkniederschlaumlgen
Um dem Programmieraufwand im Rahmen des Projektes so gering wie moumlglich zu halten wird vorgeschlagen das Programm Floodarea der Fa Geomer Heidelberg welches sich bisher in der Praxis bewaumlhrt hat als Basis fuumlr die Simulationen zu verwenden FloodArea ist ein vollstaumlndig in ArcGISreg integriertes 2D-Modell zur Berechnung von Uumlberschwemmungsflaumlchen Wie in Abschnitt 4 bereits erwaumlhnt war der Verfasser dieser Skizze in die Erarbeitung der hydraulischen Kernroutinen dieser Software involviert und kann insofern ihre Einsatz- und Anpassungsmoumlglichkeiten sehr gut abschaumltzen Eine Abstimmung mit Herrn Dr Assmann von der Fa Geomer erfolgte vor dem Verfassen dieser Projektskizze
Folgende Anpassungen bzw Erweiterungen des Programms sollen realisiert werden
Schnittstelle zu den DWD-Radarniederschlagsdaten um die 5-minuumltigen RADOLAN RY-Komposite fuumlr eine instationaumlre 2-dimensionale Modellierung des Oberflaumlchenabflusses verwenden zu koumlnnen(vgl Abschnitt 2)
Einarbeitung der angepassten und erweiterten Ansaumltze zur Ermittlung des abflusswirksamen Niederschlages bei Starkregen
Einarbeitung der uumlberarbeiteten hydraulischen Ansaumltze fuumlr den Oberflaumlchenabfluss in steilen Hanglagen
Fuumlr die in Abschnitt 7 vorgeschlagenen Pilot-Einzugsgebiete sollen fuumlr ausgesuchte Starkregenereignisse (Regensammlung vgl Abschnitt 22) Simulationen des Oberflaumlchenabflusses durchgefuumlhrt werden
Die Ergebnisse dieser Simulationen sollen die hydraulische Grundlage fuumlr die in Abschnitt 6 beschriebenen Starkregen-Gefahrenkarten bilden
Folgende Datengrundlagen sind in die Simulationen des Oberflaumlchenabflusses zu intergrieren
Radarniederschlagsdaten (vgl Abschnitt 2)
ein hoch aufgeloumlstes digitales Gelaumlndemodell aus Laserscandaten Bereits durchgefuumlhrte Simulationen des Landes Baden Wuumlrttemberg im Einzugsgebiet der Starzel und [25] zeigen dass der Einfluss von Kleinstrukturen und Hindernissen (Mauern Graumlben Strassendammprofile) auf den Verlauf des Abflussgeschehens einen groszligen Einfluss haben koumlnnen
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Diese Kleinstrukturen werden allerdings durch das digitale Gelaumlndemodell nicht immer vollstaumlndig abgebildet Ggf muumlssen die Kleinstrukturen nachdigitalisiert werden um das digitale Gelaumlndemodell bdquohydraulischldquo zu vervollstaumlndigen
Gewaumlssernetz
Nutzungsmodell (zB ATKIS ALKIS CORINE LAND COVER) ggf mit Luftbildaufnahmen zur Verifizierung und Praumlzisierung der Nutzung und zur Ermittlung der Bearbeitungsrichtung bei landwirtschaftlichen Flaumlchen Hydraulisch nicht aktive Gebaumludeflaumlchen muumlssen bdquomarkiertldquo werden damit die Simulation an einer moumlglichst reellen Oberflaumlchengeometrie durchgefuumlhrt werden kann
Bodenkarte
Informationen uumlber die Bodenfeuchte oder Betrachtung der Regenmengen in den letzten 30 Tagen
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6 Arbeitspaket 5 Erarbeitung von Starkregen Gefahrenkarten fuumlr das Land Hessen
Wie im einfuumlhrenden Abschnitt 1 erlaumlutert muumlssen aufgrund der zu kurzen Vorwarnzeiten in kleinen Einzugsgebieten die Flaumlchen- und Bauvorsorge intensiviert werden um Schaumlden durch Starkregen und Sturzfluten mindern zu koumlnnen Die dazu notwendigen Informationen uumlber die in dieser Hinsicht gefaumlhrdeten Flaumlchen und deren Nutzung muumlssen bei der angepassten kommunalen Planung beruumlcksichtigt werden Flaumlchennutzungs- und Bebauungsplaumlne sind auf die topographischen Gegebenheiten und auf die Abflusseigenschaften des Gebietes bei Starkregen abzustimmen
Starkregen Hinweis- oder Starkregen Gefahrenkarten koumlnnen als Ergaumlnzung zu den mittlerweile bundesweit eingefuumlhrten Hochwassergefahrenkarten diese Informationen bereitstellen
Die im Folgenden verwendeten Begriffe
Starkregen-Hinweiskarte
Starkregen-Gefahrenkarten oder Flieszligpfadkarten
sind vorlaumlufige Benennungen Wie auch bei den Hochwassergefahrenkarten muss die LAWA fuumlr eine bundesweit einheitliche Benennung Sorge tragen
Aus der Sicht der Verfasser wird ein zweistufiges Vorgehen empfohlen
1 Identifikation der potentiell gefaumlhrdeten Hangflaumlchen und die Erstellung von Starkregen Hinweiskarten
2 Simulation des Oberflaumlchenabflusses der potentiell gefaumlhrdeten Flaumlchen und Erstellung von Starkregen Gefahrenkarten oder Flieszligpfadkarten
Eine flaumlchendeckende Simulation des Oberflaumlchenabflusses im betrachteten Projektraum sollte aufgrund der dabei entstehenden Projekt- bzw Ingenieurkosten uumlberdacht werden
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(Stufe 1) Identifikation der potentiell gefaumlhrdeten Hangflaumlchen und die Erstellung von Starkregen Hinweiskarten
Es wird vorgeschlagen in einem ersten Schritt den betrachteten Projektraum flaumlchendeckend auf potentiell gefaumlhrdete Hangflaumlchen zu untersuchen
Dazu sollen die Gelaumlndeneigung die Bodennutzung sowie die Lage der steilen Hangflaumlchen zu den schadensempfindlichen Flaumlchen (zB Siedlungsgebiete) fachlich miteinander verknuumlpft werden
Beispielsweise lassen sich auf Grundlage der folgenden fachlich begruumlndeten Matrix mit Hilfe der GIS Werkzeuge die potentiell gefaumlhrdeten Hangflaumlchen leicht identifizieren
Gruumlnland Ackerland
Gelaumlndenutzung Gelaumlndeneigung
Be
arb
eitu
ng
que
r zur
Fallr
ich
tun
g
Be
arb
eitu
ng
in
Fallr
ich
tun
g
kleiner 5 nicht
gefaumlhrdet wenig
gefaumlhrdet
5 bis 10 maumlszligig
gefaumlhrdet
10 bis 20 maumlszligig
gefaumlhrdet
groszliger 20 stark
gefaumlhrdet sehr stark gefaumlhrdet
sehr stark gefaumlhrdet
Liegen unterhalb stark oder maumlszligig gefaumlhrdeter Flaumlchen Siedlungsgebiete oder sind in den gefaumlhrdeten Flaumlchen Siedlungsentwicklungen geplant ist eine detaillierte Untersuchung des Oberflaumlchenabflusses erforderlich (Stufe 2)
Die bislang verwendeten Kriterien zur Einschaumltzung den potentiell betroffenen Flaumlchen sollten uumlberpruumlft und weiterentwickelt werden
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Beispiel fuumlr eine Starkregen-Hinweiskarte Stadt Nidderau
(Stufe 2) Simulation des Oberflaumlchenabflusses der potentiell gefaumlhrdeten Flaumlchen und Erstellung von Starkregen Gefahrenkarten oder Flieszligpfadkarten
Fuumlr die in Stufe 1 identifizierten gefaumlhrdeten Flaumlchen ist in der zweiten Stufe der Oberflaumlchenabfluss zu simulieren Je nach Groumlszlige des zu betrachtenden Niederschlagseinzugsgebietes oberhalb der gefaumlhrdeten Siedlungsflaumlchen und Infrastrukturen muumlssen aus der Regensammlung (vgl Abschnitt 22) konvektive Ereignisse geeigneter Dauer ausgewaumlhlt werden
Aus der instationaumlren 2D-Simulation erhaumllt man fuumlr definierte Zeitpunkte nach dem Beginn des Niederschlages folgende fuumlr das gewaumlhlte Berechnungsraster raumlumlich aufgeloumlste hydraulisch relevante Grundinformationen
Ist die Flaumlche benetzt (janein)
Wasserstand (bdquoUumlberflutungshoumlheldquo) auf der Flaumlche
Flieszligrichtung und Flieszliggeschwindigkeit auf der Flaumlche
Diese hydraulischen Grundinformationen muumlssen aufbereitet fachlich interpretiert und auf geeignete Weise dargestellt werden
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Letztlich geht es darum die Frage zu klaumlren welche Fachinformationen eine Starkregen-Gefahrenkarte beinhalten sollte
Aus der Sicht der Verfasser sollten in den Gefahrenkarten folgende hydraulische Informationen enthalten sein
Abflussrinnen und Flieszligpfade auf den Hangflaumlchen (Vervollstaumlndigung des Gewaumlssernetzes gegen Flieszligrichtung vgl auch Bild Abschnitt 4 Seite 21)
Starkregen-Gefahrenkarte mit Flieszligpfaden und Flieszligrichtung aus BWK [1]
Wassertiefenentwicklung entlang der Flieszligpfade
Flieszliggeschwindigkeiten entlang der Flieszligpfade
Diese Fachinformationen sollten zusammen mit einem fuumlr den Nutzer geeigneten Kartenhintergrund (Luftbildaufnahmen ALK topographische Karte etc) visualisiert werden
Im Rahmen der Bearbeitung der vorgeschlagenen Pilot-Einzugsgebiete (siehe Abschnitt 7) sind geeignete Inhalte und Darstellungsmoumlglichkeiten fuumlr Starkregen-Gefahrenkarten zu entwickeln
Wie auch bei den Hochwassergefahrenkarten sollte die LAWA fuumlr bundesweit einheitliche Standards der Starkregen-Gefahrenkarten Sorge tragen
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7 Arbeitspaket 6 Modell- Pilotprojekt bdquoUmgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessenldquo
In einem letzten Arbeitsabschnitt sollen anhand ausgesuchter Einzugsgebiete mit Hilfe des in Abschnitt 6 vorgeschlagenen Vorgehens Starkregen-Hinweiskarten und Starkregen-Gefahrenkarten erstellt werden
Die Verwendung von Niederschlagsdaten aus Radarbeobachtungen (vgl Abschnitt 1) und der Einsatz des verbesserten Simulationsmodells (vgl Abschnitte 3 und 4) werden gegenuumlber der heutigen Praxis bessere fachliche Informationen zur Bewaumlltigung von Starkregen-Gefahrenlagen bereitstellen koumlnnen
Folgende Pilot-Einzugsgebiete in hessischen Rheingau werden zur Auswahl gestellt
Walluf (AE=281 kmsup2) Die Walluf besitzt einen Pegel (Martinsthal AE=245 kmsup2 36 km oberhalb der Muumlndung) im Einzugsgebiet An der Hochschule RheinMain steht ein Niederschlags-Abfluss Modell der Walluf zur Verfuumlgung
Erbbach Kisselbach (AE= 106 kmsup2)
Pfingstbach (AE= 84 kmsup2)
Stegbach Blaubach (AE= 127 kmsup2)
Der Hochwasserrisikomanagementplan Rheingau steht zurzeit in der oumlffentlichen Abstimmung und wird im Laufe 2015 fertig gestellt werden Nach Aussage von Frau Tremper des Regierungspraumlsidiums Darmstadt Abteilung IVWi 412 waumlre eine Ergaumlnzung des HWRM-PL Rheingau durch Starkregen-Hinweis- und -Gefahrenkarten der Rheingaubaumlche hilfreich Diese wuumlrden die im HWRM-PL Rheingau betrachteten Rhein-Hochwasserszenarien ergaumlnzen
Arbeitsziel unterstuumltzt durch Studienarbeiten Erstellung von Niederschlags- Abfluss Modellen fuumlr die Rheingaubaumlche Erbach Kisselbach Pfingstbach Stegbach Blaubach
Bei der Erstellung der Starkregen-Hinweiskarten und Starkregen-Gefahrenkarten fuumlr die Pilot-Einzugsgebiete sollen die in Abschnitt 6 weiterentwickelten Ansaumltze erprobt und die Karteninhalte mit den spaumlteren Nutzern diskutiert werden Dabei sollen insbesondere die Kartendarstellung und deren Inhalte den jeweiligen fachlichen Beduumlrfnissen entsprechen
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8 Literatur und Quellen
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[7] Deutscher Wetterdienst (DWD) Abteilung Hydrometeorologie (Hrsg)(2005) Projekt RADVOR-OP
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[11] DWA Regelwerk Merkblatt DWA-M 153 (2007) Handlungsempfehlungen zum Umgang mit Regenwasser
[12] DWA Kommentar zum DWA Regelwerk (2008) Planung Bau und Betrieb von Anlagen zur Versickerung von Niederschlagswasser
[13] DWA Themen (2010) Abfluumlsse aus extremen Niederschlaumlgen Ergebnisse einer Bestandsaufnahme Hochwasserereignisse und Modellansaumltze zu ihrer Abbildung
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Projektskizze Umgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessen (Arbeitstitel) Januar 2015 Seite 34
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9 Allgemeine Informationen Zeitplan und Ressourcen
91 Allgemeine Informationen
Antragsteller Prof Dr-Ing Ernesto Ruiz Rodriguez Wasserbaulaboratorium am Fachbereich Architektur und Bauingenieurwesen Hochschule RheinMain Kurt-Schumacher-Ring 18 65197 Wiesbaden
Projektbearbeiter Arbeitsgruppe bdquoStarkregen und Sturzflutenldquo am Wasserbaulaboratorium Prof Dr-Ing Ernesto Ruiz Rodriguez (Projektleitung) BEng Lisa Trost (Projektbearbeitung) Frank Salffner (Vermessungstechniker Laborant am Wasserbaulaboratorium und in der EDV- Arbeitsgruppe des Fachbereichs) Die Arbeitsziele werden durch Studienarbeiten des Master- Studienganges bdquoUmweltmanagement und Stadtplanung in Ballungsraumlumenldquo (UMSB) unterstuumltzt
Partnerschaften Kooperationspartner Prof Dr Ralf Doumlrner Hochschule RheinMain
FG Graphische Datenverarbeitung und Virtuelle Realitaumlt Prof Dr Robert Seuszlig Fachhochschule Frankfurt FG Geoinformation und Kommunaltechnik Berufsfeuerwehr Wiesbaden Dr Andreacute Assmann Fa Geomer Heidelberg
gewuumlnschte Zusammenarbeit Deutscher Wetterdienst Abt Hydrometeorologie Projektdauer 4 Jahre (vgl 92 Zeitplan) Eigenmittel Projektleitung durch Prof Dr E Ruiz Rodriguez
Nutzung der Einrichtungen des Wasserbaulaboratoriums der Hochschule RheinMain Unterstuumltzung bei Laborarbeiten und EDV Infrastruktur durch Frank Salffner
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92 Zeitplan
1
Jah
r
2
Jah
r
3
Jah
r
4
Jah
r Bemerkung
Arbeitspaket 1 Verwendung von Radardaten zur Simulation von Starkregen Sturzfluten fuumlr kleine Einzugsgebiete
Beginn der Arbeiten
Klaumlrung der Verfuumlgbarkeit von Radarniederschlagsdaten (fuumlr Modellierer Ingenieurbuumlros)
Aufwand zur Nutzung und Aufbereitung von Radarniederschlagsdaten fuumlr Modellierer Ingenieurbuumlros Erstellung eines Werkzeugs zur Visualisierung der archivierten und aktuellen Radarniederschlagsdaten Erstellung eines Werkzeugs zur Transformation und Projektion der DWD-RADOLAN-RW und RY-Komposit-Radarniederschlagsdaten in Gauszlig-Kruumlger undoder UTM-Projektion Erstellung eines GIS Werkzeugs zur Aufbereitung der DWD-RADOLAN-Komposit-Raster zur Simulation von Starkregen in kleinen Einzugsgebieten
1 Berichterstattung Arbeitspaket 1 (Teil 1)
Auswertung der RADOLAN Radarniederschlagsdaten des DWD
Praxisseminar Kolloquium bdquoVerwendung von Radardaten zur Simulation von Starkregen Sturzfluten in Hessenldquo
Arbeitspaket 2 Uumlberpruumlfung und Anpassung von Modellansaumltze zur Ermittlung des abflusswirksamen Niederschlages bei Starkregen
Uumlberpruumlfung und Anpassung der Modellansaumltze zur Ermittlung des abflusswirksamen Niederschlages bei Starkniederschlaumlgen unter besonderer Beruumlcksichtigung von Bodenfeuchte und Bodenluftkompressionseffekten
Arbeitspaket 3 Uumlberpruumlfung und Anpassung der hydraulischen Ansaumltze zur Berechnung des Oberflaumlchenabflusses bei Starkregen Sturzfluten an steilen Haumlngen
Bau der Versuchsrinne am Wasserbaulaboratorium Durchfuumlhrung und Auswertung der Versuche Uumlberpruumlfung und Anpassung der hydraulischen Ansaumltze zur Berechnung des Oberflaumlchenabflusses
2 Berichterstattung Arbeitspaket 2 und Arbeitspaket 3 (Teil1)
Arbeitspaket 4 Instationaumlre 2ndashdimensionale Modellierung des Oberflaumlchenabflusses bei Starkniederschlaumlgen
Anpassen des 2-dimensionallen Modelles auf instationaumlre Niederschlagsfronten Schnittstelle zu DWD RADOLAN Komposite Einarbeiten der verbesserten Ansaumltze zu Berechnung des abflusswirksamen Niederschlages bei Starkniederschlaumlgen Einarbeiten der verbesserten hydraulischen Ansaumltze
wird fortgesetzt
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1
Jah
r
2
Jah
r
3
Jah
r
4
Jah
r Bemerkung
Arbeitspaket 5 Erarbeitung von Starkregen Gefahrenkarten fuumlr das Land Hessen
Uumlberpruumlfen und Anpassung von fachlichen Kriterien fuumlr die Erstellung von Starkregen-Karten Definition der Inhalte von Starkregen-Hinweiskarten Definition der Inhalte von Starkregen- Gefahrenkarten
3 Berichterstattung Arbeitspaket 3 (Teil 2) Arbeitspaket 4 und Arbeitspaket 5 (Teil1)
Arbeitspaket 6 Modell- Pilotprojekt bdquoUmgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessenldquo
Erarbeitung von Starkregen-Hinweiskarten fuumlr die ausgewaumlhlten Pilot-Einzugsgebiete Erarbeitung von Starkregen-Gefahrenkarten fuumlr die ausgewaumlhlten Pilot-Einzugsgebiete Uumlberpruumlfen der fachlichen Kriterien und Ansaumltze (Arbeitspaket 5) fuumlr die Erstellung von Starkregen-Karten Diskussion uumlber die Starkregen-Karteninhalte und Starkregen-Kartendarstellung mit den Nutzern
4 Berichterstattung Arbeitspaket 5 (Teil 2) und Arbeitspaket 6 (Abschlussbericht)
93 Beantragte Mittel
Zur Durchfuumlhrung und Erreichung der im Antrag beschriebenen Arbeitsziele werden fuumlr das
1 Projektjahr 35000 Euro
2 Projektjahr 35000 Euro
3 Projektjahr 35000 Euro
4 Projektjahr 35000 Euro
beantragt
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1160 cm
280 cm
260 cm
1000 cm
1080 cm
6300 cm280 cm
3000 cm3000 cm
3000 cm 3000 cm
1000 cm624 cm
1500deg
Kipprinne zur Simulation des Oberflaumlchenabflusses an steilen HaumlngenLaumlnge= 630 mBreite= 10 mHoumlhe= 026 mmax Neigungswinkel 45deg
variableBeregnungslaumlnge
Maszligstab 120
1000 cm
260 cm
Sohlsubstrat zur Aufnahmevon kuumlnstlichen Bewuchsstrukturen
Beregnungsanlage mit schwenkbaren Duumlsen zurvertikalen Regensimulation
Wasserkoumlrper desOberflaumlchenabflusses
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Projektskizze Umgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessen (Arbeitstitel) Januar 2015 Anlage 1
1830 cm
2625 cm
Drehpunkt
1330 cm
6300 cm
280 cm
1500deg
Maszligstab 120
Kipprinne zur Simulation des Oberflaumlchenabflusses an steilen HaumlngenLaumlnge= 630 mBreite= 10 mHoumlhe= 026 mmax Neigungswinkel 45deg
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22 Aufwand zur Nutzung und Aufbereitung von Radarniederschlagsdaten fuumlr Modellierer Ingenieurbuumlros
Wie in Abschnitt 1 einfuumlhrend erlaumlutert sind neben einer ausreichenden raumlumlichen und zeitlichen Aufloumlsung
die Kosten fuumlr die Beschaffung der Radarniederschlagsdaten und
der Aufbereitungsaufwand fuumlr die Simulation
fuumlr Modellierer Ingenieurbuumlros entscheidend
Ingenieurbuumlros bearbeiten Projekte aufgrund der Ausschreibungsbedingungen und der starken Konkurrenzsituation in einem sehr engen Finanzrahmen
Die aktuell angebotenen Radarniederschlagsdaten Radarprodukte benoumltigen einen zu groszligen Aufbereitungsaufwand um diese fuumlr die Simulation von Starkregen und Sturzfluten in kleinen Einzugsgebieten zu nutzen
Vor einer Simulation muumlssen die folgenden zwei Schritte abgearbeitet werden
1) Auswahl geeigneter konvektiver Ereignisse fuumlr das Untersuchungsgebiet (Regensammlung)
2) Aufbereitung der 5-minuumltigen Radarniederschlagsdaten fuumlr die gewaumlhlten konvektiven Ereignisse
Auswahl geeigneter konvektiver Ereignisse fuumlr das Untersuchungsgebiet (Regensammlung)
Zur Erinnerung Aktuelle werden die Radarniederschlagsdaten noch nicht genutzt sondern der statischen Regen aus einer benachbarten Niederschlagsstation oder statischen Blockregen aus DWD KOSTRA 2000 entnommen Die Dauer der Modellregen orientiert sich dabei an der Konzentrationszeit Flieszligzeit im Niederschlagsgebiet Um den Aufwand zur Beschaffung Auswahl und Aufbereitung der Niederschlagsdaten von konvektiven Ereignissen einzelner Niederschlagsstationen zu umgehen werden stattdessen die DWD KOSTRA 2000 Blockregen verwendet
Um bei der Auswahl von konvektiven Ereignissen aus Radarniederschlagsdaten den Kostenrahmen fuumlr die Datenbeschaffung gering zu halten erscheint es sinnvoll auf die RADOLAN-RW-Komposit Radarniederschlagsdaten mit einer zeitliche Aufloumlsung von 1 h die auf dem FTP-Server des
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DWD (ftpftp-cdcdwddepubCDC) zum freien kostenlosen Download zur Verfuumlgung stehen zuruumlck zu greifen
Mit folgenden Systemen lassen sich zurzeit die Niederschlagsdaten des RADOLAN RW-Komposits visualisieren
KONRAD webKONRAD - Zugang uumlber das Feuerwehrinformationssystem (FEWIS)
IDLRaBiD 50 - Darstellungsprogramm fuumlr Radarbilder des Deutschen Wetterdienstes
WaWIS (Registrierung uumlber DWD notwendig)
NinJo Lizenz erhaumlltlich uumlber Ernst Basler + Partner GmbH
Python Skript Bibliothek bdquowradlibldquo (Darstellen der einzelnen RW Komposite)
KONRAD bzw webKONRAD ist nur uumlber den Zugang des Feuerwehrinformationssystems (FEWIS) zu erreichen und steht Ingenieurbuumlros nicht zur Verfuumlgung
IDLRaBiD 50 ist eine interne Software des DWD und steht Ingenieurbuumlros nicht zur Verfuumlgung
WaWIS steht nur Behoumlrden zur Verfuumlgung die im Rahmen des Katastrophenschutzes taumltig sind
NinJo 17 kann als Lizenzprodukt erworben werden Auf das Ingenieurbuumlro kaumlmen Lizenz- und Installationskosten welche sich im 5 stelligen Bereich bewegen zu Fuumlr Forschungsinstitutionen fallen die Lizenzkosten weg es verbleiben jedoch Installationskosten von ca 5000 Euro Eine Betrachtung von konvektiven Fronten uumlber mehrere Tage hinweg ist fuumlr ausgesuchte Zeitabschnitte moumlglich
Eine weitere Alternative ist die Nutzung der umfangreichen Phyton-Skript Bibliothek bdquowradlibldquo Hier muss jedes einzelne RW-Komposit eingelesen und visualisiert werden Natuumlrlich wird dies durch geeignete wradlib utility functions (Batch Routinen zur Verarbeitung vieler RW-Komposite) erleichtert Der Gesamtaufwand zur Visualisierung ist dennoch erheblich
Der Einsatz der letzten zwei Alternativen setzt jedoch voraus dass man bestimmte konvektive Ereignisse bereits identifiziert hat Dh die entsprechenden historischen Ereignisse sind bekannt oder es wurden aus den Aufzeichnungen der Bodenniederschlagsstationen bereits Ereignisse ausgewaumlhlt
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Zurzeit gibt es noch kein System welches frei zugaumlnglich ist und die historischen RW RADOLAN-Daten (Juni-2005 bis heute) visualisieren kann
Optimal waumlre es wenn die RW-RADOLAN-1h-Komposite jahresweise in einem Video mit Datum Kartenhintergrund und N-Intensitaumltsskala vor- und ruumlckspulbar betrachtet werden koumlnnten Auf diese Weise waumlre es moumlglich maszliggebende konvektive Ereignisse Szenarien (Regensammlung mit verschiedenen Niederschlagsdauern und verschiedenen Niederschlagsmengen) zur Simulation leichter zu identifizieren (vgl auch Abschnitt 7)
Arbeitsziel unterstuumltzt durch Studienarbeit Entwurf und Umsetzung eines Werkzeugs zur Visualisierung der archivierten und aktuellen Radarniederschlagsdaten (DWD-RADOLAN-RW-Komposit)
Aufbereitung der 5 minuumltigen Radarniederschlagsdaten fuumlr die gewaumlhlten konvektiven Ereignisse
Sind die konvektiven Ereignisse Szenarien zur Simulation identifiziert muumlssen deren Radarniederschlagsdaten je nach Anforderung des verwendeten Simulationsmodells aufbereitet werden
Alle Simulationsmodelle nutzen fuumlr die Eingabeaufbereitung und Ergebnispraumlsentation GIS-Oberflaumlchen So lassen sich Simulationsergebnisse mit anderen Datengrundlagen (Amtliches Liegenschaftskatasterinformationssystem ALKIS Bodeninformationen Luftbilder Nutzung etc) verschneiden und fachlich interpretieren (zB Erstellung von Starregen Gefahrenkarten) Oftmals werden die Simulationsmodelle als aufgesetzte bdquoFachschaltenldquo zu GIS-Systemen realisiert
Diese Tatsache macht es unumgaumlnglich die Komposit-Radarniederschlagsdaten auf ein GIS-System kompatibles Format mit geeigneter Projektion (zB Gauszlig-Kruumlger- oder UTM-Projektion) zu uumlberfuumlhren
Die fuumlr die DWD ndashRADOLAN-RW-Komposit-Radarniederschlagsdaten verwendete polarstereographische Projektion (siehe [5]) ist fuumlr die derzeitigen Anwendungen geeignet Man betrachtet und beurteilt groszligraumlumige Wetterlagen uumlber Staats- Bundeslandgrenzen hinweg
Fuumlr eine Simulation von kleinraumlumigen Starkregenereignissen und eine fachliche Verschneidung der Simulationsergebnisse mit weiteren Daten eignet sich die polarstereographische Projektion jedoch nicht
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In [33 Kapitel 5] werden die Probleme beim Georeferenzieren der DWD-RADOLAN-Komposite ausfuumlhrlich erlaumlutert
Arbeitsziel unterstuumltzt durch Studienarbeiten Entwurf und Umsetzung eines Werkzeugs zur Transformation und Projektion der DWD-RADOLAN-RW und RY-Komposit-Radarniederschlagsdaten in Gauszlig-Kruumlger undoder UTM-Projektion
Innerhalb des HLUG sollte eine Diskussion zur Festlegung einheitlicher Projektionen fuumlr kuumlnftige wasserwirtschaftliche Projekte im Land Hessen stattfinden
Waumlhrend die in Gauszlig-Kruumlger- oder UTM transformierten Radarniederschlagsdaten in einem Raster von ca 1km x 1km vorliegen koumlnnen die Simulationsmodelle (vgl Abschnitt 0) je nach gewaumlhlten Randbedingungen deutlich kleinere Rasterweiten (zB 5m x 5 m bis 100 m x 100m) verwenden
Fuumlr eine Simulation muss ein gemeinsames Rasters definiert und alle Datengrundlagen in dieses Raster uumlberfuumlhrt werden
Uumlberlagerung eines Transformierten RADOLAN Raster mit Gauszlig-Kruumlger oder UTM Raster
Gauszlig-Kruumlger oder UTM transformiertes RADOLAN Raster (schiefes Veireck 950x950 m)
zur Simulation verwendetes Raster
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Arbeitsziel unterstuumltzt durch Studienarbeit Entwurf und Umsetzung eines GIS Werkzeugs zur Aufbereitung der DWD-RADOLAN-Komposit-Raster zur Simulation von Starkregen in kleinen Einzugsgebieten
23 Auswertung der RADOLAN Radarniederschlagsdaten des DWD
Wie in Abschnitt 2 erlaumlutert koumlnnen die Zugrichtung und die Zuggeschwindigkeit einer konvektiven Starkregenfront Starkregenzelle die Einwirkungsintensitaumlt in einem Niederschlagseinzugsgebiet entscheidend beeinflussen Die Abmessungen der Starkregenfront Starkregenzelle in Verbindung mit der Zuggeschwindigkeit sowie die Regendauer koumlnnen im unguumlnstigen Fall mit der Konzentrationszeit im Niederschlagseinzugsgebiet zusammenfallen und zu einer entscheidenden Verschaumlrfung des Wellenscheitels fuumlhren
Unter der Voraussetzung dass die in Abschnitt 22 beschriebenen Werkzeuge erstellt worden sind sollen nun mit deren Hilfe die historischen RADOLAN Radarniederschlagsdaten ausgewertet werden
Identifizieren von Starkregenfronten Starkregenzellen Hierfuumlr sind Identifikationskriterien zu erarbeiten
Einordnung des Wiederkehrintervalls der Starkregenfront Starkregenzelle (Dauer und Niederschlagsmenge) mit Hilfe der DWD KOSTRA2000-Auswertung
Identifikation und Digitalisierung des Intensitaumltsschwerpunktes der jeweiligen Starkregenfront
Zeitliche Entwicklung der Intensitaumltsverteilung innerhalb der Starkregenfront
Fuumlr jede identifizierte Starkregenfront Starkregenzelle sollen in Abhaumlngigkeit der JahreszeitWetterlage folgende Parameter ermittelt und statistisch ausgewertet werden
Digitalisierung der Abmessungen (Laumlngenausdehnung Breitenausdehnung) und der Form (Laumlngen-Breitenverhaumlltnis oder Flaumlche-Umfangverhaumlltnis)
Digitalisierung der Zugrichtung (Zugbahn Zugtrajektorie) und Zuggeschwindigkeit (im Schwerpunkt der Intensitaumlt)
Darstellung der Abmessungen der Zugrichtungen und Zugbahnen in Karten und Uumlberlagerung mit dem digitalen Gelaumlndemodell
Auf diese Weise koumlnnen eventuell Starkregenschwerpunkte (-regionen) in Hessen identifiziert und in Karten dargestellt werden
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Arbeitsziel unterstuumltzt durch Studienarbeit(en) Auswertung historischer RADOLAN Radarniederschlagsdaten des DWD
24 Praxisseminar Kolloquium bdquoVerwendung von Radardaten zur Simulation von Starkregen Sturzfluten in Hessenldquo
In Zusammenarbeit mit dem Wissenschaftsforum Umwelt und der Weiterbildungsplattform NATURUMWELTTECHNIK (NUT) der Hochschule RheinMain sollen in einem 1-taumlgigen Praxisseminar die Moumlglichkeiten zur Nutzung von Radarniederschlagsdaten zur Simulation von Starkregen Sturzfluten vorgestellt werden
Zielgruppe Ingenieurhydrologen Hydrologen Ingenieurbuumlros (Modellierer) und andere am Thema Interessierten
Die Organisation uumlbernimmt die Weiterbildungsplattform NUT der Hochschule RheinMain Die fachliche Koordination ist durch Prof Dr Ernesto Ruiz Rodriguez und Frau BEng Lisa Trost gesichert Eine partnerschaftliche Koordination durch das HLUG und den DWD ist moumlglich und wird ausdruumlcklich erwuumlnscht
3 Arbeitspaket 2 Uumlberpruumlfung und Anpassung von Modellansaumltze zur Ermittlung des abflusswirksamen Niederschlages bei Starkregen
Unter dem abflusswirksamen (effektiven) Niederschlag versteht man den Anteil des Niederschlages der in einem Einzugsgebiet unmittelbar nach dem Niederschlagsereignis als Direktabfluss wirksam wird
Zu Beginn des Niederschlagsereignisses sind die Verluste idR besonders groszlig (Benetzung der der Vegetationsdecke und Muldenverluste) Bei Starkregen werden diese Speicherraumlume jedoch schnell gefuumlllt und die hohen Niederschlagsintensitaumlten uumlbersteigen oft die Infiltrationsfaumlhigkeit des Bodens und es kommt zum Oberflaumlchenabfluss (vgl auch Abschnitt 4)
Insofern spielt besonders bei Starkregen der Anteil an abflusswirksamen Oberflaumlchenabfluss eine entscheidende Rolle Dieser bildet gemeinsam mit dem oberflaumlchennahen Interflow in der belebten Bodenzone den Hauptanteil am sog abflusswirksamen Niederschlag
Der in der Ingenieurhydrologie am haumlufigsten verwendete Modellansatz zur Ermittlung des abflusswirksamen Niederschlags ist der Ansatz des Abflussbeiwertes Er wird sowohl in der Urbanhydrologie (Kanalnetzberechnung) als auch
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bei der Modellierung von Niederschlags-Abfluss-Prozessen (NA-Modellierung) auf natuumlrlichen Flaumlchen eingesetzt
Abflussbeiwert-Ansaumltze
)()()(
)()(
)(
)(
tititi
titi
ti
ti
vw
w
w
Ψ ndash Abflussbeiwert [-]
i(t) ndash Niederschlagsintensitaumlt [mmh]
iw(t) ndash wirksame Niederschlagsintensitaumlt [mmh]
a) konstanter Abflussbeiwert Ψ
b) Konstanter Abflussbeiwert Ψ mit Anfangsverlust hva
Der Anfangsverlust hva wird durch die Mulden- und Benetzungsverluste begruumlndet
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c) Zeitvarianter Abflussbeiwert Ψ mit oder ohne Anfangsverlust hva
In der Urbanhydrologie wird der konstante Abflussbeiwert Ψ ohne Anfangsverlust hva bei der NA-Modellierung kommt fast immer der konstante Abflussbeiwert Ψ mit Anfangsverlust hva zum Einsatz
Liegen Niederschlags- und Abflussaufzeichnungen des Direktabflusses QD(t) vor und ist der Verlauf des Basisabflusses QB(t) bekannt so kann der Abflussbeiwert Ψ aus der Volumen-Massenbilanz ermittelt werden Der Anfangsverlust hva wird in der Regel mit 3 bis 4 mm Niederschlagshoumlhe geschaumltzt Der gefallene effektive Niederschlag iw(t)=Ψ i(t) findet sich im Direktabfluss QD(t) oberhalb des Basisabflusses QB(t)
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Liegen keine Niederschlags undoder Pegelaufzeichnungen vor wird in der Ingenieurpraxis der Abflussbeiwert mit Hilfe oder im Anlehnung an das SCS Verfahrens (US Soil Conversation Service der USA) ermittelt Diese Verfahren wird ua in der
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DVWK-Regel 113 beschrieben Das SCS-Verfahren unterscheidet folgende Bodentypen
Bodentyp A Boumlden mit groszligem Versickerungsvermoumlgen auch nach starker Vorbefeuchtung zB tiefe Sand- und Kiesboumlden
Bodentyp B Boumlden mit mittlerem Versickerungsvermoumlgen tiefe bis maumlszligig tiefe Boumlden mit maumlszligig feiner bis maumlszligig grober Textur zB mitteltiefe Sandboumlden Loumlszlig (schwach) lehmiger Sand
Bodentyp C Boumlden mit geringem Versickerungsvermoumlgen Boumlden mit feiner bis maumlszligig feiner Textur oder mit wasserstauender Schicht zB flache Sandboumlden sandiger Lehm
Bodentyp D Boumlden mit sehr geringem Versickerungsvermoumlgen Ton Boumlden sehr flache Boumlden uumlber nahezu undurchlaumlssigem Material Boumlden mit dauernd sehr hohem Grundwasserspiegel
BodennutzungBodentyp A B C D
Oumldland (ohne nenneswerten Bewuchs) 77 86 91 94
Hackfruumlchte Wein 70 80 87 90
Wein (Terrassen) 64 73 79 82
Getreide Futterpflanzen 64 76 84 88
Weide (normal) 49 69 79 84
Weide (kark) 68 79 86 89
Dauerwiese 30 58 71 78
Wald (stark aufgelockert) 45 66 77 83
Wald (mittel aufgelockert) 36 60 73 79
Wald (dicht) 25 55 70 77
undurchlaumlssige bzw versiegelte Flaumlchen 100 100 100 100
CN-Beiwert des SCS-Verfahrens
In Abhaumlngigkeit der Bodennutzung und des Bodentyps wird fuumlr das Niederschlagseinzugsgebiet ein flaumlchengewichteter CN-Beiwert ermittelt und der effektive Niederschlag hNE berechnet
4258800425
22004252
NN
NNNe
Ch
Chh
N
Ne
h
h
Das Originalverfahren hat Schwaumlchen und wurde mehrfach modifiziert (zB nach Oslashverland Zaiszlig und Lutz) Dabei wurde versucht den Einfluss der aktuellen Bodenfeuchte des Bodens besser zu beruumlcksichtigen Je nach Bodentyp kann diese einen groszligen Einfluss auf den effektiven Niederschlag (vgl auch Abschnitt 41) haben
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Alle diese Ansaumltze beruumlcksichtigen nicht die bei Starkregen beobachteten und in [17] beschriebenen Effekte der Bodenluftkompression die die Infiltrationsfaumlhigkeit des Porenraumes bei hohen Niederschlagsintensitaumlten mindert und somit den Anteil des Oberflaumlchenabflusses erhoumlht
Arbeitsziel unterstuumltzt durch Studienarbeit Uumlberpruumlfung und Anpassung der Modelansaumltze zur Ermittlung des abflusswirksamen Niederschlages bei Starkniederschlaumlgen unter besonderer Beruumlcksichtigung von Bodenfeuchte und Bodenluftkompressionseffekten
Die Verwendung der Radarniederschlagsdaten macht es moumlglich die zeitliche und raumlumliche Niederschlagsverteilung im Einzugsgebiet zu betrachten Da die Niederschlagsintensitaumlten und -mengen im Einzugsgebiet variieren werden sich demzufolge raumlumlich verteilte Abflussbeiwerte ergeben Die oben beschriebenen Ansaumltze zur Ermittlung des abflusswirksamen Oberflaumlchenabflusses muumlssen daraufhin angepasst und ggf weiterentwickelt werden
Arbeitsziel unterstuumltzt durch Studienarbeit Uumlberpruumlfung und Anpassung der Modelansaumltze zur Ermittlung des abflusswirksamen Niederschlages bei raumlumlich und zeitlich sich veraumlndernden Starkniederschlaumlgen
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4 Arbeitspaket 3 Uumlberpruumlfung und Anpassung der hydraulischen Ansaumltze zur Berechnung des Oberflaumlchenabflusses bei Starkregen Sturzfluten an steilen Haumlngen
Beim Oberflaumlchenabfluss muss zwischen dem klassischen Oberflaumlchenabfluss nach Horton (1933) und dem Saumlttigungsoberflaumlchenabfluss unterschieden werden
Der Oberflaumlchenabfluss nach Horton entsteht durch einen Infiltrationsuumlberschuss Die Niederschlagsintensitaumlt ist houmlher als die Infiltrationskapazitaumlt der Boumlden und das nicht infiltrierte Niederschlagswasser flieszligt dann in Fallrichtung auf der Hangoberflaumlche ab
Der Saumlttigungsoberflaumlchenabfluss setzt dann ein wenn der Boden seine maximale Wassersaumlttigung erreicht hat dh das Porenvolumen vollstaumlndig mit Wasser gesaumlttigt ist Bei diesem Abfluss tritt haumlufig Wasser aus einem vergangenen Ereignis wieder aus dem Boden aus (Exfiltration) und vermischt sich mit dem Niederschlag des aktuellen Ereignisses
Im Folgenden wird zunaumlchst nur die Einphasenstroumlmung des Oberflaumlchenwassers betrachtet der Bewegungsbeginn und der Transport von Teilen der Bodenmatrix (Erosion) werden nicht analysiert Der Massentransport koumlnnte nachdem die Bewegungsgleichungen der Einphasenstroumlmung in steilen Haumlngen verifiziert oder korrigiert wurden in spaumlteren Arbeitsschritten betrachtet werden
Fuumlr die Simulation des Oberflaumlchenabflusses an Steilhaumlngen werden aktuell dieselben Ansaumltze verwendet wie zur Berechnung des Oberflaumlchenabflusses auf flachen Uumlberflutungsflaumlchen in Gewaumlssern und auf Auen Die dabei erzielten Ergebnisse scheinen so plausibel sodass die verwendeten Modelle bislang noch nicht hinterfragt wurden Und das obwohl die geometrischen und hydraulischen Randbedingungen an steilen Hanglagen sich von denen auf flachen Uumlberflutungsflaumlchen stark unterscheiden
In diesem Zusammenhang verglich beispielsweise Herr Dipl-Ing Klaus Schmalzl des Wasserwirtschaftsamtes Rosenheim in seinem Vortrag bdquoSturzfluten hydrodynamisch numerisch mit HYDRO_AS-2D berechnenldquo [38] den er im Rahmen des Treffens der Anwender des 2D-Hydrodynamik-Programms HYDRO_AS-2D der Fa Hydrotec am 11Okt 2014 in Muumlnchen hielt das Programm HYDRO_AS-2D welches eigentlich fuumlr die 2-Dimensionale Simulation in Gewaumlssern entwickelt worden ist mit einem bdquoSchweizer Messerldquo welches als Symbol fuumlr einen vielseitigen Einsatz steht
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In Kongress INTERPRAEVENT 2012 in Grenoble [25] wurde bdquoEin neuer Ansatz zur Modellierung von Oberflaumlchenabflussldquo vorgestellt In der Zusammenfassung
bdquoOberflaumlchenabfluss wird als der Teil des Niederschlags verstanden welcher einem Vorfluter uumlber die Bodenoberflaumlche unmittelbar zufliesst Auswertungen von Unwetterereignissen in den letzten Jahren in der Schweiz haben gezeigt dass bis zu 50 der durch Wassergefahren verursachten Schadenfaumllle durch Oberflaumlchenabfluss verursacht worden sind Dennoch ist Oberflaumlchenabfluss in der Schweiz kaum in den Gefahrenkartierungsprozess integriert Um diese Luumlcke zu fuumlllen wurde auf der Basis der Software FloodArea eine Methode entwickelt welche eine Modellierung von Oberflaumlchenabfluss mit einheitlichen Kriterien uumlber grosse Gebiete erlaubt In dieser Studie werden die Methodenentwicklung und zwei Fallstudien vorgestellt Die Resultate zeigen dass an den Raumlndern von Siedlungsflaumlchen und im Landwirtschaftsland gute Ergebnisse erzielt werden Potenziell gefaumlhrdete Gebaumlude oder Bauparzellen werden erkannt Innerhalb von Siedlungsgebieten sind die Differenzen zu realen Ereignissen groumlsser Daher liegt der Fokus von Folgearbeiten auf einer weiteren Verbesserung der Genauigkeit des Gelaumlndemodells und der Integration von zusaumltzlichen Strukturen (zB Kleinbauten) welche Fliesswege entscheidend beeinflussen koumlnnenldquo aus [25]
wird auf die Software FloodArea der Fa Geomer Heidelberg verwiesen
FloodArea und auch HYDRO_AS-2D sind Beispiele von in der Praxis verwendeten Programmen zur Berechnung von Wasserspiegellagen in Gewaumlssern und zur 2-D Uumlberflutungssimulation auf Auen Wie das nachfolgende Bild zeigt sind die mit FloodArea erzielten Simulationsergebnisse plausibel
Oberflaumlchenabflussmodellierung in Busswil (Kanton Bern Schweiz) aus [25]
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Der Verfasser dieser Projektskizze selbst hat in Zusammenarbeit mit der Fa Geomer in Heidelberg die hydraulischen Kernroutinen fuumlr das Programm FloodArea entwickelt und ist daher in der Lage deren Einsatzgrenzen gut beurteilen zu koumlnnen
41 Korrektur der Flieszligformeln zur Simulation des Oberflaumlchenabflusses an steilen Haumlngen
Die nachfolgende Tabelle zeigt die unterschiedlichen Auspraumlgungen von wichtigen hydraulischen und geometrischen Randbedingungen fuumlr den steilen Oberflaumlchenabfluss und fuumlr die Wasserausbreitung auf den vergleichsweise flachen Gewaumlsserauen
Parameter Auspraumlgung
Gewaumlsser und Aue Steile Hanglage
Gefaumllle klein permil bis 10
groszlig 5 bis uumlber 100
Wassertiefe groszlig Dezimeter bis mehrere Meter
klein Duumlnnfilmabfluss bis Dezimeter
Betrachten wir zunaumlchst ein Fluidelement 119889119909 times ℎ times 119880 auf einer steilen Hangflaumlche mit dem Hangneigungswinkel β und formulieren in x- Richtung das Kraumlftegleichgewicht zwischen der hangabwaumlrts treibenden Kraft
119866 times sin 120573 = 119889119909 times ℎ times 119880 times 120588 times 119892 times sin 120573 und der Hangreibungskraft T
119879 = 120591 times 119880 times 119889119909 Man erhaumllt so den bekannten Ansatz fuumlr die Schleppspannung
120591 auf einer Hangflaumlche
120591 = 120588 times 119892 times119860
119880times sin 120573 [
119873
1198982]
dx
Q
vdx cosszlig
h
G
G sinszlig
T
U
Ah
szlig
x
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Mit dem in der turbulenten Hydraulik uumlblich verwendeten Ansatz
120591 =120582
81199072 [
119873
1198982]
ergibt sich die Flieszligformel fuumlr den Oberflaumlchenabfluss
119907 =1
radic120582times radic8 times 119892 times
119860
119880times 119904119894119899 120573 [
119898
119904]
mit
v - mittl Flieszliggeschwindigkeit [ms]
1
radic120582 - Reibungskoeffizient [-]
g - Erdbeschleunigung [mssup2]
A - Abflussquerschnitt [msup2]
U - benetzte Sohle [m]
β - Hangneigungswinkel [Grad]
Da in der Flusshydraulik die Neigungswinkel der Gewaumlssersohlen deutlich kleiner sind als die Neigungswinkel steiler Hanglagen werden die Flieszligformeln vereinfach
119907 =1
radic120582times radic8 times 119892 times
119860
119880times 119868119864
Anstelle des 119904119894119899 120573 wird das Gefaumllle IE verwendet Dh
119904119894119899 120573 = 120573 oder 119904119894119899 120573 = 119905119886119899 120573 = 119868119864
mit
IE - Sohlgefaumllle [minuspermil]
Fuumlr Gefaumllle bis 20 oder 113 Grad Neigung ist diese Vereinfachung vertretbar und liefert gute Ergebnisse Ab Neigungen groumlszliger 20 darf diese Vereinfachung nicht mehr angesetzt werden Bei einer Hangneigung mit 45 Grad oder IE=1=100 Gefaumllle weichen die Ergebnisse fuumlr die Flieszliggeschwindigkeit um 16 ab
radic1 = 1 radic119904119894119899 45 = 07071 = 084 119865119890ℎ119897119890119903 =1minus084
1times 100 = 16
Bei aktuellen Simulationen werden diese Fehler manchmal auch aus Unkenntnis hingenommen oder mit Hilfe des Reibungskoeffizienten der Oberflaumlchen versucht zu korrigieren
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42 Versuchseinrichtung zur Uumlberpruumlfung und Anpassung der Flieszligformeln zur Simulation des Oberflaumlchenabflusses an steilen Haumlngen
Auf dem Gelaumlnde des Wasserbaulaboratoriums der Hochschule RheinMain soll im naumlchsten Sommersemester 2015 eine Versuchseinrichtung zur Simulation von Oberflaumlchenabfluss auf Hanglagen bis 45deg (11 100) errichtet werden
Es soll eine kippbare Versuchsrinne mit einer Breite von 10 m einer Houmlhe von 026 m und einer Laumlnge von 63 m errichtet werden (vgl auch Anlage 1) Zur vertikalen Regensimulation soll uumlber der Versuchsrinne eine Beregnungsanlage mit schwenkbaren Duumlsen angebracht werden
Kipprinne zur Simulation von Oberflaumlchenabfluumlssen an steilen Haumlngen vgl Anlage 1
In einer ersten Phase sollen die in Abschnitt 41 diskutierten hydraulischen Ansaumltze in Versuchen verifiziert werden Hierbei gilt es besonders zu uumlberpruumlfen ob bei sehr kleinen Abflusstiefen (Duumlnnfilmabfluss) die Oberflaumlchenspannung der Wassers bei den Bewegungsgleichungen von Bedeutung ist
Fuumlr die Versuchsreihen koumlnnen die Beregnungslaumlnge die Niederschlagsintensitaumlt und der Neigungswinkel der Versuchsrinne variiert werden
Arbeitsziel unterstuumltzt durch Studienarbeit Uumlberpruumlfung und Anpassung der Flieszligformeln zur Simulation des Oberflaumlchenabflusses an steilen Haumlngen
In einer spaumlteren Versuchsphase soll SohlsubstratBoden eingebracht werden um mit oder ohne kuumlnstlichen Bewuchsstrukturen verschiedene Hangrauheiten simulieren zu koumlnnen Dies soll zur Klaumlrung des Erosionsbeginns der Bodenmatrix beitragen
1000 cm
260 cm
Sohlsubstrat zur Aufnahmevon kuumlnstlichen Bewuchsstrukturen
Beregnungsanlage mit schwenkbaren Duumlsen zurvertikalen Regensimulation
Wasserkoumlrper desOberflaumlchenabflusses
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5 Arbeitspaket 4 Instationaumlre 2ndashdimensionale Modellierung des Oberflaumlchenabflusses bei Starkniederschlaumlgen
Um dem Programmieraufwand im Rahmen des Projektes so gering wie moumlglich zu halten wird vorgeschlagen das Programm Floodarea der Fa Geomer Heidelberg welches sich bisher in der Praxis bewaumlhrt hat als Basis fuumlr die Simulationen zu verwenden FloodArea ist ein vollstaumlndig in ArcGISreg integriertes 2D-Modell zur Berechnung von Uumlberschwemmungsflaumlchen Wie in Abschnitt 4 bereits erwaumlhnt war der Verfasser dieser Skizze in die Erarbeitung der hydraulischen Kernroutinen dieser Software involviert und kann insofern ihre Einsatz- und Anpassungsmoumlglichkeiten sehr gut abschaumltzen Eine Abstimmung mit Herrn Dr Assmann von der Fa Geomer erfolgte vor dem Verfassen dieser Projektskizze
Folgende Anpassungen bzw Erweiterungen des Programms sollen realisiert werden
Schnittstelle zu den DWD-Radarniederschlagsdaten um die 5-minuumltigen RADOLAN RY-Komposite fuumlr eine instationaumlre 2-dimensionale Modellierung des Oberflaumlchenabflusses verwenden zu koumlnnen(vgl Abschnitt 2)
Einarbeitung der angepassten und erweiterten Ansaumltze zur Ermittlung des abflusswirksamen Niederschlages bei Starkregen
Einarbeitung der uumlberarbeiteten hydraulischen Ansaumltze fuumlr den Oberflaumlchenabfluss in steilen Hanglagen
Fuumlr die in Abschnitt 7 vorgeschlagenen Pilot-Einzugsgebiete sollen fuumlr ausgesuchte Starkregenereignisse (Regensammlung vgl Abschnitt 22) Simulationen des Oberflaumlchenabflusses durchgefuumlhrt werden
Die Ergebnisse dieser Simulationen sollen die hydraulische Grundlage fuumlr die in Abschnitt 6 beschriebenen Starkregen-Gefahrenkarten bilden
Folgende Datengrundlagen sind in die Simulationen des Oberflaumlchenabflusses zu intergrieren
Radarniederschlagsdaten (vgl Abschnitt 2)
ein hoch aufgeloumlstes digitales Gelaumlndemodell aus Laserscandaten Bereits durchgefuumlhrte Simulationen des Landes Baden Wuumlrttemberg im Einzugsgebiet der Starzel und [25] zeigen dass der Einfluss von Kleinstrukturen und Hindernissen (Mauern Graumlben Strassendammprofile) auf den Verlauf des Abflussgeschehens einen groszligen Einfluss haben koumlnnen
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Diese Kleinstrukturen werden allerdings durch das digitale Gelaumlndemodell nicht immer vollstaumlndig abgebildet Ggf muumlssen die Kleinstrukturen nachdigitalisiert werden um das digitale Gelaumlndemodell bdquohydraulischldquo zu vervollstaumlndigen
Gewaumlssernetz
Nutzungsmodell (zB ATKIS ALKIS CORINE LAND COVER) ggf mit Luftbildaufnahmen zur Verifizierung und Praumlzisierung der Nutzung und zur Ermittlung der Bearbeitungsrichtung bei landwirtschaftlichen Flaumlchen Hydraulisch nicht aktive Gebaumludeflaumlchen muumlssen bdquomarkiertldquo werden damit die Simulation an einer moumlglichst reellen Oberflaumlchengeometrie durchgefuumlhrt werden kann
Bodenkarte
Informationen uumlber die Bodenfeuchte oder Betrachtung der Regenmengen in den letzten 30 Tagen
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6 Arbeitspaket 5 Erarbeitung von Starkregen Gefahrenkarten fuumlr das Land Hessen
Wie im einfuumlhrenden Abschnitt 1 erlaumlutert muumlssen aufgrund der zu kurzen Vorwarnzeiten in kleinen Einzugsgebieten die Flaumlchen- und Bauvorsorge intensiviert werden um Schaumlden durch Starkregen und Sturzfluten mindern zu koumlnnen Die dazu notwendigen Informationen uumlber die in dieser Hinsicht gefaumlhrdeten Flaumlchen und deren Nutzung muumlssen bei der angepassten kommunalen Planung beruumlcksichtigt werden Flaumlchennutzungs- und Bebauungsplaumlne sind auf die topographischen Gegebenheiten und auf die Abflusseigenschaften des Gebietes bei Starkregen abzustimmen
Starkregen Hinweis- oder Starkregen Gefahrenkarten koumlnnen als Ergaumlnzung zu den mittlerweile bundesweit eingefuumlhrten Hochwassergefahrenkarten diese Informationen bereitstellen
Die im Folgenden verwendeten Begriffe
Starkregen-Hinweiskarte
Starkregen-Gefahrenkarten oder Flieszligpfadkarten
sind vorlaumlufige Benennungen Wie auch bei den Hochwassergefahrenkarten muss die LAWA fuumlr eine bundesweit einheitliche Benennung Sorge tragen
Aus der Sicht der Verfasser wird ein zweistufiges Vorgehen empfohlen
1 Identifikation der potentiell gefaumlhrdeten Hangflaumlchen und die Erstellung von Starkregen Hinweiskarten
2 Simulation des Oberflaumlchenabflusses der potentiell gefaumlhrdeten Flaumlchen und Erstellung von Starkregen Gefahrenkarten oder Flieszligpfadkarten
Eine flaumlchendeckende Simulation des Oberflaumlchenabflusses im betrachteten Projektraum sollte aufgrund der dabei entstehenden Projekt- bzw Ingenieurkosten uumlberdacht werden
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(Stufe 1) Identifikation der potentiell gefaumlhrdeten Hangflaumlchen und die Erstellung von Starkregen Hinweiskarten
Es wird vorgeschlagen in einem ersten Schritt den betrachteten Projektraum flaumlchendeckend auf potentiell gefaumlhrdete Hangflaumlchen zu untersuchen
Dazu sollen die Gelaumlndeneigung die Bodennutzung sowie die Lage der steilen Hangflaumlchen zu den schadensempfindlichen Flaumlchen (zB Siedlungsgebiete) fachlich miteinander verknuumlpft werden
Beispielsweise lassen sich auf Grundlage der folgenden fachlich begruumlndeten Matrix mit Hilfe der GIS Werkzeuge die potentiell gefaumlhrdeten Hangflaumlchen leicht identifizieren
Gruumlnland Ackerland
Gelaumlndenutzung Gelaumlndeneigung
Be
arb
eitu
ng
que
r zur
Fallr
ich
tun
g
Be
arb
eitu
ng
in
Fallr
ich
tun
g
kleiner 5 nicht
gefaumlhrdet wenig
gefaumlhrdet
5 bis 10 maumlszligig
gefaumlhrdet
10 bis 20 maumlszligig
gefaumlhrdet
groszliger 20 stark
gefaumlhrdet sehr stark gefaumlhrdet
sehr stark gefaumlhrdet
Liegen unterhalb stark oder maumlszligig gefaumlhrdeter Flaumlchen Siedlungsgebiete oder sind in den gefaumlhrdeten Flaumlchen Siedlungsentwicklungen geplant ist eine detaillierte Untersuchung des Oberflaumlchenabflusses erforderlich (Stufe 2)
Die bislang verwendeten Kriterien zur Einschaumltzung den potentiell betroffenen Flaumlchen sollten uumlberpruumlft und weiterentwickelt werden
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Beispiel fuumlr eine Starkregen-Hinweiskarte Stadt Nidderau
(Stufe 2) Simulation des Oberflaumlchenabflusses der potentiell gefaumlhrdeten Flaumlchen und Erstellung von Starkregen Gefahrenkarten oder Flieszligpfadkarten
Fuumlr die in Stufe 1 identifizierten gefaumlhrdeten Flaumlchen ist in der zweiten Stufe der Oberflaumlchenabfluss zu simulieren Je nach Groumlszlige des zu betrachtenden Niederschlagseinzugsgebietes oberhalb der gefaumlhrdeten Siedlungsflaumlchen und Infrastrukturen muumlssen aus der Regensammlung (vgl Abschnitt 22) konvektive Ereignisse geeigneter Dauer ausgewaumlhlt werden
Aus der instationaumlren 2D-Simulation erhaumllt man fuumlr definierte Zeitpunkte nach dem Beginn des Niederschlages folgende fuumlr das gewaumlhlte Berechnungsraster raumlumlich aufgeloumlste hydraulisch relevante Grundinformationen
Ist die Flaumlche benetzt (janein)
Wasserstand (bdquoUumlberflutungshoumlheldquo) auf der Flaumlche
Flieszligrichtung und Flieszliggeschwindigkeit auf der Flaumlche
Diese hydraulischen Grundinformationen muumlssen aufbereitet fachlich interpretiert und auf geeignete Weise dargestellt werden
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Letztlich geht es darum die Frage zu klaumlren welche Fachinformationen eine Starkregen-Gefahrenkarte beinhalten sollte
Aus der Sicht der Verfasser sollten in den Gefahrenkarten folgende hydraulische Informationen enthalten sein
Abflussrinnen und Flieszligpfade auf den Hangflaumlchen (Vervollstaumlndigung des Gewaumlssernetzes gegen Flieszligrichtung vgl auch Bild Abschnitt 4 Seite 21)
Starkregen-Gefahrenkarte mit Flieszligpfaden und Flieszligrichtung aus BWK [1]
Wassertiefenentwicklung entlang der Flieszligpfade
Flieszliggeschwindigkeiten entlang der Flieszligpfade
Diese Fachinformationen sollten zusammen mit einem fuumlr den Nutzer geeigneten Kartenhintergrund (Luftbildaufnahmen ALK topographische Karte etc) visualisiert werden
Im Rahmen der Bearbeitung der vorgeschlagenen Pilot-Einzugsgebiete (siehe Abschnitt 7) sind geeignete Inhalte und Darstellungsmoumlglichkeiten fuumlr Starkregen-Gefahrenkarten zu entwickeln
Wie auch bei den Hochwassergefahrenkarten sollte die LAWA fuumlr bundesweit einheitliche Standards der Starkregen-Gefahrenkarten Sorge tragen
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7 Arbeitspaket 6 Modell- Pilotprojekt bdquoUmgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessenldquo
In einem letzten Arbeitsabschnitt sollen anhand ausgesuchter Einzugsgebiete mit Hilfe des in Abschnitt 6 vorgeschlagenen Vorgehens Starkregen-Hinweiskarten und Starkregen-Gefahrenkarten erstellt werden
Die Verwendung von Niederschlagsdaten aus Radarbeobachtungen (vgl Abschnitt 1) und der Einsatz des verbesserten Simulationsmodells (vgl Abschnitte 3 und 4) werden gegenuumlber der heutigen Praxis bessere fachliche Informationen zur Bewaumlltigung von Starkregen-Gefahrenlagen bereitstellen koumlnnen
Folgende Pilot-Einzugsgebiete in hessischen Rheingau werden zur Auswahl gestellt
Walluf (AE=281 kmsup2) Die Walluf besitzt einen Pegel (Martinsthal AE=245 kmsup2 36 km oberhalb der Muumlndung) im Einzugsgebiet An der Hochschule RheinMain steht ein Niederschlags-Abfluss Modell der Walluf zur Verfuumlgung
Erbbach Kisselbach (AE= 106 kmsup2)
Pfingstbach (AE= 84 kmsup2)
Stegbach Blaubach (AE= 127 kmsup2)
Der Hochwasserrisikomanagementplan Rheingau steht zurzeit in der oumlffentlichen Abstimmung und wird im Laufe 2015 fertig gestellt werden Nach Aussage von Frau Tremper des Regierungspraumlsidiums Darmstadt Abteilung IVWi 412 waumlre eine Ergaumlnzung des HWRM-PL Rheingau durch Starkregen-Hinweis- und -Gefahrenkarten der Rheingaubaumlche hilfreich Diese wuumlrden die im HWRM-PL Rheingau betrachteten Rhein-Hochwasserszenarien ergaumlnzen
Arbeitsziel unterstuumltzt durch Studienarbeiten Erstellung von Niederschlags- Abfluss Modellen fuumlr die Rheingaubaumlche Erbach Kisselbach Pfingstbach Stegbach Blaubach
Bei der Erstellung der Starkregen-Hinweiskarten und Starkregen-Gefahrenkarten fuumlr die Pilot-Einzugsgebiete sollen die in Abschnitt 6 weiterentwickelten Ansaumltze erprobt und die Karteninhalte mit den spaumlteren Nutzern diskutiert werden Dabei sollen insbesondere die Kartendarstellung und deren Inhalte den jeweiligen fachlichen Beduumlrfnissen entsprechen
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[42] WETZEL M (2005) Modellierung der Hangwasserdynamik eines Untersuchungsgebietes im Nationalpark Hainich mit dem Modell HYDRUS-2D Diplomarbeit Universitaumlt Jena
[43] WINTERRATH T Dr WEIGL E (2012) RADOLAN RADVOR-OP und die RADOLAN-Klimatologie Status und Plaumlne In DWD (Hrsg) DWD-Kundenforum Hydrometeorologie Offenbach
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9 Allgemeine Informationen Zeitplan und Ressourcen
91 Allgemeine Informationen
Antragsteller Prof Dr-Ing Ernesto Ruiz Rodriguez Wasserbaulaboratorium am Fachbereich Architektur und Bauingenieurwesen Hochschule RheinMain Kurt-Schumacher-Ring 18 65197 Wiesbaden
Projektbearbeiter Arbeitsgruppe bdquoStarkregen und Sturzflutenldquo am Wasserbaulaboratorium Prof Dr-Ing Ernesto Ruiz Rodriguez (Projektleitung) BEng Lisa Trost (Projektbearbeitung) Frank Salffner (Vermessungstechniker Laborant am Wasserbaulaboratorium und in der EDV- Arbeitsgruppe des Fachbereichs) Die Arbeitsziele werden durch Studienarbeiten des Master- Studienganges bdquoUmweltmanagement und Stadtplanung in Ballungsraumlumenldquo (UMSB) unterstuumltzt
Partnerschaften Kooperationspartner Prof Dr Ralf Doumlrner Hochschule RheinMain
FG Graphische Datenverarbeitung und Virtuelle Realitaumlt Prof Dr Robert Seuszlig Fachhochschule Frankfurt FG Geoinformation und Kommunaltechnik Berufsfeuerwehr Wiesbaden Dr Andreacute Assmann Fa Geomer Heidelberg
gewuumlnschte Zusammenarbeit Deutscher Wetterdienst Abt Hydrometeorologie Projektdauer 4 Jahre (vgl 92 Zeitplan) Eigenmittel Projektleitung durch Prof Dr E Ruiz Rodriguez
Nutzung der Einrichtungen des Wasserbaulaboratoriums der Hochschule RheinMain Unterstuumltzung bei Laborarbeiten und EDV Infrastruktur durch Frank Salffner
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92 Zeitplan
1
Jah
r
2
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3
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r
4
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r Bemerkung
Arbeitspaket 1 Verwendung von Radardaten zur Simulation von Starkregen Sturzfluten fuumlr kleine Einzugsgebiete
Beginn der Arbeiten
Klaumlrung der Verfuumlgbarkeit von Radarniederschlagsdaten (fuumlr Modellierer Ingenieurbuumlros)
Aufwand zur Nutzung und Aufbereitung von Radarniederschlagsdaten fuumlr Modellierer Ingenieurbuumlros Erstellung eines Werkzeugs zur Visualisierung der archivierten und aktuellen Radarniederschlagsdaten Erstellung eines Werkzeugs zur Transformation und Projektion der DWD-RADOLAN-RW und RY-Komposit-Radarniederschlagsdaten in Gauszlig-Kruumlger undoder UTM-Projektion Erstellung eines GIS Werkzeugs zur Aufbereitung der DWD-RADOLAN-Komposit-Raster zur Simulation von Starkregen in kleinen Einzugsgebieten
1 Berichterstattung Arbeitspaket 1 (Teil 1)
Auswertung der RADOLAN Radarniederschlagsdaten des DWD
Praxisseminar Kolloquium bdquoVerwendung von Radardaten zur Simulation von Starkregen Sturzfluten in Hessenldquo
Arbeitspaket 2 Uumlberpruumlfung und Anpassung von Modellansaumltze zur Ermittlung des abflusswirksamen Niederschlages bei Starkregen
Uumlberpruumlfung und Anpassung der Modellansaumltze zur Ermittlung des abflusswirksamen Niederschlages bei Starkniederschlaumlgen unter besonderer Beruumlcksichtigung von Bodenfeuchte und Bodenluftkompressionseffekten
Arbeitspaket 3 Uumlberpruumlfung und Anpassung der hydraulischen Ansaumltze zur Berechnung des Oberflaumlchenabflusses bei Starkregen Sturzfluten an steilen Haumlngen
Bau der Versuchsrinne am Wasserbaulaboratorium Durchfuumlhrung und Auswertung der Versuche Uumlberpruumlfung und Anpassung der hydraulischen Ansaumltze zur Berechnung des Oberflaumlchenabflusses
2 Berichterstattung Arbeitspaket 2 und Arbeitspaket 3 (Teil1)
Arbeitspaket 4 Instationaumlre 2ndashdimensionale Modellierung des Oberflaumlchenabflusses bei Starkniederschlaumlgen
Anpassen des 2-dimensionallen Modelles auf instationaumlre Niederschlagsfronten Schnittstelle zu DWD RADOLAN Komposite Einarbeiten der verbesserten Ansaumltze zu Berechnung des abflusswirksamen Niederschlages bei Starkniederschlaumlgen Einarbeiten der verbesserten hydraulischen Ansaumltze
wird fortgesetzt
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1
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2
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r
3
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r
4
Jah
r Bemerkung
Arbeitspaket 5 Erarbeitung von Starkregen Gefahrenkarten fuumlr das Land Hessen
Uumlberpruumlfen und Anpassung von fachlichen Kriterien fuumlr die Erstellung von Starkregen-Karten Definition der Inhalte von Starkregen-Hinweiskarten Definition der Inhalte von Starkregen- Gefahrenkarten
3 Berichterstattung Arbeitspaket 3 (Teil 2) Arbeitspaket 4 und Arbeitspaket 5 (Teil1)
Arbeitspaket 6 Modell- Pilotprojekt bdquoUmgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessenldquo
Erarbeitung von Starkregen-Hinweiskarten fuumlr die ausgewaumlhlten Pilot-Einzugsgebiete Erarbeitung von Starkregen-Gefahrenkarten fuumlr die ausgewaumlhlten Pilot-Einzugsgebiete Uumlberpruumlfen der fachlichen Kriterien und Ansaumltze (Arbeitspaket 5) fuumlr die Erstellung von Starkregen-Karten Diskussion uumlber die Starkregen-Karteninhalte und Starkregen-Kartendarstellung mit den Nutzern
4 Berichterstattung Arbeitspaket 5 (Teil 2) und Arbeitspaket 6 (Abschlussbericht)
93 Beantragte Mittel
Zur Durchfuumlhrung und Erreichung der im Antrag beschriebenen Arbeitsziele werden fuumlr das
1 Projektjahr 35000 Euro
2 Projektjahr 35000 Euro
3 Projektjahr 35000 Euro
4 Projektjahr 35000 Euro
beantragt
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1160 cm
280 cm
260 cm
1000 cm
1080 cm
6300 cm280 cm
3000 cm3000 cm
3000 cm 3000 cm
1000 cm624 cm
1500deg
Kipprinne zur Simulation des Oberflaumlchenabflusses an steilen HaumlngenLaumlnge= 630 mBreite= 10 mHoumlhe= 026 mmax Neigungswinkel 45deg
variableBeregnungslaumlnge
Maszligstab 120
1000 cm
260 cm
Sohlsubstrat zur Aufnahmevon kuumlnstlichen Bewuchsstrukturen
Beregnungsanlage mit schwenkbaren Duumlsen zurvertikalen Regensimulation
Wasserkoumlrper desOberflaumlchenabflusses
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1830 cm
2625 cm
Drehpunkt
1330 cm
6300 cm
280 cm
1500deg
Maszligstab 120
Kipprinne zur Simulation des Oberflaumlchenabflusses an steilen HaumlngenLaumlnge= 630 mBreite= 10 mHoumlhe= 026 mmax Neigungswinkel 45deg
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DWD (ftpftp-cdcdwddepubCDC) zum freien kostenlosen Download zur Verfuumlgung stehen zuruumlck zu greifen
Mit folgenden Systemen lassen sich zurzeit die Niederschlagsdaten des RADOLAN RW-Komposits visualisieren
KONRAD webKONRAD - Zugang uumlber das Feuerwehrinformationssystem (FEWIS)
IDLRaBiD 50 - Darstellungsprogramm fuumlr Radarbilder des Deutschen Wetterdienstes
WaWIS (Registrierung uumlber DWD notwendig)
NinJo Lizenz erhaumlltlich uumlber Ernst Basler + Partner GmbH
Python Skript Bibliothek bdquowradlibldquo (Darstellen der einzelnen RW Komposite)
KONRAD bzw webKONRAD ist nur uumlber den Zugang des Feuerwehrinformationssystems (FEWIS) zu erreichen und steht Ingenieurbuumlros nicht zur Verfuumlgung
IDLRaBiD 50 ist eine interne Software des DWD und steht Ingenieurbuumlros nicht zur Verfuumlgung
WaWIS steht nur Behoumlrden zur Verfuumlgung die im Rahmen des Katastrophenschutzes taumltig sind
NinJo 17 kann als Lizenzprodukt erworben werden Auf das Ingenieurbuumlro kaumlmen Lizenz- und Installationskosten welche sich im 5 stelligen Bereich bewegen zu Fuumlr Forschungsinstitutionen fallen die Lizenzkosten weg es verbleiben jedoch Installationskosten von ca 5000 Euro Eine Betrachtung von konvektiven Fronten uumlber mehrere Tage hinweg ist fuumlr ausgesuchte Zeitabschnitte moumlglich
Eine weitere Alternative ist die Nutzung der umfangreichen Phyton-Skript Bibliothek bdquowradlibldquo Hier muss jedes einzelne RW-Komposit eingelesen und visualisiert werden Natuumlrlich wird dies durch geeignete wradlib utility functions (Batch Routinen zur Verarbeitung vieler RW-Komposite) erleichtert Der Gesamtaufwand zur Visualisierung ist dennoch erheblich
Der Einsatz der letzten zwei Alternativen setzt jedoch voraus dass man bestimmte konvektive Ereignisse bereits identifiziert hat Dh die entsprechenden historischen Ereignisse sind bekannt oder es wurden aus den Aufzeichnungen der Bodenniederschlagsstationen bereits Ereignisse ausgewaumlhlt
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Zurzeit gibt es noch kein System welches frei zugaumlnglich ist und die historischen RW RADOLAN-Daten (Juni-2005 bis heute) visualisieren kann
Optimal waumlre es wenn die RW-RADOLAN-1h-Komposite jahresweise in einem Video mit Datum Kartenhintergrund und N-Intensitaumltsskala vor- und ruumlckspulbar betrachtet werden koumlnnten Auf diese Weise waumlre es moumlglich maszliggebende konvektive Ereignisse Szenarien (Regensammlung mit verschiedenen Niederschlagsdauern und verschiedenen Niederschlagsmengen) zur Simulation leichter zu identifizieren (vgl auch Abschnitt 7)
Arbeitsziel unterstuumltzt durch Studienarbeit Entwurf und Umsetzung eines Werkzeugs zur Visualisierung der archivierten und aktuellen Radarniederschlagsdaten (DWD-RADOLAN-RW-Komposit)
Aufbereitung der 5 minuumltigen Radarniederschlagsdaten fuumlr die gewaumlhlten konvektiven Ereignisse
Sind die konvektiven Ereignisse Szenarien zur Simulation identifiziert muumlssen deren Radarniederschlagsdaten je nach Anforderung des verwendeten Simulationsmodells aufbereitet werden
Alle Simulationsmodelle nutzen fuumlr die Eingabeaufbereitung und Ergebnispraumlsentation GIS-Oberflaumlchen So lassen sich Simulationsergebnisse mit anderen Datengrundlagen (Amtliches Liegenschaftskatasterinformationssystem ALKIS Bodeninformationen Luftbilder Nutzung etc) verschneiden und fachlich interpretieren (zB Erstellung von Starregen Gefahrenkarten) Oftmals werden die Simulationsmodelle als aufgesetzte bdquoFachschaltenldquo zu GIS-Systemen realisiert
Diese Tatsache macht es unumgaumlnglich die Komposit-Radarniederschlagsdaten auf ein GIS-System kompatibles Format mit geeigneter Projektion (zB Gauszlig-Kruumlger- oder UTM-Projektion) zu uumlberfuumlhren
Die fuumlr die DWD ndashRADOLAN-RW-Komposit-Radarniederschlagsdaten verwendete polarstereographische Projektion (siehe [5]) ist fuumlr die derzeitigen Anwendungen geeignet Man betrachtet und beurteilt groszligraumlumige Wetterlagen uumlber Staats- Bundeslandgrenzen hinweg
Fuumlr eine Simulation von kleinraumlumigen Starkregenereignissen und eine fachliche Verschneidung der Simulationsergebnisse mit weiteren Daten eignet sich die polarstereographische Projektion jedoch nicht
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In [33 Kapitel 5] werden die Probleme beim Georeferenzieren der DWD-RADOLAN-Komposite ausfuumlhrlich erlaumlutert
Arbeitsziel unterstuumltzt durch Studienarbeiten Entwurf und Umsetzung eines Werkzeugs zur Transformation und Projektion der DWD-RADOLAN-RW und RY-Komposit-Radarniederschlagsdaten in Gauszlig-Kruumlger undoder UTM-Projektion
Innerhalb des HLUG sollte eine Diskussion zur Festlegung einheitlicher Projektionen fuumlr kuumlnftige wasserwirtschaftliche Projekte im Land Hessen stattfinden
Waumlhrend die in Gauszlig-Kruumlger- oder UTM transformierten Radarniederschlagsdaten in einem Raster von ca 1km x 1km vorliegen koumlnnen die Simulationsmodelle (vgl Abschnitt 0) je nach gewaumlhlten Randbedingungen deutlich kleinere Rasterweiten (zB 5m x 5 m bis 100 m x 100m) verwenden
Fuumlr eine Simulation muss ein gemeinsames Rasters definiert und alle Datengrundlagen in dieses Raster uumlberfuumlhrt werden
Uumlberlagerung eines Transformierten RADOLAN Raster mit Gauszlig-Kruumlger oder UTM Raster
Gauszlig-Kruumlger oder UTM transformiertes RADOLAN Raster (schiefes Veireck 950x950 m)
zur Simulation verwendetes Raster
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Arbeitsziel unterstuumltzt durch Studienarbeit Entwurf und Umsetzung eines GIS Werkzeugs zur Aufbereitung der DWD-RADOLAN-Komposit-Raster zur Simulation von Starkregen in kleinen Einzugsgebieten
23 Auswertung der RADOLAN Radarniederschlagsdaten des DWD
Wie in Abschnitt 2 erlaumlutert koumlnnen die Zugrichtung und die Zuggeschwindigkeit einer konvektiven Starkregenfront Starkregenzelle die Einwirkungsintensitaumlt in einem Niederschlagseinzugsgebiet entscheidend beeinflussen Die Abmessungen der Starkregenfront Starkregenzelle in Verbindung mit der Zuggeschwindigkeit sowie die Regendauer koumlnnen im unguumlnstigen Fall mit der Konzentrationszeit im Niederschlagseinzugsgebiet zusammenfallen und zu einer entscheidenden Verschaumlrfung des Wellenscheitels fuumlhren
Unter der Voraussetzung dass die in Abschnitt 22 beschriebenen Werkzeuge erstellt worden sind sollen nun mit deren Hilfe die historischen RADOLAN Radarniederschlagsdaten ausgewertet werden
Identifizieren von Starkregenfronten Starkregenzellen Hierfuumlr sind Identifikationskriterien zu erarbeiten
Einordnung des Wiederkehrintervalls der Starkregenfront Starkregenzelle (Dauer und Niederschlagsmenge) mit Hilfe der DWD KOSTRA2000-Auswertung
Identifikation und Digitalisierung des Intensitaumltsschwerpunktes der jeweiligen Starkregenfront
Zeitliche Entwicklung der Intensitaumltsverteilung innerhalb der Starkregenfront
Fuumlr jede identifizierte Starkregenfront Starkregenzelle sollen in Abhaumlngigkeit der JahreszeitWetterlage folgende Parameter ermittelt und statistisch ausgewertet werden
Digitalisierung der Abmessungen (Laumlngenausdehnung Breitenausdehnung) und der Form (Laumlngen-Breitenverhaumlltnis oder Flaumlche-Umfangverhaumlltnis)
Digitalisierung der Zugrichtung (Zugbahn Zugtrajektorie) und Zuggeschwindigkeit (im Schwerpunkt der Intensitaumlt)
Darstellung der Abmessungen der Zugrichtungen und Zugbahnen in Karten und Uumlberlagerung mit dem digitalen Gelaumlndemodell
Auf diese Weise koumlnnen eventuell Starkregenschwerpunkte (-regionen) in Hessen identifiziert und in Karten dargestellt werden
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Arbeitsziel unterstuumltzt durch Studienarbeit(en) Auswertung historischer RADOLAN Radarniederschlagsdaten des DWD
24 Praxisseminar Kolloquium bdquoVerwendung von Radardaten zur Simulation von Starkregen Sturzfluten in Hessenldquo
In Zusammenarbeit mit dem Wissenschaftsforum Umwelt und der Weiterbildungsplattform NATURUMWELTTECHNIK (NUT) der Hochschule RheinMain sollen in einem 1-taumlgigen Praxisseminar die Moumlglichkeiten zur Nutzung von Radarniederschlagsdaten zur Simulation von Starkregen Sturzfluten vorgestellt werden
Zielgruppe Ingenieurhydrologen Hydrologen Ingenieurbuumlros (Modellierer) und andere am Thema Interessierten
Die Organisation uumlbernimmt die Weiterbildungsplattform NUT der Hochschule RheinMain Die fachliche Koordination ist durch Prof Dr Ernesto Ruiz Rodriguez und Frau BEng Lisa Trost gesichert Eine partnerschaftliche Koordination durch das HLUG und den DWD ist moumlglich und wird ausdruumlcklich erwuumlnscht
3 Arbeitspaket 2 Uumlberpruumlfung und Anpassung von Modellansaumltze zur Ermittlung des abflusswirksamen Niederschlages bei Starkregen
Unter dem abflusswirksamen (effektiven) Niederschlag versteht man den Anteil des Niederschlages der in einem Einzugsgebiet unmittelbar nach dem Niederschlagsereignis als Direktabfluss wirksam wird
Zu Beginn des Niederschlagsereignisses sind die Verluste idR besonders groszlig (Benetzung der der Vegetationsdecke und Muldenverluste) Bei Starkregen werden diese Speicherraumlume jedoch schnell gefuumlllt und die hohen Niederschlagsintensitaumlten uumlbersteigen oft die Infiltrationsfaumlhigkeit des Bodens und es kommt zum Oberflaumlchenabfluss (vgl auch Abschnitt 4)
Insofern spielt besonders bei Starkregen der Anteil an abflusswirksamen Oberflaumlchenabfluss eine entscheidende Rolle Dieser bildet gemeinsam mit dem oberflaumlchennahen Interflow in der belebten Bodenzone den Hauptanteil am sog abflusswirksamen Niederschlag
Der in der Ingenieurhydrologie am haumlufigsten verwendete Modellansatz zur Ermittlung des abflusswirksamen Niederschlags ist der Ansatz des Abflussbeiwertes Er wird sowohl in der Urbanhydrologie (Kanalnetzberechnung) als auch
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bei der Modellierung von Niederschlags-Abfluss-Prozessen (NA-Modellierung) auf natuumlrlichen Flaumlchen eingesetzt
Abflussbeiwert-Ansaumltze
)()()(
)()(
)(
)(
tititi
titi
ti
ti
vw
w
w
Ψ ndash Abflussbeiwert [-]
i(t) ndash Niederschlagsintensitaumlt [mmh]
iw(t) ndash wirksame Niederschlagsintensitaumlt [mmh]
a) konstanter Abflussbeiwert Ψ
b) Konstanter Abflussbeiwert Ψ mit Anfangsverlust hva
Der Anfangsverlust hva wird durch die Mulden- und Benetzungsverluste begruumlndet
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c) Zeitvarianter Abflussbeiwert Ψ mit oder ohne Anfangsverlust hva
In der Urbanhydrologie wird der konstante Abflussbeiwert Ψ ohne Anfangsverlust hva bei der NA-Modellierung kommt fast immer der konstante Abflussbeiwert Ψ mit Anfangsverlust hva zum Einsatz
Liegen Niederschlags- und Abflussaufzeichnungen des Direktabflusses QD(t) vor und ist der Verlauf des Basisabflusses QB(t) bekannt so kann der Abflussbeiwert Ψ aus der Volumen-Massenbilanz ermittelt werden Der Anfangsverlust hva wird in der Regel mit 3 bis 4 mm Niederschlagshoumlhe geschaumltzt Der gefallene effektive Niederschlag iw(t)=Ψ i(t) findet sich im Direktabfluss QD(t) oberhalb des Basisabflusses QB(t)
RE
RA
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DQ VdttiAdttQV )()(
0
Liegen keine Niederschlags undoder Pegelaufzeichnungen vor wird in der Ingenieurpraxis der Abflussbeiwert mit Hilfe oder im Anlehnung an das SCS Verfahrens (US Soil Conversation Service der USA) ermittelt Diese Verfahren wird ua in der
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DVWK-Regel 113 beschrieben Das SCS-Verfahren unterscheidet folgende Bodentypen
Bodentyp A Boumlden mit groszligem Versickerungsvermoumlgen auch nach starker Vorbefeuchtung zB tiefe Sand- und Kiesboumlden
Bodentyp B Boumlden mit mittlerem Versickerungsvermoumlgen tiefe bis maumlszligig tiefe Boumlden mit maumlszligig feiner bis maumlszligig grober Textur zB mitteltiefe Sandboumlden Loumlszlig (schwach) lehmiger Sand
Bodentyp C Boumlden mit geringem Versickerungsvermoumlgen Boumlden mit feiner bis maumlszligig feiner Textur oder mit wasserstauender Schicht zB flache Sandboumlden sandiger Lehm
Bodentyp D Boumlden mit sehr geringem Versickerungsvermoumlgen Ton Boumlden sehr flache Boumlden uumlber nahezu undurchlaumlssigem Material Boumlden mit dauernd sehr hohem Grundwasserspiegel
BodennutzungBodentyp A B C D
Oumldland (ohne nenneswerten Bewuchs) 77 86 91 94
Hackfruumlchte Wein 70 80 87 90
Wein (Terrassen) 64 73 79 82
Getreide Futterpflanzen 64 76 84 88
Weide (normal) 49 69 79 84
Weide (kark) 68 79 86 89
Dauerwiese 30 58 71 78
Wald (stark aufgelockert) 45 66 77 83
Wald (mittel aufgelockert) 36 60 73 79
Wald (dicht) 25 55 70 77
undurchlaumlssige bzw versiegelte Flaumlchen 100 100 100 100
CN-Beiwert des SCS-Verfahrens
In Abhaumlngigkeit der Bodennutzung und des Bodentyps wird fuumlr das Niederschlagseinzugsgebiet ein flaumlchengewichteter CN-Beiwert ermittelt und der effektive Niederschlag hNE berechnet
4258800425
22004252
NN
NNNe
Ch
Chh
N
Ne
h
h
Das Originalverfahren hat Schwaumlchen und wurde mehrfach modifiziert (zB nach Oslashverland Zaiszlig und Lutz) Dabei wurde versucht den Einfluss der aktuellen Bodenfeuchte des Bodens besser zu beruumlcksichtigen Je nach Bodentyp kann diese einen groszligen Einfluss auf den effektiven Niederschlag (vgl auch Abschnitt 41) haben
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Alle diese Ansaumltze beruumlcksichtigen nicht die bei Starkregen beobachteten und in [17] beschriebenen Effekte der Bodenluftkompression die die Infiltrationsfaumlhigkeit des Porenraumes bei hohen Niederschlagsintensitaumlten mindert und somit den Anteil des Oberflaumlchenabflusses erhoumlht
Arbeitsziel unterstuumltzt durch Studienarbeit Uumlberpruumlfung und Anpassung der Modelansaumltze zur Ermittlung des abflusswirksamen Niederschlages bei Starkniederschlaumlgen unter besonderer Beruumlcksichtigung von Bodenfeuchte und Bodenluftkompressionseffekten
Die Verwendung der Radarniederschlagsdaten macht es moumlglich die zeitliche und raumlumliche Niederschlagsverteilung im Einzugsgebiet zu betrachten Da die Niederschlagsintensitaumlten und -mengen im Einzugsgebiet variieren werden sich demzufolge raumlumlich verteilte Abflussbeiwerte ergeben Die oben beschriebenen Ansaumltze zur Ermittlung des abflusswirksamen Oberflaumlchenabflusses muumlssen daraufhin angepasst und ggf weiterentwickelt werden
Arbeitsziel unterstuumltzt durch Studienarbeit Uumlberpruumlfung und Anpassung der Modelansaumltze zur Ermittlung des abflusswirksamen Niederschlages bei raumlumlich und zeitlich sich veraumlndernden Starkniederschlaumlgen
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4 Arbeitspaket 3 Uumlberpruumlfung und Anpassung der hydraulischen Ansaumltze zur Berechnung des Oberflaumlchenabflusses bei Starkregen Sturzfluten an steilen Haumlngen
Beim Oberflaumlchenabfluss muss zwischen dem klassischen Oberflaumlchenabfluss nach Horton (1933) und dem Saumlttigungsoberflaumlchenabfluss unterschieden werden
Der Oberflaumlchenabfluss nach Horton entsteht durch einen Infiltrationsuumlberschuss Die Niederschlagsintensitaumlt ist houmlher als die Infiltrationskapazitaumlt der Boumlden und das nicht infiltrierte Niederschlagswasser flieszligt dann in Fallrichtung auf der Hangoberflaumlche ab
Der Saumlttigungsoberflaumlchenabfluss setzt dann ein wenn der Boden seine maximale Wassersaumlttigung erreicht hat dh das Porenvolumen vollstaumlndig mit Wasser gesaumlttigt ist Bei diesem Abfluss tritt haumlufig Wasser aus einem vergangenen Ereignis wieder aus dem Boden aus (Exfiltration) und vermischt sich mit dem Niederschlag des aktuellen Ereignisses
Im Folgenden wird zunaumlchst nur die Einphasenstroumlmung des Oberflaumlchenwassers betrachtet der Bewegungsbeginn und der Transport von Teilen der Bodenmatrix (Erosion) werden nicht analysiert Der Massentransport koumlnnte nachdem die Bewegungsgleichungen der Einphasenstroumlmung in steilen Haumlngen verifiziert oder korrigiert wurden in spaumlteren Arbeitsschritten betrachtet werden
Fuumlr die Simulation des Oberflaumlchenabflusses an Steilhaumlngen werden aktuell dieselben Ansaumltze verwendet wie zur Berechnung des Oberflaumlchenabflusses auf flachen Uumlberflutungsflaumlchen in Gewaumlssern und auf Auen Die dabei erzielten Ergebnisse scheinen so plausibel sodass die verwendeten Modelle bislang noch nicht hinterfragt wurden Und das obwohl die geometrischen und hydraulischen Randbedingungen an steilen Hanglagen sich von denen auf flachen Uumlberflutungsflaumlchen stark unterscheiden
In diesem Zusammenhang verglich beispielsweise Herr Dipl-Ing Klaus Schmalzl des Wasserwirtschaftsamtes Rosenheim in seinem Vortrag bdquoSturzfluten hydrodynamisch numerisch mit HYDRO_AS-2D berechnenldquo [38] den er im Rahmen des Treffens der Anwender des 2D-Hydrodynamik-Programms HYDRO_AS-2D der Fa Hydrotec am 11Okt 2014 in Muumlnchen hielt das Programm HYDRO_AS-2D welches eigentlich fuumlr die 2-Dimensionale Simulation in Gewaumlssern entwickelt worden ist mit einem bdquoSchweizer Messerldquo welches als Symbol fuumlr einen vielseitigen Einsatz steht
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In Kongress INTERPRAEVENT 2012 in Grenoble [25] wurde bdquoEin neuer Ansatz zur Modellierung von Oberflaumlchenabflussldquo vorgestellt In der Zusammenfassung
bdquoOberflaumlchenabfluss wird als der Teil des Niederschlags verstanden welcher einem Vorfluter uumlber die Bodenoberflaumlche unmittelbar zufliesst Auswertungen von Unwetterereignissen in den letzten Jahren in der Schweiz haben gezeigt dass bis zu 50 der durch Wassergefahren verursachten Schadenfaumllle durch Oberflaumlchenabfluss verursacht worden sind Dennoch ist Oberflaumlchenabfluss in der Schweiz kaum in den Gefahrenkartierungsprozess integriert Um diese Luumlcke zu fuumlllen wurde auf der Basis der Software FloodArea eine Methode entwickelt welche eine Modellierung von Oberflaumlchenabfluss mit einheitlichen Kriterien uumlber grosse Gebiete erlaubt In dieser Studie werden die Methodenentwicklung und zwei Fallstudien vorgestellt Die Resultate zeigen dass an den Raumlndern von Siedlungsflaumlchen und im Landwirtschaftsland gute Ergebnisse erzielt werden Potenziell gefaumlhrdete Gebaumlude oder Bauparzellen werden erkannt Innerhalb von Siedlungsgebieten sind die Differenzen zu realen Ereignissen groumlsser Daher liegt der Fokus von Folgearbeiten auf einer weiteren Verbesserung der Genauigkeit des Gelaumlndemodells und der Integration von zusaumltzlichen Strukturen (zB Kleinbauten) welche Fliesswege entscheidend beeinflussen koumlnnenldquo aus [25]
wird auf die Software FloodArea der Fa Geomer Heidelberg verwiesen
FloodArea und auch HYDRO_AS-2D sind Beispiele von in der Praxis verwendeten Programmen zur Berechnung von Wasserspiegellagen in Gewaumlssern und zur 2-D Uumlberflutungssimulation auf Auen Wie das nachfolgende Bild zeigt sind die mit FloodArea erzielten Simulationsergebnisse plausibel
Oberflaumlchenabflussmodellierung in Busswil (Kanton Bern Schweiz) aus [25]
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Der Verfasser dieser Projektskizze selbst hat in Zusammenarbeit mit der Fa Geomer in Heidelberg die hydraulischen Kernroutinen fuumlr das Programm FloodArea entwickelt und ist daher in der Lage deren Einsatzgrenzen gut beurteilen zu koumlnnen
41 Korrektur der Flieszligformeln zur Simulation des Oberflaumlchenabflusses an steilen Haumlngen
Die nachfolgende Tabelle zeigt die unterschiedlichen Auspraumlgungen von wichtigen hydraulischen und geometrischen Randbedingungen fuumlr den steilen Oberflaumlchenabfluss und fuumlr die Wasserausbreitung auf den vergleichsweise flachen Gewaumlsserauen
Parameter Auspraumlgung
Gewaumlsser und Aue Steile Hanglage
Gefaumllle klein permil bis 10
groszlig 5 bis uumlber 100
Wassertiefe groszlig Dezimeter bis mehrere Meter
klein Duumlnnfilmabfluss bis Dezimeter
Betrachten wir zunaumlchst ein Fluidelement 119889119909 times ℎ times 119880 auf einer steilen Hangflaumlche mit dem Hangneigungswinkel β und formulieren in x- Richtung das Kraumlftegleichgewicht zwischen der hangabwaumlrts treibenden Kraft
119866 times sin 120573 = 119889119909 times ℎ times 119880 times 120588 times 119892 times sin 120573 und der Hangreibungskraft T
119879 = 120591 times 119880 times 119889119909 Man erhaumllt so den bekannten Ansatz fuumlr die Schleppspannung
120591 auf einer Hangflaumlche
120591 = 120588 times 119892 times119860
119880times sin 120573 [
119873
1198982]
dx
Q
vdx cosszlig
h
G
G sinszlig
T
U
Ah
szlig
x
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Mit dem in der turbulenten Hydraulik uumlblich verwendeten Ansatz
120591 =120582
81199072 [
119873
1198982]
ergibt sich die Flieszligformel fuumlr den Oberflaumlchenabfluss
119907 =1
radic120582times radic8 times 119892 times
119860
119880times 119904119894119899 120573 [
119898
119904]
mit
v - mittl Flieszliggeschwindigkeit [ms]
1
radic120582 - Reibungskoeffizient [-]
g - Erdbeschleunigung [mssup2]
A - Abflussquerschnitt [msup2]
U - benetzte Sohle [m]
β - Hangneigungswinkel [Grad]
Da in der Flusshydraulik die Neigungswinkel der Gewaumlssersohlen deutlich kleiner sind als die Neigungswinkel steiler Hanglagen werden die Flieszligformeln vereinfach
119907 =1
radic120582times radic8 times 119892 times
119860
119880times 119868119864
Anstelle des 119904119894119899 120573 wird das Gefaumllle IE verwendet Dh
119904119894119899 120573 = 120573 oder 119904119894119899 120573 = 119905119886119899 120573 = 119868119864
mit
IE - Sohlgefaumllle [minuspermil]
Fuumlr Gefaumllle bis 20 oder 113 Grad Neigung ist diese Vereinfachung vertretbar und liefert gute Ergebnisse Ab Neigungen groumlszliger 20 darf diese Vereinfachung nicht mehr angesetzt werden Bei einer Hangneigung mit 45 Grad oder IE=1=100 Gefaumllle weichen die Ergebnisse fuumlr die Flieszliggeschwindigkeit um 16 ab
radic1 = 1 radic119904119894119899 45 = 07071 = 084 119865119890ℎ119897119890119903 =1minus084
1times 100 = 16
Bei aktuellen Simulationen werden diese Fehler manchmal auch aus Unkenntnis hingenommen oder mit Hilfe des Reibungskoeffizienten der Oberflaumlchen versucht zu korrigieren
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42 Versuchseinrichtung zur Uumlberpruumlfung und Anpassung der Flieszligformeln zur Simulation des Oberflaumlchenabflusses an steilen Haumlngen
Auf dem Gelaumlnde des Wasserbaulaboratoriums der Hochschule RheinMain soll im naumlchsten Sommersemester 2015 eine Versuchseinrichtung zur Simulation von Oberflaumlchenabfluss auf Hanglagen bis 45deg (11 100) errichtet werden
Es soll eine kippbare Versuchsrinne mit einer Breite von 10 m einer Houmlhe von 026 m und einer Laumlnge von 63 m errichtet werden (vgl auch Anlage 1) Zur vertikalen Regensimulation soll uumlber der Versuchsrinne eine Beregnungsanlage mit schwenkbaren Duumlsen angebracht werden
Kipprinne zur Simulation von Oberflaumlchenabfluumlssen an steilen Haumlngen vgl Anlage 1
In einer ersten Phase sollen die in Abschnitt 41 diskutierten hydraulischen Ansaumltze in Versuchen verifiziert werden Hierbei gilt es besonders zu uumlberpruumlfen ob bei sehr kleinen Abflusstiefen (Duumlnnfilmabfluss) die Oberflaumlchenspannung der Wassers bei den Bewegungsgleichungen von Bedeutung ist
Fuumlr die Versuchsreihen koumlnnen die Beregnungslaumlnge die Niederschlagsintensitaumlt und der Neigungswinkel der Versuchsrinne variiert werden
Arbeitsziel unterstuumltzt durch Studienarbeit Uumlberpruumlfung und Anpassung der Flieszligformeln zur Simulation des Oberflaumlchenabflusses an steilen Haumlngen
In einer spaumlteren Versuchsphase soll SohlsubstratBoden eingebracht werden um mit oder ohne kuumlnstlichen Bewuchsstrukturen verschiedene Hangrauheiten simulieren zu koumlnnen Dies soll zur Klaumlrung des Erosionsbeginns der Bodenmatrix beitragen
1000 cm
260 cm
Sohlsubstrat zur Aufnahmevon kuumlnstlichen Bewuchsstrukturen
Beregnungsanlage mit schwenkbaren Duumlsen zurvertikalen Regensimulation
Wasserkoumlrper desOberflaumlchenabflusses
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5 Arbeitspaket 4 Instationaumlre 2ndashdimensionale Modellierung des Oberflaumlchenabflusses bei Starkniederschlaumlgen
Um dem Programmieraufwand im Rahmen des Projektes so gering wie moumlglich zu halten wird vorgeschlagen das Programm Floodarea der Fa Geomer Heidelberg welches sich bisher in der Praxis bewaumlhrt hat als Basis fuumlr die Simulationen zu verwenden FloodArea ist ein vollstaumlndig in ArcGISreg integriertes 2D-Modell zur Berechnung von Uumlberschwemmungsflaumlchen Wie in Abschnitt 4 bereits erwaumlhnt war der Verfasser dieser Skizze in die Erarbeitung der hydraulischen Kernroutinen dieser Software involviert und kann insofern ihre Einsatz- und Anpassungsmoumlglichkeiten sehr gut abschaumltzen Eine Abstimmung mit Herrn Dr Assmann von der Fa Geomer erfolgte vor dem Verfassen dieser Projektskizze
Folgende Anpassungen bzw Erweiterungen des Programms sollen realisiert werden
Schnittstelle zu den DWD-Radarniederschlagsdaten um die 5-minuumltigen RADOLAN RY-Komposite fuumlr eine instationaumlre 2-dimensionale Modellierung des Oberflaumlchenabflusses verwenden zu koumlnnen(vgl Abschnitt 2)
Einarbeitung der angepassten und erweiterten Ansaumltze zur Ermittlung des abflusswirksamen Niederschlages bei Starkregen
Einarbeitung der uumlberarbeiteten hydraulischen Ansaumltze fuumlr den Oberflaumlchenabfluss in steilen Hanglagen
Fuumlr die in Abschnitt 7 vorgeschlagenen Pilot-Einzugsgebiete sollen fuumlr ausgesuchte Starkregenereignisse (Regensammlung vgl Abschnitt 22) Simulationen des Oberflaumlchenabflusses durchgefuumlhrt werden
Die Ergebnisse dieser Simulationen sollen die hydraulische Grundlage fuumlr die in Abschnitt 6 beschriebenen Starkregen-Gefahrenkarten bilden
Folgende Datengrundlagen sind in die Simulationen des Oberflaumlchenabflusses zu intergrieren
Radarniederschlagsdaten (vgl Abschnitt 2)
ein hoch aufgeloumlstes digitales Gelaumlndemodell aus Laserscandaten Bereits durchgefuumlhrte Simulationen des Landes Baden Wuumlrttemberg im Einzugsgebiet der Starzel und [25] zeigen dass der Einfluss von Kleinstrukturen und Hindernissen (Mauern Graumlben Strassendammprofile) auf den Verlauf des Abflussgeschehens einen groszligen Einfluss haben koumlnnen
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Diese Kleinstrukturen werden allerdings durch das digitale Gelaumlndemodell nicht immer vollstaumlndig abgebildet Ggf muumlssen die Kleinstrukturen nachdigitalisiert werden um das digitale Gelaumlndemodell bdquohydraulischldquo zu vervollstaumlndigen
Gewaumlssernetz
Nutzungsmodell (zB ATKIS ALKIS CORINE LAND COVER) ggf mit Luftbildaufnahmen zur Verifizierung und Praumlzisierung der Nutzung und zur Ermittlung der Bearbeitungsrichtung bei landwirtschaftlichen Flaumlchen Hydraulisch nicht aktive Gebaumludeflaumlchen muumlssen bdquomarkiertldquo werden damit die Simulation an einer moumlglichst reellen Oberflaumlchengeometrie durchgefuumlhrt werden kann
Bodenkarte
Informationen uumlber die Bodenfeuchte oder Betrachtung der Regenmengen in den letzten 30 Tagen
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6 Arbeitspaket 5 Erarbeitung von Starkregen Gefahrenkarten fuumlr das Land Hessen
Wie im einfuumlhrenden Abschnitt 1 erlaumlutert muumlssen aufgrund der zu kurzen Vorwarnzeiten in kleinen Einzugsgebieten die Flaumlchen- und Bauvorsorge intensiviert werden um Schaumlden durch Starkregen und Sturzfluten mindern zu koumlnnen Die dazu notwendigen Informationen uumlber die in dieser Hinsicht gefaumlhrdeten Flaumlchen und deren Nutzung muumlssen bei der angepassten kommunalen Planung beruumlcksichtigt werden Flaumlchennutzungs- und Bebauungsplaumlne sind auf die topographischen Gegebenheiten und auf die Abflusseigenschaften des Gebietes bei Starkregen abzustimmen
Starkregen Hinweis- oder Starkregen Gefahrenkarten koumlnnen als Ergaumlnzung zu den mittlerweile bundesweit eingefuumlhrten Hochwassergefahrenkarten diese Informationen bereitstellen
Die im Folgenden verwendeten Begriffe
Starkregen-Hinweiskarte
Starkregen-Gefahrenkarten oder Flieszligpfadkarten
sind vorlaumlufige Benennungen Wie auch bei den Hochwassergefahrenkarten muss die LAWA fuumlr eine bundesweit einheitliche Benennung Sorge tragen
Aus der Sicht der Verfasser wird ein zweistufiges Vorgehen empfohlen
1 Identifikation der potentiell gefaumlhrdeten Hangflaumlchen und die Erstellung von Starkregen Hinweiskarten
2 Simulation des Oberflaumlchenabflusses der potentiell gefaumlhrdeten Flaumlchen und Erstellung von Starkregen Gefahrenkarten oder Flieszligpfadkarten
Eine flaumlchendeckende Simulation des Oberflaumlchenabflusses im betrachteten Projektraum sollte aufgrund der dabei entstehenden Projekt- bzw Ingenieurkosten uumlberdacht werden
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(Stufe 1) Identifikation der potentiell gefaumlhrdeten Hangflaumlchen und die Erstellung von Starkregen Hinweiskarten
Es wird vorgeschlagen in einem ersten Schritt den betrachteten Projektraum flaumlchendeckend auf potentiell gefaumlhrdete Hangflaumlchen zu untersuchen
Dazu sollen die Gelaumlndeneigung die Bodennutzung sowie die Lage der steilen Hangflaumlchen zu den schadensempfindlichen Flaumlchen (zB Siedlungsgebiete) fachlich miteinander verknuumlpft werden
Beispielsweise lassen sich auf Grundlage der folgenden fachlich begruumlndeten Matrix mit Hilfe der GIS Werkzeuge die potentiell gefaumlhrdeten Hangflaumlchen leicht identifizieren
Gruumlnland Ackerland
Gelaumlndenutzung Gelaumlndeneigung
Be
arb
eitu
ng
que
r zur
Fallr
ich
tun
g
Be
arb
eitu
ng
in
Fallr
ich
tun
g
kleiner 5 nicht
gefaumlhrdet wenig
gefaumlhrdet
5 bis 10 maumlszligig
gefaumlhrdet
10 bis 20 maumlszligig
gefaumlhrdet
groszliger 20 stark
gefaumlhrdet sehr stark gefaumlhrdet
sehr stark gefaumlhrdet
Liegen unterhalb stark oder maumlszligig gefaumlhrdeter Flaumlchen Siedlungsgebiete oder sind in den gefaumlhrdeten Flaumlchen Siedlungsentwicklungen geplant ist eine detaillierte Untersuchung des Oberflaumlchenabflusses erforderlich (Stufe 2)
Die bislang verwendeten Kriterien zur Einschaumltzung den potentiell betroffenen Flaumlchen sollten uumlberpruumlft und weiterentwickelt werden
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Beispiel fuumlr eine Starkregen-Hinweiskarte Stadt Nidderau
(Stufe 2) Simulation des Oberflaumlchenabflusses der potentiell gefaumlhrdeten Flaumlchen und Erstellung von Starkregen Gefahrenkarten oder Flieszligpfadkarten
Fuumlr die in Stufe 1 identifizierten gefaumlhrdeten Flaumlchen ist in der zweiten Stufe der Oberflaumlchenabfluss zu simulieren Je nach Groumlszlige des zu betrachtenden Niederschlagseinzugsgebietes oberhalb der gefaumlhrdeten Siedlungsflaumlchen und Infrastrukturen muumlssen aus der Regensammlung (vgl Abschnitt 22) konvektive Ereignisse geeigneter Dauer ausgewaumlhlt werden
Aus der instationaumlren 2D-Simulation erhaumllt man fuumlr definierte Zeitpunkte nach dem Beginn des Niederschlages folgende fuumlr das gewaumlhlte Berechnungsraster raumlumlich aufgeloumlste hydraulisch relevante Grundinformationen
Ist die Flaumlche benetzt (janein)
Wasserstand (bdquoUumlberflutungshoumlheldquo) auf der Flaumlche
Flieszligrichtung und Flieszliggeschwindigkeit auf der Flaumlche
Diese hydraulischen Grundinformationen muumlssen aufbereitet fachlich interpretiert und auf geeignete Weise dargestellt werden
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Letztlich geht es darum die Frage zu klaumlren welche Fachinformationen eine Starkregen-Gefahrenkarte beinhalten sollte
Aus der Sicht der Verfasser sollten in den Gefahrenkarten folgende hydraulische Informationen enthalten sein
Abflussrinnen und Flieszligpfade auf den Hangflaumlchen (Vervollstaumlndigung des Gewaumlssernetzes gegen Flieszligrichtung vgl auch Bild Abschnitt 4 Seite 21)
Starkregen-Gefahrenkarte mit Flieszligpfaden und Flieszligrichtung aus BWK [1]
Wassertiefenentwicklung entlang der Flieszligpfade
Flieszliggeschwindigkeiten entlang der Flieszligpfade
Diese Fachinformationen sollten zusammen mit einem fuumlr den Nutzer geeigneten Kartenhintergrund (Luftbildaufnahmen ALK topographische Karte etc) visualisiert werden
Im Rahmen der Bearbeitung der vorgeschlagenen Pilot-Einzugsgebiete (siehe Abschnitt 7) sind geeignete Inhalte und Darstellungsmoumlglichkeiten fuumlr Starkregen-Gefahrenkarten zu entwickeln
Wie auch bei den Hochwassergefahrenkarten sollte die LAWA fuumlr bundesweit einheitliche Standards der Starkregen-Gefahrenkarten Sorge tragen
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7 Arbeitspaket 6 Modell- Pilotprojekt bdquoUmgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessenldquo
In einem letzten Arbeitsabschnitt sollen anhand ausgesuchter Einzugsgebiete mit Hilfe des in Abschnitt 6 vorgeschlagenen Vorgehens Starkregen-Hinweiskarten und Starkregen-Gefahrenkarten erstellt werden
Die Verwendung von Niederschlagsdaten aus Radarbeobachtungen (vgl Abschnitt 1) und der Einsatz des verbesserten Simulationsmodells (vgl Abschnitte 3 und 4) werden gegenuumlber der heutigen Praxis bessere fachliche Informationen zur Bewaumlltigung von Starkregen-Gefahrenlagen bereitstellen koumlnnen
Folgende Pilot-Einzugsgebiete in hessischen Rheingau werden zur Auswahl gestellt
Walluf (AE=281 kmsup2) Die Walluf besitzt einen Pegel (Martinsthal AE=245 kmsup2 36 km oberhalb der Muumlndung) im Einzugsgebiet An der Hochschule RheinMain steht ein Niederschlags-Abfluss Modell der Walluf zur Verfuumlgung
Erbbach Kisselbach (AE= 106 kmsup2)
Pfingstbach (AE= 84 kmsup2)
Stegbach Blaubach (AE= 127 kmsup2)
Der Hochwasserrisikomanagementplan Rheingau steht zurzeit in der oumlffentlichen Abstimmung und wird im Laufe 2015 fertig gestellt werden Nach Aussage von Frau Tremper des Regierungspraumlsidiums Darmstadt Abteilung IVWi 412 waumlre eine Ergaumlnzung des HWRM-PL Rheingau durch Starkregen-Hinweis- und -Gefahrenkarten der Rheingaubaumlche hilfreich Diese wuumlrden die im HWRM-PL Rheingau betrachteten Rhein-Hochwasserszenarien ergaumlnzen
Arbeitsziel unterstuumltzt durch Studienarbeiten Erstellung von Niederschlags- Abfluss Modellen fuumlr die Rheingaubaumlche Erbach Kisselbach Pfingstbach Stegbach Blaubach
Bei der Erstellung der Starkregen-Hinweiskarten und Starkregen-Gefahrenkarten fuumlr die Pilot-Einzugsgebiete sollen die in Abschnitt 6 weiterentwickelten Ansaumltze erprobt und die Karteninhalte mit den spaumlteren Nutzern diskutiert werden Dabei sollen insbesondere die Kartendarstellung und deren Inhalte den jeweiligen fachlichen Beduumlrfnissen entsprechen
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8 Literatur und Quellen
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[6] Deutscher Wetterdienst (DWD) (Hrsg)(2008) Radarniederschlag-Prinzip der Niederschlagsbestimmung mit Radar inklusive Umrechnung der Radarreflektivitaumlten in Momentanwerte des Niederschlages Version 10
[7] Deutscher Wetterdienst (DWD) Abteilung Hydrometeorologie (Hrsg)(2005) Projekt RADVOR-OP
[8] Deutscher Wetterdienst (DWD) Abteilung Hydrometeorologie (Hrsg)(2012) Projekt RADVOR-OP
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[12] DWA Kommentar zum DWA Regelwerk (2008) Planung Bau und Betrieb von Anlagen zur Versickerung von Niederschlagswasser
[13] DWA Themen (2010) Abfluumlsse aus extremen Niederschlaumlgen Ergebnisse einer Bestandsaufnahme Hochwasserereignisse und Modellansaumltze zu ihrer Abbildung
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9 Allgemeine Informationen Zeitplan und Ressourcen
91 Allgemeine Informationen
Antragsteller Prof Dr-Ing Ernesto Ruiz Rodriguez Wasserbaulaboratorium am Fachbereich Architektur und Bauingenieurwesen Hochschule RheinMain Kurt-Schumacher-Ring 18 65197 Wiesbaden
Projektbearbeiter Arbeitsgruppe bdquoStarkregen und Sturzflutenldquo am Wasserbaulaboratorium Prof Dr-Ing Ernesto Ruiz Rodriguez (Projektleitung) BEng Lisa Trost (Projektbearbeitung) Frank Salffner (Vermessungstechniker Laborant am Wasserbaulaboratorium und in der EDV- Arbeitsgruppe des Fachbereichs) Die Arbeitsziele werden durch Studienarbeiten des Master- Studienganges bdquoUmweltmanagement und Stadtplanung in Ballungsraumlumenldquo (UMSB) unterstuumltzt
Partnerschaften Kooperationspartner Prof Dr Ralf Doumlrner Hochschule RheinMain
FG Graphische Datenverarbeitung und Virtuelle Realitaumlt Prof Dr Robert Seuszlig Fachhochschule Frankfurt FG Geoinformation und Kommunaltechnik Berufsfeuerwehr Wiesbaden Dr Andreacute Assmann Fa Geomer Heidelberg
gewuumlnschte Zusammenarbeit Deutscher Wetterdienst Abt Hydrometeorologie Projektdauer 4 Jahre (vgl 92 Zeitplan) Eigenmittel Projektleitung durch Prof Dr E Ruiz Rodriguez
Nutzung der Einrichtungen des Wasserbaulaboratoriums der Hochschule RheinMain Unterstuumltzung bei Laborarbeiten und EDV Infrastruktur durch Frank Salffner
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92 Zeitplan
1
Jah
r
2
Jah
r
3
Jah
r
4
Jah
r Bemerkung
Arbeitspaket 1 Verwendung von Radardaten zur Simulation von Starkregen Sturzfluten fuumlr kleine Einzugsgebiete
Beginn der Arbeiten
Klaumlrung der Verfuumlgbarkeit von Radarniederschlagsdaten (fuumlr Modellierer Ingenieurbuumlros)
Aufwand zur Nutzung und Aufbereitung von Radarniederschlagsdaten fuumlr Modellierer Ingenieurbuumlros Erstellung eines Werkzeugs zur Visualisierung der archivierten und aktuellen Radarniederschlagsdaten Erstellung eines Werkzeugs zur Transformation und Projektion der DWD-RADOLAN-RW und RY-Komposit-Radarniederschlagsdaten in Gauszlig-Kruumlger undoder UTM-Projektion Erstellung eines GIS Werkzeugs zur Aufbereitung der DWD-RADOLAN-Komposit-Raster zur Simulation von Starkregen in kleinen Einzugsgebieten
1 Berichterstattung Arbeitspaket 1 (Teil 1)
Auswertung der RADOLAN Radarniederschlagsdaten des DWD
Praxisseminar Kolloquium bdquoVerwendung von Radardaten zur Simulation von Starkregen Sturzfluten in Hessenldquo
Arbeitspaket 2 Uumlberpruumlfung und Anpassung von Modellansaumltze zur Ermittlung des abflusswirksamen Niederschlages bei Starkregen
Uumlberpruumlfung und Anpassung der Modellansaumltze zur Ermittlung des abflusswirksamen Niederschlages bei Starkniederschlaumlgen unter besonderer Beruumlcksichtigung von Bodenfeuchte und Bodenluftkompressionseffekten
Arbeitspaket 3 Uumlberpruumlfung und Anpassung der hydraulischen Ansaumltze zur Berechnung des Oberflaumlchenabflusses bei Starkregen Sturzfluten an steilen Haumlngen
Bau der Versuchsrinne am Wasserbaulaboratorium Durchfuumlhrung und Auswertung der Versuche Uumlberpruumlfung und Anpassung der hydraulischen Ansaumltze zur Berechnung des Oberflaumlchenabflusses
2 Berichterstattung Arbeitspaket 2 und Arbeitspaket 3 (Teil1)
Arbeitspaket 4 Instationaumlre 2ndashdimensionale Modellierung des Oberflaumlchenabflusses bei Starkniederschlaumlgen
Anpassen des 2-dimensionallen Modelles auf instationaumlre Niederschlagsfronten Schnittstelle zu DWD RADOLAN Komposite Einarbeiten der verbesserten Ansaumltze zu Berechnung des abflusswirksamen Niederschlages bei Starkniederschlaumlgen Einarbeiten der verbesserten hydraulischen Ansaumltze
wird fortgesetzt
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1
Jah
r
2
Jah
r
3
Jah
r
4
Jah
r Bemerkung
Arbeitspaket 5 Erarbeitung von Starkregen Gefahrenkarten fuumlr das Land Hessen
Uumlberpruumlfen und Anpassung von fachlichen Kriterien fuumlr die Erstellung von Starkregen-Karten Definition der Inhalte von Starkregen-Hinweiskarten Definition der Inhalte von Starkregen- Gefahrenkarten
3 Berichterstattung Arbeitspaket 3 (Teil 2) Arbeitspaket 4 und Arbeitspaket 5 (Teil1)
Arbeitspaket 6 Modell- Pilotprojekt bdquoUmgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessenldquo
Erarbeitung von Starkregen-Hinweiskarten fuumlr die ausgewaumlhlten Pilot-Einzugsgebiete Erarbeitung von Starkregen-Gefahrenkarten fuumlr die ausgewaumlhlten Pilot-Einzugsgebiete Uumlberpruumlfen der fachlichen Kriterien und Ansaumltze (Arbeitspaket 5) fuumlr die Erstellung von Starkregen-Karten Diskussion uumlber die Starkregen-Karteninhalte und Starkregen-Kartendarstellung mit den Nutzern
4 Berichterstattung Arbeitspaket 5 (Teil 2) und Arbeitspaket 6 (Abschlussbericht)
93 Beantragte Mittel
Zur Durchfuumlhrung und Erreichung der im Antrag beschriebenen Arbeitsziele werden fuumlr das
1 Projektjahr 35000 Euro
2 Projektjahr 35000 Euro
3 Projektjahr 35000 Euro
4 Projektjahr 35000 Euro
beantragt
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Projektskizze Umgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessen (Arbeitstitel) Januar 2015 Anlage 1
1160 cm
280 cm
260 cm
1000 cm
1080 cm
6300 cm280 cm
3000 cm3000 cm
3000 cm 3000 cm
1000 cm624 cm
1500deg
Kipprinne zur Simulation des Oberflaumlchenabflusses an steilen HaumlngenLaumlnge= 630 mBreite= 10 mHoumlhe= 026 mmax Neigungswinkel 45deg
variableBeregnungslaumlnge
Maszligstab 120
1000 cm
260 cm
Sohlsubstrat zur Aufnahmevon kuumlnstlichen Bewuchsstrukturen
Beregnungsanlage mit schwenkbaren Duumlsen zurvertikalen Regensimulation
Wasserkoumlrper desOberflaumlchenabflusses
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Projektskizze Umgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessen (Arbeitstitel) Januar 2015 Anlage 1
1830 cm
2625 cm
Drehpunkt
1330 cm
6300 cm
280 cm
1500deg
Maszligstab 120
Kipprinne zur Simulation des Oberflaumlchenabflusses an steilen HaumlngenLaumlnge= 630 mBreite= 10 mHoumlhe= 026 mmax Neigungswinkel 45deg
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Projektskizze Umgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessen (Arbeitstitel) Januar 2015 Seite 12
Zurzeit gibt es noch kein System welches frei zugaumlnglich ist und die historischen RW RADOLAN-Daten (Juni-2005 bis heute) visualisieren kann
Optimal waumlre es wenn die RW-RADOLAN-1h-Komposite jahresweise in einem Video mit Datum Kartenhintergrund und N-Intensitaumltsskala vor- und ruumlckspulbar betrachtet werden koumlnnten Auf diese Weise waumlre es moumlglich maszliggebende konvektive Ereignisse Szenarien (Regensammlung mit verschiedenen Niederschlagsdauern und verschiedenen Niederschlagsmengen) zur Simulation leichter zu identifizieren (vgl auch Abschnitt 7)
Arbeitsziel unterstuumltzt durch Studienarbeit Entwurf und Umsetzung eines Werkzeugs zur Visualisierung der archivierten und aktuellen Radarniederschlagsdaten (DWD-RADOLAN-RW-Komposit)
Aufbereitung der 5 minuumltigen Radarniederschlagsdaten fuumlr die gewaumlhlten konvektiven Ereignisse
Sind die konvektiven Ereignisse Szenarien zur Simulation identifiziert muumlssen deren Radarniederschlagsdaten je nach Anforderung des verwendeten Simulationsmodells aufbereitet werden
Alle Simulationsmodelle nutzen fuumlr die Eingabeaufbereitung und Ergebnispraumlsentation GIS-Oberflaumlchen So lassen sich Simulationsergebnisse mit anderen Datengrundlagen (Amtliches Liegenschaftskatasterinformationssystem ALKIS Bodeninformationen Luftbilder Nutzung etc) verschneiden und fachlich interpretieren (zB Erstellung von Starregen Gefahrenkarten) Oftmals werden die Simulationsmodelle als aufgesetzte bdquoFachschaltenldquo zu GIS-Systemen realisiert
Diese Tatsache macht es unumgaumlnglich die Komposit-Radarniederschlagsdaten auf ein GIS-System kompatibles Format mit geeigneter Projektion (zB Gauszlig-Kruumlger- oder UTM-Projektion) zu uumlberfuumlhren
Die fuumlr die DWD ndashRADOLAN-RW-Komposit-Radarniederschlagsdaten verwendete polarstereographische Projektion (siehe [5]) ist fuumlr die derzeitigen Anwendungen geeignet Man betrachtet und beurteilt groszligraumlumige Wetterlagen uumlber Staats- Bundeslandgrenzen hinweg
Fuumlr eine Simulation von kleinraumlumigen Starkregenereignissen und eine fachliche Verschneidung der Simulationsergebnisse mit weiteren Daten eignet sich die polarstereographische Projektion jedoch nicht
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In [33 Kapitel 5] werden die Probleme beim Georeferenzieren der DWD-RADOLAN-Komposite ausfuumlhrlich erlaumlutert
Arbeitsziel unterstuumltzt durch Studienarbeiten Entwurf und Umsetzung eines Werkzeugs zur Transformation und Projektion der DWD-RADOLAN-RW und RY-Komposit-Radarniederschlagsdaten in Gauszlig-Kruumlger undoder UTM-Projektion
Innerhalb des HLUG sollte eine Diskussion zur Festlegung einheitlicher Projektionen fuumlr kuumlnftige wasserwirtschaftliche Projekte im Land Hessen stattfinden
Waumlhrend die in Gauszlig-Kruumlger- oder UTM transformierten Radarniederschlagsdaten in einem Raster von ca 1km x 1km vorliegen koumlnnen die Simulationsmodelle (vgl Abschnitt 0) je nach gewaumlhlten Randbedingungen deutlich kleinere Rasterweiten (zB 5m x 5 m bis 100 m x 100m) verwenden
Fuumlr eine Simulation muss ein gemeinsames Rasters definiert und alle Datengrundlagen in dieses Raster uumlberfuumlhrt werden
Uumlberlagerung eines Transformierten RADOLAN Raster mit Gauszlig-Kruumlger oder UTM Raster
Gauszlig-Kruumlger oder UTM transformiertes RADOLAN Raster (schiefes Veireck 950x950 m)
zur Simulation verwendetes Raster
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Arbeitsziel unterstuumltzt durch Studienarbeit Entwurf und Umsetzung eines GIS Werkzeugs zur Aufbereitung der DWD-RADOLAN-Komposit-Raster zur Simulation von Starkregen in kleinen Einzugsgebieten
23 Auswertung der RADOLAN Radarniederschlagsdaten des DWD
Wie in Abschnitt 2 erlaumlutert koumlnnen die Zugrichtung und die Zuggeschwindigkeit einer konvektiven Starkregenfront Starkregenzelle die Einwirkungsintensitaumlt in einem Niederschlagseinzugsgebiet entscheidend beeinflussen Die Abmessungen der Starkregenfront Starkregenzelle in Verbindung mit der Zuggeschwindigkeit sowie die Regendauer koumlnnen im unguumlnstigen Fall mit der Konzentrationszeit im Niederschlagseinzugsgebiet zusammenfallen und zu einer entscheidenden Verschaumlrfung des Wellenscheitels fuumlhren
Unter der Voraussetzung dass die in Abschnitt 22 beschriebenen Werkzeuge erstellt worden sind sollen nun mit deren Hilfe die historischen RADOLAN Radarniederschlagsdaten ausgewertet werden
Identifizieren von Starkregenfronten Starkregenzellen Hierfuumlr sind Identifikationskriterien zu erarbeiten
Einordnung des Wiederkehrintervalls der Starkregenfront Starkregenzelle (Dauer und Niederschlagsmenge) mit Hilfe der DWD KOSTRA2000-Auswertung
Identifikation und Digitalisierung des Intensitaumltsschwerpunktes der jeweiligen Starkregenfront
Zeitliche Entwicklung der Intensitaumltsverteilung innerhalb der Starkregenfront
Fuumlr jede identifizierte Starkregenfront Starkregenzelle sollen in Abhaumlngigkeit der JahreszeitWetterlage folgende Parameter ermittelt und statistisch ausgewertet werden
Digitalisierung der Abmessungen (Laumlngenausdehnung Breitenausdehnung) und der Form (Laumlngen-Breitenverhaumlltnis oder Flaumlche-Umfangverhaumlltnis)
Digitalisierung der Zugrichtung (Zugbahn Zugtrajektorie) und Zuggeschwindigkeit (im Schwerpunkt der Intensitaumlt)
Darstellung der Abmessungen der Zugrichtungen und Zugbahnen in Karten und Uumlberlagerung mit dem digitalen Gelaumlndemodell
Auf diese Weise koumlnnen eventuell Starkregenschwerpunkte (-regionen) in Hessen identifiziert und in Karten dargestellt werden
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Arbeitsziel unterstuumltzt durch Studienarbeit(en) Auswertung historischer RADOLAN Radarniederschlagsdaten des DWD
24 Praxisseminar Kolloquium bdquoVerwendung von Radardaten zur Simulation von Starkregen Sturzfluten in Hessenldquo
In Zusammenarbeit mit dem Wissenschaftsforum Umwelt und der Weiterbildungsplattform NATURUMWELTTECHNIK (NUT) der Hochschule RheinMain sollen in einem 1-taumlgigen Praxisseminar die Moumlglichkeiten zur Nutzung von Radarniederschlagsdaten zur Simulation von Starkregen Sturzfluten vorgestellt werden
Zielgruppe Ingenieurhydrologen Hydrologen Ingenieurbuumlros (Modellierer) und andere am Thema Interessierten
Die Organisation uumlbernimmt die Weiterbildungsplattform NUT der Hochschule RheinMain Die fachliche Koordination ist durch Prof Dr Ernesto Ruiz Rodriguez und Frau BEng Lisa Trost gesichert Eine partnerschaftliche Koordination durch das HLUG und den DWD ist moumlglich und wird ausdruumlcklich erwuumlnscht
3 Arbeitspaket 2 Uumlberpruumlfung und Anpassung von Modellansaumltze zur Ermittlung des abflusswirksamen Niederschlages bei Starkregen
Unter dem abflusswirksamen (effektiven) Niederschlag versteht man den Anteil des Niederschlages der in einem Einzugsgebiet unmittelbar nach dem Niederschlagsereignis als Direktabfluss wirksam wird
Zu Beginn des Niederschlagsereignisses sind die Verluste idR besonders groszlig (Benetzung der der Vegetationsdecke und Muldenverluste) Bei Starkregen werden diese Speicherraumlume jedoch schnell gefuumlllt und die hohen Niederschlagsintensitaumlten uumlbersteigen oft die Infiltrationsfaumlhigkeit des Bodens und es kommt zum Oberflaumlchenabfluss (vgl auch Abschnitt 4)
Insofern spielt besonders bei Starkregen der Anteil an abflusswirksamen Oberflaumlchenabfluss eine entscheidende Rolle Dieser bildet gemeinsam mit dem oberflaumlchennahen Interflow in der belebten Bodenzone den Hauptanteil am sog abflusswirksamen Niederschlag
Der in der Ingenieurhydrologie am haumlufigsten verwendete Modellansatz zur Ermittlung des abflusswirksamen Niederschlags ist der Ansatz des Abflussbeiwertes Er wird sowohl in der Urbanhydrologie (Kanalnetzberechnung) als auch
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bei der Modellierung von Niederschlags-Abfluss-Prozessen (NA-Modellierung) auf natuumlrlichen Flaumlchen eingesetzt
Abflussbeiwert-Ansaumltze
)()()(
)()(
)(
)(
tititi
titi
ti
ti
vw
w
w
Ψ ndash Abflussbeiwert [-]
i(t) ndash Niederschlagsintensitaumlt [mmh]
iw(t) ndash wirksame Niederschlagsintensitaumlt [mmh]
a) konstanter Abflussbeiwert Ψ
b) Konstanter Abflussbeiwert Ψ mit Anfangsverlust hva
Der Anfangsverlust hva wird durch die Mulden- und Benetzungsverluste begruumlndet
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c) Zeitvarianter Abflussbeiwert Ψ mit oder ohne Anfangsverlust hva
In der Urbanhydrologie wird der konstante Abflussbeiwert Ψ ohne Anfangsverlust hva bei der NA-Modellierung kommt fast immer der konstante Abflussbeiwert Ψ mit Anfangsverlust hva zum Einsatz
Liegen Niederschlags- und Abflussaufzeichnungen des Direktabflusses QD(t) vor und ist der Verlauf des Basisabflusses QB(t) bekannt so kann der Abflussbeiwert Ψ aus der Volumen-Massenbilanz ermittelt werden Der Anfangsverlust hva wird in der Regel mit 3 bis 4 mm Niederschlagshoumlhe geschaumltzt Der gefallene effektive Niederschlag iw(t)=Ψ i(t) findet sich im Direktabfluss QD(t) oberhalb des Basisabflusses QB(t)
RE
RA
w
e
D
t
t
iE
t
t
DQ VdttiAdttQV )()(
0
Liegen keine Niederschlags undoder Pegelaufzeichnungen vor wird in der Ingenieurpraxis der Abflussbeiwert mit Hilfe oder im Anlehnung an das SCS Verfahrens (US Soil Conversation Service der USA) ermittelt Diese Verfahren wird ua in der
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DVWK-Regel 113 beschrieben Das SCS-Verfahren unterscheidet folgende Bodentypen
Bodentyp A Boumlden mit groszligem Versickerungsvermoumlgen auch nach starker Vorbefeuchtung zB tiefe Sand- und Kiesboumlden
Bodentyp B Boumlden mit mittlerem Versickerungsvermoumlgen tiefe bis maumlszligig tiefe Boumlden mit maumlszligig feiner bis maumlszligig grober Textur zB mitteltiefe Sandboumlden Loumlszlig (schwach) lehmiger Sand
Bodentyp C Boumlden mit geringem Versickerungsvermoumlgen Boumlden mit feiner bis maumlszligig feiner Textur oder mit wasserstauender Schicht zB flache Sandboumlden sandiger Lehm
Bodentyp D Boumlden mit sehr geringem Versickerungsvermoumlgen Ton Boumlden sehr flache Boumlden uumlber nahezu undurchlaumlssigem Material Boumlden mit dauernd sehr hohem Grundwasserspiegel
BodennutzungBodentyp A B C D
Oumldland (ohne nenneswerten Bewuchs) 77 86 91 94
Hackfruumlchte Wein 70 80 87 90
Wein (Terrassen) 64 73 79 82
Getreide Futterpflanzen 64 76 84 88
Weide (normal) 49 69 79 84
Weide (kark) 68 79 86 89
Dauerwiese 30 58 71 78
Wald (stark aufgelockert) 45 66 77 83
Wald (mittel aufgelockert) 36 60 73 79
Wald (dicht) 25 55 70 77
undurchlaumlssige bzw versiegelte Flaumlchen 100 100 100 100
CN-Beiwert des SCS-Verfahrens
In Abhaumlngigkeit der Bodennutzung und des Bodentyps wird fuumlr das Niederschlagseinzugsgebiet ein flaumlchengewichteter CN-Beiwert ermittelt und der effektive Niederschlag hNE berechnet
4258800425
22004252
NN
NNNe
Ch
Chh
N
Ne
h
h
Das Originalverfahren hat Schwaumlchen und wurde mehrfach modifiziert (zB nach Oslashverland Zaiszlig und Lutz) Dabei wurde versucht den Einfluss der aktuellen Bodenfeuchte des Bodens besser zu beruumlcksichtigen Je nach Bodentyp kann diese einen groszligen Einfluss auf den effektiven Niederschlag (vgl auch Abschnitt 41) haben
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Alle diese Ansaumltze beruumlcksichtigen nicht die bei Starkregen beobachteten und in [17] beschriebenen Effekte der Bodenluftkompression die die Infiltrationsfaumlhigkeit des Porenraumes bei hohen Niederschlagsintensitaumlten mindert und somit den Anteil des Oberflaumlchenabflusses erhoumlht
Arbeitsziel unterstuumltzt durch Studienarbeit Uumlberpruumlfung und Anpassung der Modelansaumltze zur Ermittlung des abflusswirksamen Niederschlages bei Starkniederschlaumlgen unter besonderer Beruumlcksichtigung von Bodenfeuchte und Bodenluftkompressionseffekten
Die Verwendung der Radarniederschlagsdaten macht es moumlglich die zeitliche und raumlumliche Niederschlagsverteilung im Einzugsgebiet zu betrachten Da die Niederschlagsintensitaumlten und -mengen im Einzugsgebiet variieren werden sich demzufolge raumlumlich verteilte Abflussbeiwerte ergeben Die oben beschriebenen Ansaumltze zur Ermittlung des abflusswirksamen Oberflaumlchenabflusses muumlssen daraufhin angepasst und ggf weiterentwickelt werden
Arbeitsziel unterstuumltzt durch Studienarbeit Uumlberpruumlfung und Anpassung der Modelansaumltze zur Ermittlung des abflusswirksamen Niederschlages bei raumlumlich und zeitlich sich veraumlndernden Starkniederschlaumlgen
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4 Arbeitspaket 3 Uumlberpruumlfung und Anpassung der hydraulischen Ansaumltze zur Berechnung des Oberflaumlchenabflusses bei Starkregen Sturzfluten an steilen Haumlngen
Beim Oberflaumlchenabfluss muss zwischen dem klassischen Oberflaumlchenabfluss nach Horton (1933) und dem Saumlttigungsoberflaumlchenabfluss unterschieden werden
Der Oberflaumlchenabfluss nach Horton entsteht durch einen Infiltrationsuumlberschuss Die Niederschlagsintensitaumlt ist houmlher als die Infiltrationskapazitaumlt der Boumlden und das nicht infiltrierte Niederschlagswasser flieszligt dann in Fallrichtung auf der Hangoberflaumlche ab
Der Saumlttigungsoberflaumlchenabfluss setzt dann ein wenn der Boden seine maximale Wassersaumlttigung erreicht hat dh das Porenvolumen vollstaumlndig mit Wasser gesaumlttigt ist Bei diesem Abfluss tritt haumlufig Wasser aus einem vergangenen Ereignis wieder aus dem Boden aus (Exfiltration) und vermischt sich mit dem Niederschlag des aktuellen Ereignisses
Im Folgenden wird zunaumlchst nur die Einphasenstroumlmung des Oberflaumlchenwassers betrachtet der Bewegungsbeginn und der Transport von Teilen der Bodenmatrix (Erosion) werden nicht analysiert Der Massentransport koumlnnte nachdem die Bewegungsgleichungen der Einphasenstroumlmung in steilen Haumlngen verifiziert oder korrigiert wurden in spaumlteren Arbeitsschritten betrachtet werden
Fuumlr die Simulation des Oberflaumlchenabflusses an Steilhaumlngen werden aktuell dieselben Ansaumltze verwendet wie zur Berechnung des Oberflaumlchenabflusses auf flachen Uumlberflutungsflaumlchen in Gewaumlssern und auf Auen Die dabei erzielten Ergebnisse scheinen so plausibel sodass die verwendeten Modelle bislang noch nicht hinterfragt wurden Und das obwohl die geometrischen und hydraulischen Randbedingungen an steilen Hanglagen sich von denen auf flachen Uumlberflutungsflaumlchen stark unterscheiden
In diesem Zusammenhang verglich beispielsweise Herr Dipl-Ing Klaus Schmalzl des Wasserwirtschaftsamtes Rosenheim in seinem Vortrag bdquoSturzfluten hydrodynamisch numerisch mit HYDRO_AS-2D berechnenldquo [38] den er im Rahmen des Treffens der Anwender des 2D-Hydrodynamik-Programms HYDRO_AS-2D der Fa Hydrotec am 11Okt 2014 in Muumlnchen hielt das Programm HYDRO_AS-2D welches eigentlich fuumlr die 2-Dimensionale Simulation in Gewaumlssern entwickelt worden ist mit einem bdquoSchweizer Messerldquo welches als Symbol fuumlr einen vielseitigen Einsatz steht
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In Kongress INTERPRAEVENT 2012 in Grenoble [25] wurde bdquoEin neuer Ansatz zur Modellierung von Oberflaumlchenabflussldquo vorgestellt In der Zusammenfassung
bdquoOberflaumlchenabfluss wird als der Teil des Niederschlags verstanden welcher einem Vorfluter uumlber die Bodenoberflaumlche unmittelbar zufliesst Auswertungen von Unwetterereignissen in den letzten Jahren in der Schweiz haben gezeigt dass bis zu 50 der durch Wassergefahren verursachten Schadenfaumllle durch Oberflaumlchenabfluss verursacht worden sind Dennoch ist Oberflaumlchenabfluss in der Schweiz kaum in den Gefahrenkartierungsprozess integriert Um diese Luumlcke zu fuumlllen wurde auf der Basis der Software FloodArea eine Methode entwickelt welche eine Modellierung von Oberflaumlchenabfluss mit einheitlichen Kriterien uumlber grosse Gebiete erlaubt In dieser Studie werden die Methodenentwicklung und zwei Fallstudien vorgestellt Die Resultate zeigen dass an den Raumlndern von Siedlungsflaumlchen und im Landwirtschaftsland gute Ergebnisse erzielt werden Potenziell gefaumlhrdete Gebaumlude oder Bauparzellen werden erkannt Innerhalb von Siedlungsgebieten sind die Differenzen zu realen Ereignissen groumlsser Daher liegt der Fokus von Folgearbeiten auf einer weiteren Verbesserung der Genauigkeit des Gelaumlndemodells und der Integration von zusaumltzlichen Strukturen (zB Kleinbauten) welche Fliesswege entscheidend beeinflussen koumlnnenldquo aus [25]
wird auf die Software FloodArea der Fa Geomer Heidelberg verwiesen
FloodArea und auch HYDRO_AS-2D sind Beispiele von in der Praxis verwendeten Programmen zur Berechnung von Wasserspiegellagen in Gewaumlssern und zur 2-D Uumlberflutungssimulation auf Auen Wie das nachfolgende Bild zeigt sind die mit FloodArea erzielten Simulationsergebnisse plausibel
Oberflaumlchenabflussmodellierung in Busswil (Kanton Bern Schweiz) aus [25]
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Der Verfasser dieser Projektskizze selbst hat in Zusammenarbeit mit der Fa Geomer in Heidelberg die hydraulischen Kernroutinen fuumlr das Programm FloodArea entwickelt und ist daher in der Lage deren Einsatzgrenzen gut beurteilen zu koumlnnen
41 Korrektur der Flieszligformeln zur Simulation des Oberflaumlchenabflusses an steilen Haumlngen
Die nachfolgende Tabelle zeigt die unterschiedlichen Auspraumlgungen von wichtigen hydraulischen und geometrischen Randbedingungen fuumlr den steilen Oberflaumlchenabfluss und fuumlr die Wasserausbreitung auf den vergleichsweise flachen Gewaumlsserauen
Parameter Auspraumlgung
Gewaumlsser und Aue Steile Hanglage
Gefaumllle klein permil bis 10
groszlig 5 bis uumlber 100
Wassertiefe groszlig Dezimeter bis mehrere Meter
klein Duumlnnfilmabfluss bis Dezimeter
Betrachten wir zunaumlchst ein Fluidelement 119889119909 times ℎ times 119880 auf einer steilen Hangflaumlche mit dem Hangneigungswinkel β und formulieren in x- Richtung das Kraumlftegleichgewicht zwischen der hangabwaumlrts treibenden Kraft
119866 times sin 120573 = 119889119909 times ℎ times 119880 times 120588 times 119892 times sin 120573 und der Hangreibungskraft T
119879 = 120591 times 119880 times 119889119909 Man erhaumllt so den bekannten Ansatz fuumlr die Schleppspannung
120591 auf einer Hangflaumlche
120591 = 120588 times 119892 times119860
119880times sin 120573 [
119873
1198982]
dx
Q
vdx cosszlig
h
G
G sinszlig
T
U
Ah
szlig
x
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Mit dem in der turbulenten Hydraulik uumlblich verwendeten Ansatz
120591 =120582
81199072 [
119873
1198982]
ergibt sich die Flieszligformel fuumlr den Oberflaumlchenabfluss
119907 =1
radic120582times radic8 times 119892 times
119860
119880times 119904119894119899 120573 [
119898
119904]
mit
v - mittl Flieszliggeschwindigkeit [ms]
1
radic120582 - Reibungskoeffizient [-]
g - Erdbeschleunigung [mssup2]
A - Abflussquerschnitt [msup2]
U - benetzte Sohle [m]
β - Hangneigungswinkel [Grad]
Da in der Flusshydraulik die Neigungswinkel der Gewaumlssersohlen deutlich kleiner sind als die Neigungswinkel steiler Hanglagen werden die Flieszligformeln vereinfach
119907 =1
radic120582times radic8 times 119892 times
119860
119880times 119868119864
Anstelle des 119904119894119899 120573 wird das Gefaumllle IE verwendet Dh
119904119894119899 120573 = 120573 oder 119904119894119899 120573 = 119905119886119899 120573 = 119868119864
mit
IE - Sohlgefaumllle [minuspermil]
Fuumlr Gefaumllle bis 20 oder 113 Grad Neigung ist diese Vereinfachung vertretbar und liefert gute Ergebnisse Ab Neigungen groumlszliger 20 darf diese Vereinfachung nicht mehr angesetzt werden Bei einer Hangneigung mit 45 Grad oder IE=1=100 Gefaumllle weichen die Ergebnisse fuumlr die Flieszliggeschwindigkeit um 16 ab
radic1 = 1 radic119904119894119899 45 = 07071 = 084 119865119890ℎ119897119890119903 =1minus084
1times 100 = 16
Bei aktuellen Simulationen werden diese Fehler manchmal auch aus Unkenntnis hingenommen oder mit Hilfe des Reibungskoeffizienten der Oberflaumlchen versucht zu korrigieren
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42 Versuchseinrichtung zur Uumlberpruumlfung und Anpassung der Flieszligformeln zur Simulation des Oberflaumlchenabflusses an steilen Haumlngen
Auf dem Gelaumlnde des Wasserbaulaboratoriums der Hochschule RheinMain soll im naumlchsten Sommersemester 2015 eine Versuchseinrichtung zur Simulation von Oberflaumlchenabfluss auf Hanglagen bis 45deg (11 100) errichtet werden
Es soll eine kippbare Versuchsrinne mit einer Breite von 10 m einer Houmlhe von 026 m und einer Laumlnge von 63 m errichtet werden (vgl auch Anlage 1) Zur vertikalen Regensimulation soll uumlber der Versuchsrinne eine Beregnungsanlage mit schwenkbaren Duumlsen angebracht werden
Kipprinne zur Simulation von Oberflaumlchenabfluumlssen an steilen Haumlngen vgl Anlage 1
In einer ersten Phase sollen die in Abschnitt 41 diskutierten hydraulischen Ansaumltze in Versuchen verifiziert werden Hierbei gilt es besonders zu uumlberpruumlfen ob bei sehr kleinen Abflusstiefen (Duumlnnfilmabfluss) die Oberflaumlchenspannung der Wassers bei den Bewegungsgleichungen von Bedeutung ist
Fuumlr die Versuchsreihen koumlnnen die Beregnungslaumlnge die Niederschlagsintensitaumlt und der Neigungswinkel der Versuchsrinne variiert werden
Arbeitsziel unterstuumltzt durch Studienarbeit Uumlberpruumlfung und Anpassung der Flieszligformeln zur Simulation des Oberflaumlchenabflusses an steilen Haumlngen
In einer spaumlteren Versuchsphase soll SohlsubstratBoden eingebracht werden um mit oder ohne kuumlnstlichen Bewuchsstrukturen verschiedene Hangrauheiten simulieren zu koumlnnen Dies soll zur Klaumlrung des Erosionsbeginns der Bodenmatrix beitragen
1000 cm
260 cm
Sohlsubstrat zur Aufnahmevon kuumlnstlichen Bewuchsstrukturen
Beregnungsanlage mit schwenkbaren Duumlsen zurvertikalen Regensimulation
Wasserkoumlrper desOberflaumlchenabflusses
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5 Arbeitspaket 4 Instationaumlre 2ndashdimensionale Modellierung des Oberflaumlchenabflusses bei Starkniederschlaumlgen
Um dem Programmieraufwand im Rahmen des Projektes so gering wie moumlglich zu halten wird vorgeschlagen das Programm Floodarea der Fa Geomer Heidelberg welches sich bisher in der Praxis bewaumlhrt hat als Basis fuumlr die Simulationen zu verwenden FloodArea ist ein vollstaumlndig in ArcGISreg integriertes 2D-Modell zur Berechnung von Uumlberschwemmungsflaumlchen Wie in Abschnitt 4 bereits erwaumlhnt war der Verfasser dieser Skizze in die Erarbeitung der hydraulischen Kernroutinen dieser Software involviert und kann insofern ihre Einsatz- und Anpassungsmoumlglichkeiten sehr gut abschaumltzen Eine Abstimmung mit Herrn Dr Assmann von der Fa Geomer erfolgte vor dem Verfassen dieser Projektskizze
Folgende Anpassungen bzw Erweiterungen des Programms sollen realisiert werden
Schnittstelle zu den DWD-Radarniederschlagsdaten um die 5-minuumltigen RADOLAN RY-Komposite fuumlr eine instationaumlre 2-dimensionale Modellierung des Oberflaumlchenabflusses verwenden zu koumlnnen(vgl Abschnitt 2)
Einarbeitung der angepassten und erweiterten Ansaumltze zur Ermittlung des abflusswirksamen Niederschlages bei Starkregen
Einarbeitung der uumlberarbeiteten hydraulischen Ansaumltze fuumlr den Oberflaumlchenabfluss in steilen Hanglagen
Fuumlr die in Abschnitt 7 vorgeschlagenen Pilot-Einzugsgebiete sollen fuumlr ausgesuchte Starkregenereignisse (Regensammlung vgl Abschnitt 22) Simulationen des Oberflaumlchenabflusses durchgefuumlhrt werden
Die Ergebnisse dieser Simulationen sollen die hydraulische Grundlage fuumlr die in Abschnitt 6 beschriebenen Starkregen-Gefahrenkarten bilden
Folgende Datengrundlagen sind in die Simulationen des Oberflaumlchenabflusses zu intergrieren
Radarniederschlagsdaten (vgl Abschnitt 2)
ein hoch aufgeloumlstes digitales Gelaumlndemodell aus Laserscandaten Bereits durchgefuumlhrte Simulationen des Landes Baden Wuumlrttemberg im Einzugsgebiet der Starzel und [25] zeigen dass der Einfluss von Kleinstrukturen und Hindernissen (Mauern Graumlben Strassendammprofile) auf den Verlauf des Abflussgeschehens einen groszligen Einfluss haben koumlnnen
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Diese Kleinstrukturen werden allerdings durch das digitale Gelaumlndemodell nicht immer vollstaumlndig abgebildet Ggf muumlssen die Kleinstrukturen nachdigitalisiert werden um das digitale Gelaumlndemodell bdquohydraulischldquo zu vervollstaumlndigen
Gewaumlssernetz
Nutzungsmodell (zB ATKIS ALKIS CORINE LAND COVER) ggf mit Luftbildaufnahmen zur Verifizierung und Praumlzisierung der Nutzung und zur Ermittlung der Bearbeitungsrichtung bei landwirtschaftlichen Flaumlchen Hydraulisch nicht aktive Gebaumludeflaumlchen muumlssen bdquomarkiertldquo werden damit die Simulation an einer moumlglichst reellen Oberflaumlchengeometrie durchgefuumlhrt werden kann
Bodenkarte
Informationen uumlber die Bodenfeuchte oder Betrachtung der Regenmengen in den letzten 30 Tagen
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6 Arbeitspaket 5 Erarbeitung von Starkregen Gefahrenkarten fuumlr das Land Hessen
Wie im einfuumlhrenden Abschnitt 1 erlaumlutert muumlssen aufgrund der zu kurzen Vorwarnzeiten in kleinen Einzugsgebieten die Flaumlchen- und Bauvorsorge intensiviert werden um Schaumlden durch Starkregen und Sturzfluten mindern zu koumlnnen Die dazu notwendigen Informationen uumlber die in dieser Hinsicht gefaumlhrdeten Flaumlchen und deren Nutzung muumlssen bei der angepassten kommunalen Planung beruumlcksichtigt werden Flaumlchennutzungs- und Bebauungsplaumlne sind auf die topographischen Gegebenheiten und auf die Abflusseigenschaften des Gebietes bei Starkregen abzustimmen
Starkregen Hinweis- oder Starkregen Gefahrenkarten koumlnnen als Ergaumlnzung zu den mittlerweile bundesweit eingefuumlhrten Hochwassergefahrenkarten diese Informationen bereitstellen
Die im Folgenden verwendeten Begriffe
Starkregen-Hinweiskarte
Starkregen-Gefahrenkarten oder Flieszligpfadkarten
sind vorlaumlufige Benennungen Wie auch bei den Hochwassergefahrenkarten muss die LAWA fuumlr eine bundesweit einheitliche Benennung Sorge tragen
Aus der Sicht der Verfasser wird ein zweistufiges Vorgehen empfohlen
1 Identifikation der potentiell gefaumlhrdeten Hangflaumlchen und die Erstellung von Starkregen Hinweiskarten
2 Simulation des Oberflaumlchenabflusses der potentiell gefaumlhrdeten Flaumlchen und Erstellung von Starkregen Gefahrenkarten oder Flieszligpfadkarten
Eine flaumlchendeckende Simulation des Oberflaumlchenabflusses im betrachteten Projektraum sollte aufgrund der dabei entstehenden Projekt- bzw Ingenieurkosten uumlberdacht werden
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(Stufe 1) Identifikation der potentiell gefaumlhrdeten Hangflaumlchen und die Erstellung von Starkregen Hinweiskarten
Es wird vorgeschlagen in einem ersten Schritt den betrachteten Projektraum flaumlchendeckend auf potentiell gefaumlhrdete Hangflaumlchen zu untersuchen
Dazu sollen die Gelaumlndeneigung die Bodennutzung sowie die Lage der steilen Hangflaumlchen zu den schadensempfindlichen Flaumlchen (zB Siedlungsgebiete) fachlich miteinander verknuumlpft werden
Beispielsweise lassen sich auf Grundlage der folgenden fachlich begruumlndeten Matrix mit Hilfe der GIS Werkzeuge die potentiell gefaumlhrdeten Hangflaumlchen leicht identifizieren
Gruumlnland Ackerland
Gelaumlndenutzung Gelaumlndeneigung
Be
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ng
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Fallr
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kleiner 5 nicht
gefaumlhrdet wenig
gefaumlhrdet
5 bis 10 maumlszligig
gefaumlhrdet
10 bis 20 maumlszligig
gefaumlhrdet
groszliger 20 stark
gefaumlhrdet sehr stark gefaumlhrdet
sehr stark gefaumlhrdet
Liegen unterhalb stark oder maumlszligig gefaumlhrdeter Flaumlchen Siedlungsgebiete oder sind in den gefaumlhrdeten Flaumlchen Siedlungsentwicklungen geplant ist eine detaillierte Untersuchung des Oberflaumlchenabflusses erforderlich (Stufe 2)
Die bislang verwendeten Kriterien zur Einschaumltzung den potentiell betroffenen Flaumlchen sollten uumlberpruumlft und weiterentwickelt werden
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Beispiel fuumlr eine Starkregen-Hinweiskarte Stadt Nidderau
(Stufe 2) Simulation des Oberflaumlchenabflusses der potentiell gefaumlhrdeten Flaumlchen und Erstellung von Starkregen Gefahrenkarten oder Flieszligpfadkarten
Fuumlr die in Stufe 1 identifizierten gefaumlhrdeten Flaumlchen ist in der zweiten Stufe der Oberflaumlchenabfluss zu simulieren Je nach Groumlszlige des zu betrachtenden Niederschlagseinzugsgebietes oberhalb der gefaumlhrdeten Siedlungsflaumlchen und Infrastrukturen muumlssen aus der Regensammlung (vgl Abschnitt 22) konvektive Ereignisse geeigneter Dauer ausgewaumlhlt werden
Aus der instationaumlren 2D-Simulation erhaumllt man fuumlr definierte Zeitpunkte nach dem Beginn des Niederschlages folgende fuumlr das gewaumlhlte Berechnungsraster raumlumlich aufgeloumlste hydraulisch relevante Grundinformationen
Ist die Flaumlche benetzt (janein)
Wasserstand (bdquoUumlberflutungshoumlheldquo) auf der Flaumlche
Flieszligrichtung und Flieszliggeschwindigkeit auf der Flaumlche
Diese hydraulischen Grundinformationen muumlssen aufbereitet fachlich interpretiert und auf geeignete Weise dargestellt werden
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Letztlich geht es darum die Frage zu klaumlren welche Fachinformationen eine Starkregen-Gefahrenkarte beinhalten sollte
Aus der Sicht der Verfasser sollten in den Gefahrenkarten folgende hydraulische Informationen enthalten sein
Abflussrinnen und Flieszligpfade auf den Hangflaumlchen (Vervollstaumlndigung des Gewaumlssernetzes gegen Flieszligrichtung vgl auch Bild Abschnitt 4 Seite 21)
Starkregen-Gefahrenkarte mit Flieszligpfaden und Flieszligrichtung aus BWK [1]
Wassertiefenentwicklung entlang der Flieszligpfade
Flieszliggeschwindigkeiten entlang der Flieszligpfade
Diese Fachinformationen sollten zusammen mit einem fuumlr den Nutzer geeigneten Kartenhintergrund (Luftbildaufnahmen ALK topographische Karte etc) visualisiert werden
Im Rahmen der Bearbeitung der vorgeschlagenen Pilot-Einzugsgebiete (siehe Abschnitt 7) sind geeignete Inhalte und Darstellungsmoumlglichkeiten fuumlr Starkregen-Gefahrenkarten zu entwickeln
Wie auch bei den Hochwassergefahrenkarten sollte die LAWA fuumlr bundesweit einheitliche Standards der Starkregen-Gefahrenkarten Sorge tragen
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7 Arbeitspaket 6 Modell- Pilotprojekt bdquoUmgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessenldquo
In einem letzten Arbeitsabschnitt sollen anhand ausgesuchter Einzugsgebiete mit Hilfe des in Abschnitt 6 vorgeschlagenen Vorgehens Starkregen-Hinweiskarten und Starkregen-Gefahrenkarten erstellt werden
Die Verwendung von Niederschlagsdaten aus Radarbeobachtungen (vgl Abschnitt 1) und der Einsatz des verbesserten Simulationsmodells (vgl Abschnitte 3 und 4) werden gegenuumlber der heutigen Praxis bessere fachliche Informationen zur Bewaumlltigung von Starkregen-Gefahrenlagen bereitstellen koumlnnen
Folgende Pilot-Einzugsgebiete in hessischen Rheingau werden zur Auswahl gestellt
Walluf (AE=281 kmsup2) Die Walluf besitzt einen Pegel (Martinsthal AE=245 kmsup2 36 km oberhalb der Muumlndung) im Einzugsgebiet An der Hochschule RheinMain steht ein Niederschlags-Abfluss Modell der Walluf zur Verfuumlgung
Erbbach Kisselbach (AE= 106 kmsup2)
Pfingstbach (AE= 84 kmsup2)
Stegbach Blaubach (AE= 127 kmsup2)
Der Hochwasserrisikomanagementplan Rheingau steht zurzeit in der oumlffentlichen Abstimmung und wird im Laufe 2015 fertig gestellt werden Nach Aussage von Frau Tremper des Regierungspraumlsidiums Darmstadt Abteilung IVWi 412 waumlre eine Ergaumlnzung des HWRM-PL Rheingau durch Starkregen-Hinweis- und -Gefahrenkarten der Rheingaubaumlche hilfreich Diese wuumlrden die im HWRM-PL Rheingau betrachteten Rhein-Hochwasserszenarien ergaumlnzen
Arbeitsziel unterstuumltzt durch Studienarbeiten Erstellung von Niederschlags- Abfluss Modellen fuumlr die Rheingaubaumlche Erbach Kisselbach Pfingstbach Stegbach Blaubach
Bei der Erstellung der Starkregen-Hinweiskarten und Starkregen-Gefahrenkarten fuumlr die Pilot-Einzugsgebiete sollen die in Abschnitt 6 weiterentwickelten Ansaumltze erprobt und die Karteninhalte mit den spaumlteren Nutzern diskutiert werden Dabei sollen insbesondere die Kartendarstellung und deren Inhalte den jeweiligen fachlichen Beduumlrfnissen entsprechen
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8 Literatur und Quellen
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[6] Deutscher Wetterdienst (DWD) (Hrsg)(2008) Radarniederschlag-Prinzip der Niederschlagsbestimmung mit Radar inklusive Umrechnung der Radarreflektivitaumlten in Momentanwerte des Niederschlages Version 10
[7] Deutscher Wetterdienst (DWD) Abteilung Hydrometeorologie (Hrsg)(2005) Projekt RADVOR-OP
[8] Deutscher Wetterdienst (DWD) Abteilung Hydrometeorologie (Hrsg)(2012) Projekt RADVOR-OP
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[13] DWA Themen (2010) Abfluumlsse aus extremen Niederschlaumlgen Ergebnisse einer Bestandsaufnahme Hochwasserereignisse und Modellansaumltze zu ihrer Abbildung
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9 Allgemeine Informationen Zeitplan und Ressourcen
91 Allgemeine Informationen
Antragsteller Prof Dr-Ing Ernesto Ruiz Rodriguez Wasserbaulaboratorium am Fachbereich Architektur und Bauingenieurwesen Hochschule RheinMain Kurt-Schumacher-Ring 18 65197 Wiesbaden
Projektbearbeiter Arbeitsgruppe bdquoStarkregen und Sturzflutenldquo am Wasserbaulaboratorium Prof Dr-Ing Ernesto Ruiz Rodriguez (Projektleitung) BEng Lisa Trost (Projektbearbeitung) Frank Salffner (Vermessungstechniker Laborant am Wasserbaulaboratorium und in der EDV- Arbeitsgruppe des Fachbereichs) Die Arbeitsziele werden durch Studienarbeiten des Master- Studienganges bdquoUmweltmanagement und Stadtplanung in Ballungsraumlumenldquo (UMSB) unterstuumltzt
Partnerschaften Kooperationspartner Prof Dr Ralf Doumlrner Hochschule RheinMain
FG Graphische Datenverarbeitung und Virtuelle Realitaumlt Prof Dr Robert Seuszlig Fachhochschule Frankfurt FG Geoinformation und Kommunaltechnik Berufsfeuerwehr Wiesbaden Dr Andreacute Assmann Fa Geomer Heidelberg
gewuumlnschte Zusammenarbeit Deutscher Wetterdienst Abt Hydrometeorologie Projektdauer 4 Jahre (vgl 92 Zeitplan) Eigenmittel Projektleitung durch Prof Dr E Ruiz Rodriguez
Nutzung der Einrichtungen des Wasserbaulaboratoriums der Hochschule RheinMain Unterstuumltzung bei Laborarbeiten und EDV Infrastruktur durch Frank Salffner
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92 Zeitplan
1
Jah
r
2
Jah
r
3
Jah
r
4
Jah
r Bemerkung
Arbeitspaket 1 Verwendung von Radardaten zur Simulation von Starkregen Sturzfluten fuumlr kleine Einzugsgebiete
Beginn der Arbeiten
Klaumlrung der Verfuumlgbarkeit von Radarniederschlagsdaten (fuumlr Modellierer Ingenieurbuumlros)
Aufwand zur Nutzung und Aufbereitung von Radarniederschlagsdaten fuumlr Modellierer Ingenieurbuumlros Erstellung eines Werkzeugs zur Visualisierung der archivierten und aktuellen Radarniederschlagsdaten Erstellung eines Werkzeugs zur Transformation und Projektion der DWD-RADOLAN-RW und RY-Komposit-Radarniederschlagsdaten in Gauszlig-Kruumlger undoder UTM-Projektion Erstellung eines GIS Werkzeugs zur Aufbereitung der DWD-RADOLAN-Komposit-Raster zur Simulation von Starkregen in kleinen Einzugsgebieten
1 Berichterstattung Arbeitspaket 1 (Teil 1)
Auswertung der RADOLAN Radarniederschlagsdaten des DWD
Praxisseminar Kolloquium bdquoVerwendung von Radardaten zur Simulation von Starkregen Sturzfluten in Hessenldquo
Arbeitspaket 2 Uumlberpruumlfung und Anpassung von Modellansaumltze zur Ermittlung des abflusswirksamen Niederschlages bei Starkregen
Uumlberpruumlfung und Anpassung der Modellansaumltze zur Ermittlung des abflusswirksamen Niederschlages bei Starkniederschlaumlgen unter besonderer Beruumlcksichtigung von Bodenfeuchte und Bodenluftkompressionseffekten
Arbeitspaket 3 Uumlberpruumlfung und Anpassung der hydraulischen Ansaumltze zur Berechnung des Oberflaumlchenabflusses bei Starkregen Sturzfluten an steilen Haumlngen
Bau der Versuchsrinne am Wasserbaulaboratorium Durchfuumlhrung und Auswertung der Versuche Uumlberpruumlfung und Anpassung der hydraulischen Ansaumltze zur Berechnung des Oberflaumlchenabflusses
2 Berichterstattung Arbeitspaket 2 und Arbeitspaket 3 (Teil1)
Arbeitspaket 4 Instationaumlre 2ndashdimensionale Modellierung des Oberflaumlchenabflusses bei Starkniederschlaumlgen
Anpassen des 2-dimensionallen Modelles auf instationaumlre Niederschlagsfronten Schnittstelle zu DWD RADOLAN Komposite Einarbeiten der verbesserten Ansaumltze zu Berechnung des abflusswirksamen Niederschlages bei Starkniederschlaumlgen Einarbeiten der verbesserten hydraulischen Ansaumltze
wird fortgesetzt
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1
Jah
r
2
Jah
r
3
Jah
r
4
Jah
r Bemerkung
Arbeitspaket 5 Erarbeitung von Starkregen Gefahrenkarten fuumlr das Land Hessen
Uumlberpruumlfen und Anpassung von fachlichen Kriterien fuumlr die Erstellung von Starkregen-Karten Definition der Inhalte von Starkregen-Hinweiskarten Definition der Inhalte von Starkregen- Gefahrenkarten
3 Berichterstattung Arbeitspaket 3 (Teil 2) Arbeitspaket 4 und Arbeitspaket 5 (Teil1)
Arbeitspaket 6 Modell- Pilotprojekt bdquoUmgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessenldquo
Erarbeitung von Starkregen-Hinweiskarten fuumlr die ausgewaumlhlten Pilot-Einzugsgebiete Erarbeitung von Starkregen-Gefahrenkarten fuumlr die ausgewaumlhlten Pilot-Einzugsgebiete Uumlberpruumlfen der fachlichen Kriterien und Ansaumltze (Arbeitspaket 5) fuumlr die Erstellung von Starkregen-Karten Diskussion uumlber die Starkregen-Karteninhalte und Starkregen-Kartendarstellung mit den Nutzern
4 Berichterstattung Arbeitspaket 5 (Teil 2) und Arbeitspaket 6 (Abschlussbericht)
93 Beantragte Mittel
Zur Durchfuumlhrung und Erreichung der im Antrag beschriebenen Arbeitsziele werden fuumlr das
1 Projektjahr 35000 Euro
2 Projektjahr 35000 Euro
3 Projektjahr 35000 Euro
4 Projektjahr 35000 Euro
beantragt
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1160 cm
280 cm
260 cm
1000 cm
1080 cm
6300 cm280 cm
3000 cm3000 cm
3000 cm 3000 cm
1000 cm624 cm
1500deg
Kipprinne zur Simulation des Oberflaumlchenabflusses an steilen HaumlngenLaumlnge= 630 mBreite= 10 mHoumlhe= 026 mmax Neigungswinkel 45deg
variableBeregnungslaumlnge
Maszligstab 120
1000 cm
260 cm
Sohlsubstrat zur Aufnahmevon kuumlnstlichen Bewuchsstrukturen
Beregnungsanlage mit schwenkbaren Duumlsen zurvertikalen Regensimulation
Wasserkoumlrper desOberflaumlchenabflusses
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1830 cm
2625 cm
Drehpunkt
1330 cm
6300 cm
280 cm
1500deg
Maszligstab 120
Kipprinne zur Simulation des Oberflaumlchenabflusses an steilen HaumlngenLaumlnge= 630 mBreite= 10 mHoumlhe= 026 mmax Neigungswinkel 45deg
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In [33 Kapitel 5] werden die Probleme beim Georeferenzieren der DWD-RADOLAN-Komposite ausfuumlhrlich erlaumlutert
Arbeitsziel unterstuumltzt durch Studienarbeiten Entwurf und Umsetzung eines Werkzeugs zur Transformation und Projektion der DWD-RADOLAN-RW und RY-Komposit-Radarniederschlagsdaten in Gauszlig-Kruumlger undoder UTM-Projektion
Innerhalb des HLUG sollte eine Diskussion zur Festlegung einheitlicher Projektionen fuumlr kuumlnftige wasserwirtschaftliche Projekte im Land Hessen stattfinden
Waumlhrend die in Gauszlig-Kruumlger- oder UTM transformierten Radarniederschlagsdaten in einem Raster von ca 1km x 1km vorliegen koumlnnen die Simulationsmodelle (vgl Abschnitt 0) je nach gewaumlhlten Randbedingungen deutlich kleinere Rasterweiten (zB 5m x 5 m bis 100 m x 100m) verwenden
Fuumlr eine Simulation muss ein gemeinsames Rasters definiert und alle Datengrundlagen in dieses Raster uumlberfuumlhrt werden
Uumlberlagerung eines Transformierten RADOLAN Raster mit Gauszlig-Kruumlger oder UTM Raster
Gauszlig-Kruumlger oder UTM transformiertes RADOLAN Raster (schiefes Veireck 950x950 m)
zur Simulation verwendetes Raster
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Arbeitsziel unterstuumltzt durch Studienarbeit Entwurf und Umsetzung eines GIS Werkzeugs zur Aufbereitung der DWD-RADOLAN-Komposit-Raster zur Simulation von Starkregen in kleinen Einzugsgebieten
23 Auswertung der RADOLAN Radarniederschlagsdaten des DWD
Wie in Abschnitt 2 erlaumlutert koumlnnen die Zugrichtung und die Zuggeschwindigkeit einer konvektiven Starkregenfront Starkregenzelle die Einwirkungsintensitaumlt in einem Niederschlagseinzugsgebiet entscheidend beeinflussen Die Abmessungen der Starkregenfront Starkregenzelle in Verbindung mit der Zuggeschwindigkeit sowie die Regendauer koumlnnen im unguumlnstigen Fall mit der Konzentrationszeit im Niederschlagseinzugsgebiet zusammenfallen und zu einer entscheidenden Verschaumlrfung des Wellenscheitels fuumlhren
Unter der Voraussetzung dass die in Abschnitt 22 beschriebenen Werkzeuge erstellt worden sind sollen nun mit deren Hilfe die historischen RADOLAN Radarniederschlagsdaten ausgewertet werden
Identifizieren von Starkregenfronten Starkregenzellen Hierfuumlr sind Identifikationskriterien zu erarbeiten
Einordnung des Wiederkehrintervalls der Starkregenfront Starkregenzelle (Dauer und Niederschlagsmenge) mit Hilfe der DWD KOSTRA2000-Auswertung
Identifikation und Digitalisierung des Intensitaumltsschwerpunktes der jeweiligen Starkregenfront
Zeitliche Entwicklung der Intensitaumltsverteilung innerhalb der Starkregenfront
Fuumlr jede identifizierte Starkregenfront Starkregenzelle sollen in Abhaumlngigkeit der JahreszeitWetterlage folgende Parameter ermittelt und statistisch ausgewertet werden
Digitalisierung der Abmessungen (Laumlngenausdehnung Breitenausdehnung) und der Form (Laumlngen-Breitenverhaumlltnis oder Flaumlche-Umfangverhaumlltnis)
Digitalisierung der Zugrichtung (Zugbahn Zugtrajektorie) und Zuggeschwindigkeit (im Schwerpunkt der Intensitaumlt)
Darstellung der Abmessungen der Zugrichtungen und Zugbahnen in Karten und Uumlberlagerung mit dem digitalen Gelaumlndemodell
Auf diese Weise koumlnnen eventuell Starkregenschwerpunkte (-regionen) in Hessen identifiziert und in Karten dargestellt werden
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Arbeitsziel unterstuumltzt durch Studienarbeit(en) Auswertung historischer RADOLAN Radarniederschlagsdaten des DWD
24 Praxisseminar Kolloquium bdquoVerwendung von Radardaten zur Simulation von Starkregen Sturzfluten in Hessenldquo
In Zusammenarbeit mit dem Wissenschaftsforum Umwelt und der Weiterbildungsplattform NATURUMWELTTECHNIK (NUT) der Hochschule RheinMain sollen in einem 1-taumlgigen Praxisseminar die Moumlglichkeiten zur Nutzung von Radarniederschlagsdaten zur Simulation von Starkregen Sturzfluten vorgestellt werden
Zielgruppe Ingenieurhydrologen Hydrologen Ingenieurbuumlros (Modellierer) und andere am Thema Interessierten
Die Organisation uumlbernimmt die Weiterbildungsplattform NUT der Hochschule RheinMain Die fachliche Koordination ist durch Prof Dr Ernesto Ruiz Rodriguez und Frau BEng Lisa Trost gesichert Eine partnerschaftliche Koordination durch das HLUG und den DWD ist moumlglich und wird ausdruumlcklich erwuumlnscht
3 Arbeitspaket 2 Uumlberpruumlfung und Anpassung von Modellansaumltze zur Ermittlung des abflusswirksamen Niederschlages bei Starkregen
Unter dem abflusswirksamen (effektiven) Niederschlag versteht man den Anteil des Niederschlages der in einem Einzugsgebiet unmittelbar nach dem Niederschlagsereignis als Direktabfluss wirksam wird
Zu Beginn des Niederschlagsereignisses sind die Verluste idR besonders groszlig (Benetzung der der Vegetationsdecke und Muldenverluste) Bei Starkregen werden diese Speicherraumlume jedoch schnell gefuumlllt und die hohen Niederschlagsintensitaumlten uumlbersteigen oft die Infiltrationsfaumlhigkeit des Bodens und es kommt zum Oberflaumlchenabfluss (vgl auch Abschnitt 4)
Insofern spielt besonders bei Starkregen der Anteil an abflusswirksamen Oberflaumlchenabfluss eine entscheidende Rolle Dieser bildet gemeinsam mit dem oberflaumlchennahen Interflow in der belebten Bodenzone den Hauptanteil am sog abflusswirksamen Niederschlag
Der in der Ingenieurhydrologie am haumlufigsten verwendete Modellansatz zur Ermittlung des abflusswirksamen Niederschlags ist der Ansatz des Abflussbeiwertes Er wird sowohl in der Urbanhydrologie (Kanalnetzberechnung) als auch
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bei der Modellierung von Niederschlags-Abfluss-Prozessen (NA-Modellierung) auf natuumlrlichen Flaumlchen eingesetzt
Abflussbeiwert-Ansaumltze
)()()(
)()(
)(
)(
tititi
titi
ti
ti
vw
w
w
Ψ ndash Abflussbeiwert [-]
i(t) ndash Niederschlagsintensitaumlt [mmh]
iw(t) ndash wirksame Niederschlagsintensitaumlt [mmh]
a) konstanter Abflussbeiwert Ψ
b) Konstanter Abflussbeiwert Ψ mit Anfangsverlust hva
Der Anfangsverlust hva wird durch die Mulden- und Benetzungsverluste begruumlndet
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c) Zeitvarianter Abflussbeiwert Ψ mit oder ohne Anfangsverlust hva
In der Urbanhydrologie wird der konstante Abflussbeiwert Ψ ohne Anfangsverlust hva bei der NA-Modellierung kommt fast immer der konstante Abflussbeiwert Ψ mit Anfangsverlust hva zum Einsatz
Liegen Niederschlags- und Abflussaufzeichnungen des Direktabflusses QD(t) vor und ist der Verlauf des Basisabflusses QB(t) bekannt so kann der Abflussbeiwert Ψ aus der Volumen-Massenbilanz ermittelt werden Der Anfangsverlust hva wird in der Regel mit 3 bis 4 mm Niederschlagshoumlhe geschaumltzt Der gefallene effektive Niederschlag iw(t)=Ψ i(t) findet sich im Direktabfluss QD(t) oberhalb des Basisabflusses QB(t)
RE
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0
Liegen keine Niederschlags undoder Pegelaufzeichnungen vor wird in der Ingenieurpraxis der Abflussbeiwert mit Hilfe oder im Anlehnung an das SCS Verfahrens (US Soil Conversation Service der USA) ermittelt Diese Verfahren wird ua in der
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DVWK-Regel 113 beschrieben Das SCS-Verfahren unterscheidet folgende Bodentypen
Bodentyp A Boumlden mit groszligem Versickerungsvermoumlgen auch nach starker Vorbefeuchtung zB tiefe Sand- und Kiesboumlden
Bodentyp B Boumlden mit mittlerem Versickerungsvermoumlgen tiefe bis maumlszligig tiefe Boumlden mit maumlszligig feiner bis maumlszligig grober Textur zB mitteltiefe Sandboumlden Loumlszlig (schwach) lehmiger Sand
Bodentyp C Boumlden mit geringem Versickerungsvermoumlgen Boumlden mit feiner bis maumlszligig feiner Textur oder mit wasserstauender Schicht zB flache Sandboumlden sandiger Lehm
Bodentyp D Boumlden mit sehr geringem Versickerungsvermoumlgen Ton Boumlden sehr flache Boumlden uumlber nahezu undurchlaumlssigem Material Boumlden mit dauernd sehr hohem Grundwasserspiegel
BodennutzungBodentyp A B C D
Oumldland (ohne nenneswerten Bewuchs) 77 86 91 94
Hackfruumlchte Wein 70 80 87 90
Wein (Terrassen) 64 73 79 82
Getreide Futterpflanzen 64 76 84 88
Weide (normal) 49 69 79 84
Weide (kark) 68 79 86 89
Dauerwiese 30 58 71 78
Wald (stark aufgelockert) 45 66 77 83
Wald (mittel aufgelockert) 36 60 73 79
Wald (dicht) 25 55 70 77
undurchlaumlssige bzw versiegelte Flaumlchen 100 100 100 100
CN-Beiwert des SCS-Verfahrens
In Abhaumlngigkeit der Bodennutzung und des Bodentyps wird fuumlr das Niederschlagseinzugsgebiet ein flaumlchengewichteter CN-Beiwert ermittelt und der effektive Niederschlag hNE berechnet
4258800425
22004252
NN
NNNe
Ch
Chh
N
Ne
h
h
Das Originalverfahren hat Schwaumlchen und wurde mehrfach modifiziert (zB nach Oslashverland Zaiszlig und Lutz) Dabei wurde versucht den Einfluss der aktuellen Bodenfeuchte des Bodens besser zu beruumlcksichtigen Je nach Bodentyp kann diese einen groszligen Einfluss auf den effektiven Niederschlag (vgl auch Abschnitt 41) haben
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Alle diese Ansaumltze beruumlcksichtigen nicht die bei Starkregen beobachteten und in [17] beschriebenen Effekte der Bodenluftkompression die die Infiltrationsfaumlhigkeit des Porenraumes bei hohen Niederschlagsintensitaumlten mindert und somit den Anteil des Oberflaumlchenabflusses erhoumlht
Arbeitsziel unterstuumltzt durch Studienarbeit Uumlberpruumlfung und Anpassung der Modelansaumltze zur Ermittlung des abflusswirksamen Niederschlages bei Starkniederschlaumlgen unter besonderer Beruumlcksichtigung von Bodenfeuchte und Bodenluftkompressionseffekten
Die Verwendung der Radarniederschlagsdaten macht es moumlglich die zeitliche und raumlumliche Niederschlagsverteilung im Einzugsgebiet zu betrachten Da die Niederschlagsintensitaumlten und -mengen im Einzugsgebiet variieren werden sich demzufolge raumlumlich verteilte Abflussbeiwerte ergeben Die oben beschriebenen Ansaumltze zur Ermittlung des abflusswirksamen Oberflaumlchenabflusses muumlssen daraufhin angepasst und ggf weiterentwickelt werden
Arbeitsziel unterstuumltzt durch Studienarbeit Uumlberpruumlfung und Anpassung der Modelansaumltze zur Ermittlung des abflusswirksamen Niederschlages bei raumlumlich und zeitlich sich veraumlndernden Starkniederschlaumlgen
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4 Arbeitspaket 3 Uumlberpruumlfung und Anpassung der hydraulischen Ansaumltze zur Berechnung des Oberflaumlchenabflusses bei Starkregen Sturzfluten an steilen Haumlngen
Beim Oberflaumlchenabfluss muss zwischen dem klassischen Oberflaumlchenabfluss nach Horton (1933) und dem Saumlttigungsoberflaumlchenabfluss unterschieden werden
Der Oberflaumlchenabfluss nach Horton entsteht durch einen Infiltrationsuumlberschuss Die Niederschlagsintensitaumlt ist houmlher als die Infiltrationskapazitaumlt der Boumlden und das nicht infiltrierte Niederschlagswasser flieszligt dann in Fallrichtung auf der Hangoberflaumlche ab
Der Saumlttigungsoberflaumlchenabfluss setzt dann ein wenn der Boden seine maximale Wassersaumlttigung erreicht hat dh das Porenvolumen vollstaumlndig mit Wasser gesaumlttigt ist Bei diesem Abfluss tritt haumlufig Wasser aus einem vergangenen Ereignis wieder aus dem Boden aus (Exfiltration) und vermischt sich mit dem Niederschlag des aktuellen Ereignisses
Im Folgenden wird zunaumlchst nur die Einphasenstroumlmung des Oberflaumlchenwassers betrachtet der Bewegungsbeginn und der Transport von Teilen der Bodenmatrix (Erosion) werden nicht analysiert Der Massentransport koumlnnte nachdem die Bewegungsgleichungen der Einphasenstroumlmung in steilen Haumlngen verifiziert oder korrigiert wurden in spaumlteren Arbeitsschritten betrachtet werden
Fuumlr die Simulation des Oberflaumlchenabflusses an Steilhaumlngen werden aktuell dieselben Ansaumltze verwendet wie zur Berechnung des Oberflaumlchenabflusses auf flachen Uumlberflutungsflaumlchen in Gewaumlssern und auf Auen Die dabei erzielten Ergebnisse scheinen so plausibel sodass die verwendeten Modelle bislang noch nicht hinterfragt wurden Und das obwohl die geometrischen und hydraulischen Randbedingungen an steilen Hanglagen sich von denen auf flachen Uumlberflutungsflaumlchen stark unterscheiden
In diesem Zusammenhang verglich beispielsweise Herr Dipl-Ing Klaus Schmalzl des Wasserwirtschaftsamtes Rosenheim in seinem Vortrag bdquoSturzfluten hydrodynamisch numerisch mit HYDRO_AS-2D berechnenldquo [38] den er im Rahmen des Treffens der Anwender des 2D-Hydrodynamik-Programms HYDRO_AS-2D der Fa Hydrotec am 11Okt 2014 in Muumlnchen hielt das Programm HYDRO_AS-2D welches eigentlich fuumlr die 2-Dimensionale Simulation in Gewaumlssern entwickelt worden ist mit einem bdquoSchweizer Messerldquo welches als Symbol fuumlr einen vielseitigen Einsatz steht
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In Kongress INTERPRAEVENT 2012 in Grenoble [25] wurde bdquoEin neuer Ansatz zur Modellierung von Oberflaumlchenabflussldquo vorgestellt In der Zusammenfassung
bdquoOberflaumlchenabfluss wird als der Teil des Niederschlags verstanden welcher einem Vorfluter uumlber die Bodenoberflaumlche unmittelbar zufliesst Auswertungen von Unwetterereignissen in den letzten Jahren in der Schweiz haben gezeigt dass bis zu 50 der durch Wassergefahren verursachten Schadenfaumllle durch Oberflaumlchenabfluss verursacht worden sind Dennoch ist Oberflaumlchenabfluss in der Schweiz kaum in den Gefahrenkartierungsprozess integriert Um diese Luumlcke zu fuumlllen wurde auf der Basis der Software FloodArea eine Methode entwickelt welche eine Modellierung von Oberflaumlchenabfluss mit einheitlichen Kriterien uumlber grosse Gebiete erlaubt In dieser Studie werden die Methodenentwicklung und zwei Fallstudien vorgestellt Die Resultate zeigen dass an den Raumlndern von Siedlungsflaumlchen und im Landwirtschaftsland gute Ergebnisse erzielt werden Potenziell gefaumlhrdete Gebaumlude oder Bauparzellen werden erkannt Innerhalb von Siedlungsgebieten sind die Differenzen zu realen Ereignissen groumlsser Daher liegt der Fokus von Folgearbeiten auf einer weiteren Verbesserung der Genauigkeit des Gelaumlndemodells und der Integration von zusaumltzlichen Strukturen (zB Kleinbauten) welche Fliesswege entscheidend beeinflussen koumlnnenldquo aus [25]
wird auf die Software FloodArea der Fa Geomer Heidelberg verwiesen
FloodArea und auch HYDRO_AS-2D sind Beispiele von in der Praxis verwendeten Programmen zur Berechnung von Wasserspiegellagen in Gewaumlssern und zur 2-D Uumlberflutungssimulation auf Auen Wie das nachfolgende Bild zeigt sind die mit FloodArea erzielten Simulationsergebnisse plausibel
Oberflaumlchenabflussmodellierung in Busswil (Kanton Bern Schweiz) aus [25]
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Der Verfasser dieser Projektskizze selbst hat in Zusammenarbeit mit der Fa Geomer in Heidelberg die hydraulischen Kernroutinen fuumlr das Programm FloodArea entwickelt und ist daher in der Lage deren Einsatzgrenzen gut beurteilen zu koumlnnen
41 Korrektur der Flieszligformeln zur Simulation des Oberflaumlchenabflusses an steilen Haumlngen
Die nachfolgende Tabelle zeigt die unterschiedlichen Auspraumlgungen von wichtigen hydraulischen und geometrischen Randbedingungen fuumlr den steilen Oberflaumlchenabfluss und fuumlr die Wasserausbreitung auf den vergleichsweise flachen Gewaumlsserauen
Parameter Auspraumlgung
Gewaumlsser und Aue Steile Hanglage
Gefaumllle klein permil bis 10
groszlig 5 bis uumlber 100
Wassertiefe groszlig Dezimeter bis mehrere Meter
klein Duumlnnfilmabfluss bis Dezimeter
Betrachten wir zunaumlchst ein Fluidelement 119889119909 times ℎ times 119880 auf einer steilen Hangflaumlche mit dem Hangneigungswinkel β und formulieren in x- Richtung das Kraumlftegleichgewicht zwischen der hangabwaumlrts treibenden Kraft
119866 times sin 120573 = 119889119909 times ℎ times 119880 times 120588 times 119892 times sin 120573 und der Hangreibungskraft T
119879 = 120591 times 119880 times 119889119909 Man erhaumllt so den bekannten Ansatz fuumlr die Schleppspannung
120591 auf einer Hangflaumlche
120591 = 120588 times 119892 times119860
119880times sin 120573 [
119873
1198982]
dx
Q
vdx cosszlig
h
G
G sinszlig
T
U
Ah
szlig
x
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Mit dem in der turbulenten Hydraulik uumlblich verwendeten Ansatz
120591 =120582
81199072 [
119873
1198982]
ergibt sich die Flieszligformel fuumlr den Oberflaumlchenabfluss
119907 =1
radic120582times radic8 times 119892 times
119860
119880times 119904119894119899 120573 [
119898
119904]
mit
v - mittl Flieszliggeschwindigkeit [ms]
1
radic120582 - Reibungskoeffizient [-]
g - Erdbeschleunigung [mssup2]
A - Abflussquerschnitt [msup2]
U - benetzte Sohle [m]
β - Hangneigungswinkel [Grad]
Da in der Flusshydraulik die Neigungswinkel der Gewaumlssersohlen deutlich kleiner sind als die Neigungswinkel steiler Hanglagen werden die Flieszligformeln vereinfach
119907 =1
radic120582times radic8 times 119892 times
119860
119880times 119868119864
Anstelle des 119904119894119899 120573 wird das Gefaumllle IE verwendet Dh
119904119894119899 120573 = 120573 oder 119904119894119899 120573 = 119905119886119899 120573 = 119868119864
mit
IE - Sohlgefaumllle [minuspermil]
Fuumlr Gefaumllle bis 20 oder 113 Grad Neigung ist diese Vereinfachung vertretbar und liefert gute Ergebnisse Ab Neigungen groumlszliger 20 darf diese Vereinfachung nicht mehr angesetzt werden Bei einer Hangneigung mit 45 Grad oder IE=1=100 Gefaumllle weichen die Ergebnisse fuumlr die Flieszliggeschwindigkeit um 16 ab
radic1 = 1 radic119904119894119899 45 = 07071 = 084 119865119890ℎ119897119890119903 =1minus084
1times 100 = 16
Bei aktuellen Simulationen werden diese Fehler manchmal auch aus Unkenntnis hingenommen oder mit Hilfe des Reibungskoeffizienten der Oberflaumlchen versucht zu korrigieren
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42 Versuchseinrichtung zur Uumlberpruumlfung und Anpassung der Flieszligformeln zur Simulation des Oberflaumlchenabflusses an steilen Haumlngen
Auf dem Gelaumlnde des Wasserbaulaboratoriums der Hochschule RheinMain soll im naumlchsten Sommersemester 2015 eine Versuchseinrichtung zur Simulation von Oberflaumlchenabfluss auf Hanglagen bis 45deg (11 100) errichtet werden
Es soll eine kippbare Versuchsrinne mit einer Breite von 10 m einer Houmlhe von 026 m und einer Laumlnge von 63 m errichtet werden (vgl auch Anlage 1) Zur vertikalen Regensimulation soll uumlber der Versuchsrinne eine Beregnungsanlage mit schwenkbaren Duumlsen angebracht werden
Kipprinne zur Simulation von Oberflaumlchenabfluumlssen an steilen Haumlngen vgl Anlage 1
In einer ersten Phase sollen die in Abschnitt 41 diskutierten hydraulischen Ansaumltze in Versuchen verifiziert werden Hierbei gilt es besonders zu uumlberpruumlfen ob bei sehr kleinen Abflusstiefen (Duumlnnfilmabfluss) die Oberflaumlchenspannung der Wassers bei den Bewegungsgleichungen von Bedeutung ist
Fuumlr die Versuchsreihen koumlnnen die Beregnungslaumlnge die Niederschlagsintensitaumlt und der Neigungswinkel der Versuchsrinne variiert werden
Arbeitsziel unterstuumltzt durch Studienarbeit Uumlberpruumlfung und Anpassung der Flieszligformeln zur Simulation des Oberflaumlchenabflusses an steilen Haumlngen
In einer spaumlteren Versuchsphase soll SohlsubstratBoden eingebracht werden um mit oder ohne kuumlnstlichen Bewuchsstrukturen verschiedene Hangrauheiten simulieren zu koumlnnen Dies soll zur Klaumlrung des Erosionsbeginns der Bodenmatrix beitragen
1000 cm
260 cm
Sohlsubstrat zur Aufnahmevon kuumlnstlichen Bewuchsstrukturen
Beregnungsanlage mit schwenkbaren Duumlsen zurvertikalen Regensimulation
Wasserkoumlrper desOberflaumlchenabflusses
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5 Arbeitspaket 4 Instationaumlre 2ndashdimensionale Modellierung des Oberflaumlchenabflusses bei Starkniederschlaumlgen
Um dem Programmieraufwand im Rahmen des Projektes so gering wie moumlglich zu halten wird vorgeschlagen das Programm Floodarea der Fa Geomer Heidelberg welches sich bisher in der Praxis bewaumlhrt hat als Basis fuumlr die Simulationen zu verwenden FloodArea ist ein vollstaumlndig in ArcGISreg integriertes 2D-Modell zur Berechnung von Uumlberschwemmungsflaumlchen Wie in Abschnitt 4 bereits erwaumlhnt war der Verfasser dieser Skizze in die Erarbeitung der hydraulischen Kernroutinen dieser Software involviert und kann insofern ihre Einsatz- und Anpassungsmoumlglichkeiten sehr gut abschaumltzen Eine Abstimmung mit Herrn Dr Assmann von der Fa Geomer erfolgte vor dem Verfassen dieser Projektskizze
Folgende Anpassungen bzw Erweiterungen des Programms sollen realisiert werden
Schnittstelle zu den DWD-Radarniederschlagsdaten um die 5-minuumltigen RADOLAN RY-Komposite fuumlr eine instationaumlre 2-dimensionale Modellierung des Oberflaumlchenabflusses verwenden zu koumlnnen(vgl Abschnitt 2)
Einarbeitung der angepassten und erweiterten Ansaumltze zur Ermittlung des abflusswirksamen Niederschlages bei Starkregen
Einarbeitung der uumlberarbeiteten hydraulischen Ansaumltze fuumlr den Oberflaumlchenabfluss in steilen Hanglagen
Fuumlr die in Abschnitt 7 vorgeschlagenen Pilot-Einzugsgebiete sollen fuumlr ausgesuchte Starkregenereignisse (Regensammlung vgl Abschnitt 22) Simulationen des Oberflaumlchenabflusses durchgefuumlhrt werden
Die Ergebnisse dieser Simulationen sollen die hydraulische Grundlage fuumlr die in Abschnitt 6 beschriebenen Starkregen-Gefahrenkarten bilden
Folgende Datengrundlagen sind in die Simulationen des Oberflaumlchenabflusses zu intergrieren
Radarniederschlagsdaten (vgl Abschnitt 2)
ein hoch aufgeloumlstes digitales Gelaumlndemodell aus Laserscandaten Bereits durchgefuumlhrte Simulationen des Landes Baden Wuumlrttemberg im Einzugsgebiet der Starzel und [25] zeigen dass der Einfluss von Kleinstrukturen und Hindernissen (Mauern Graumlben Strassendammprofile) auf den Verlauf des Abflussgeschehens einen groszligen Einfluss haben koumlnnen
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Diese Kleinstrukturen werden allerdings durch das digitale Gelaumlndemodell nicht immer vollstaumlndig abgebildet Ggf muumlssen die Kleinstrukturen nachdigitalisiert werden um das digitale Gelaumlndemodell bdquohydraulischldquo zu vervollstaumlndigen
Gewaumlssernetz
Nutzungsmodell (zB ATKIS ALKIS CORINE LAND COVER) ggf mit Luftbildaufnahmen zur Verifizierung und Praumlzisierung der Nutzung und zur Ermittlung der Bearbeitungsrichtung bei landwirtschaftlichen Flaumlchen Hydraulisch nicht aktive Gebaumludeflaumlchen muumlssen bdquomarkiertldquo werden damit die Simulation an einer moumlglichst reellen Oberflaumlchengeometrie durchgefuumlhrt werden kann
Bodenkarte
Informationen uumlber die Bodenfeuchte oder Betrachtung der Regenmengen in den letzten 30 Tagen
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6 Arbeitspaket 5 Erarbeitung von Starkregen Gefahrenkarten fuumlr das Land Hessen
Wie im einfuumlhrenden Abschnitt 1 erlaumlutert muumlssen aufgrund der zu kurzen Vorwarnzeiten in kleinen Einzugsgebieten die Flaumlchen- und Bauvorsorge intensiviert werden um Schaumlden durch Starkregen und Sturzfluten mindern zu koumlnnen Die dazu notwendigen Informationen uumlber die in dieser Hinsicht gefaumlhrdeten Flaumlchen und deren Nutzung muumlssen bei der angepassten kommunalen Planung beruumlcksichtigt werden Flaumlchennutzungs- und Bebauungsplaumlne sind auf die topographischen Gegebenheiten und auf die Abflusseigenschaften des Gebietes bei Starkregen abzustimmen
Starkregen Hinweis- oder Starkregen Gefahrenkarten koumlnnen als Ergaumlnzung zu den mittlerweile bundesweit eingefuumlhrten Hochwassergefahrenkarten diese Informationen bereitstellen
Die im Folgenden verwendeten Begriffe
Starkregen-Hinweiskarte
Starkregen-Gefahrenkarten oder Flieszligpfadkarten
sind vorlaumlufige Benennungen Wie auch bei den Hochwassergefahrenkarten muss die LAWA fuumlr eine bundesweit einheitliche Benennung Sorge tragen
Aus der Sicht der Verfasser wird ein zweistufiges Vorgehen empfohlen
1 Identifikation der potentiell gefaumlhrdeten Hangflaumlchen und die Erstellung von Starkregen Hinweiskarten
2 Simulation des Oberflaumlchenabflusses der potentiell gefaumlhrdeten Flaumlchen und Erstellung von Starkregen Gefahrenkarten oder Flieszligpfadkarten
Eine flaumlchendeckende Simulation des Oberflaumlchenabflusses im betrachteten Projektraum sollte aufgrund der dabei entstehenden Projekt- bzw Ingenieurkosten uumlberdacht werden
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(Stufe 1) Identifikation der potentiell gefaumlhrdeten Hangflaumlchen und die Erstellung von Starkregen Hinweiskarten
Es wird vorgeschlagen in einem ersten Schritt den betrachteten Projektraum flaumlchendeckend auf potentiell gefaumlhrdete Hangflaumlchen zu untersuchen
Dazu sollen die Gelaumlndeneigung die Bodennutzung sowie die Lage der steilen Hangflaumlchen zu den schadensempfindlichen Flaumlchen (zB Siedlungsgebiete) fachlich miteinander verknuumlpft werden
Beispielsweise lassen sich auf Grundlage der folgenden fachlich begruumlndeten Matrix mit Hilfe der GIS Werkzeuge die potentiell gefaumlhrdeten Hangflaumlchen leicht identifizieren
Gruumlnland Ackerland
Gelaumlndenutzung Gelaumlndeneigung
Be
arb
eitu
ng
que
r zur
Fallr
ich
tun
g
Be
arb
eitu
ng
in
Fallr
ich
tun
g
kleiner 5 nicht
gefaumlhrdet wenig
gefaumlhrdet
5 bis 10 maumlszligig
gefaumlhrdet
10 bis 20 maumlszligig
gefaumlhrdet
groszliger 20 stark
gefaumlhrdet sehr stark gefaumlhrdet
sehr stark gefaumlhrdet
Liegen unterhalb stark oder maumlszligig gefaumlhrdeter Flaumlchen Siedlungsgebiete oder sind in den gefaumlhrdeten Flaumlchen Siedlungsentwicklungen geplant ist eine detaillierte Untersuchung des Oberflaumlchenabflusses erforderlich (Stufe 2)
Die bislang verwendeten Kriterien zur Einschaumltzung den potentiell betroffenen Flaumlchen sollten uumlberpruumlft und weiterentwickelt werden
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Beispiel fuumlr eine Starkregen-Hinweiskarte Stadt Nidderau
(Stufe 2) Simulation des Oberflaumlchenabflusses der potentiell gefaumlhrdeten Flaumlchen und Erstellung von Starkregen Gefahrenkarten oder Flieszligpfadkarten
Fuumlr die in Stufe 1 identifizierten gefaumlhrdeten Flaumlchen ist in der zweiten Stufe der Oberflaumlchenabfluss zu simulieren Je nach Groumlszlige des zu betrachtenden Niederschlagseinzugsgebietes oberhalb der gefaumlhrdeten Siedlungsflaumlchen und Infrastrukturen muumlssen aus der Regensammlung (vgl Abschnitt 22) konvektive Ereignisse geeigneter Dauer ausgewaumlhlt werden
Aus der instationaumlren 2D-Simulation erhaumllt man fuumlr definierte Zeitpunkte nach dem Beginn des Niederschlages folgende fuumlr das gewaumlhlte Berechnungsraster raumlumlich aufgeloumlste hydraulisch relevante Grundinformationen
Ist die Flaumlche benetzt (janein)
Wasserstand (bdquoUumlberflutungshoumlheldquo) auf der Flaumlche
Flieszligrichtung und Flieszliggeschwindigkeit auf der Flaumlche
Diese hydraulischen Grundinformationen muumlssen aufbereitet fachlich interpretiert und auf geeignete Weise dargestellt werden
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Letztlich geht es darum die Frage zu klaumlren welche Fachinformationen eine Starkregen-Gefahrenkarte beinhalten sollte
Aus der Sicht der Verfasser sollten in den Gefahrenkarten folgende hydraulische Informationen enthalten sein
Abflussrinnen und Flieszligpfade auf den Hangflaumlchen (Vervollstaumlndigung des Gewaumlssernetzes gegen Flieszligrichtung vgl auch Bild Abschnitt 4 Seite 21)
Starkregen-Gefahrenkarte mit Flieszligpfaden und Flieszligrichtung aus BWK [1]
Wassertiefenentwicklung entlang der Flieszligpfade
Flieszliggeschwindigkeiten entlang der Flieszligpfade
Diese Fachinformationen sollten zusammen mit einem fuumlr den Nutzer geeigneten Kartenhintergrund (Luftbildaufnahmen ALK topographische Karte etc) visualisiert werden
Im Rahmen der Bearbeitung der vorgeschlagenen Pilot-Einzugsgebiete (siehe Abschnitt 7) sind geeignete Inhalte und Darstellungsmoumlglichkeiten fuumlr Starkregen-Gefahrenkarten zu entwickeln
Wie auch bei den Hochwassergefahrenkarten sollte die LAWA fuumlr bundesweit einheitliche Standards der Starkregen-Gefahrenkarten Sorge tragen
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7 Arbeitspaket 6 Modell- Pilotprojekt bdquoUmgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessenldquo
In einem letzten Arbeitsabschnitt sollen anhand ausgesuchter Einzugsgebiete mit Hilfe des in Abschnitt 6 vorgeschlagenen Vorgehens Starkregen-Hinweiskarten und Starkregen-Gefahrenkarten erstellt werden
Die Verwendung von Niederschlagsdaten aus Radarbeobachtungen (vgl Abschnitt 1) und der Einsatz des verbesserten Simulationsmodells (vgl Abschnitte 3 und 4) werden gegenuumlber der heutigen Praxis bessere fachliche Informationen zur Bewaumlltigung von Starkregen-Gefahrenlagen bereitstellen koumlnnen
Folgende Pilot-Einzugsgebiete in hessischen Rheingau werden zur Auswahl gestellt
Walluf (AE=281 kmsup2) Die Walluf besitzt einen Pegel (Martinsthal AE=245 kmsup2 36 km oberhalb der Muumlndung) im Einzugsgebiet An der Hochschule RheinMain steht ein Niederschlags-Abfluss Modell der Walluf zur Verfuumlgung
Erbbach Kisselbach (AE= 106 kmsup2)
Pfingstbach (AE= 84 kmsup2)
Stegbach Blaubach (AE= 127 kmsup2)
Der Hochwasserrisikomanagementplan Rheingau steht zurzeit in der oumlffentlichen Abstimmung und wird im Laufe 2015 fertig gestellt werden Nach Aussage von Frau Tremper des Regierungspraumlsidiums Darmstadt Abteilung IVWi 412 waumlre eine Ergaumlnzung des HWRM-PL Rheingau durch Starkregen-Hinweis- und -Gefahrenkarten der Rheingaubaumlche hilfreich Diese wuumlrden die im HWRM-PL Rheingau betrachteten Rhein-Hochwasserszenarien ergaumlnzen
Arbeitsziel unterstuumltzt durch Studienarbeiten Erstellung von Niederschlags- Abfluss Modellen fuumlr die Rheingaubaumlche Erbach Kisselbach Pfingstbach Stegbach Blaubach
Bei der Erstellung der Starkregen-Hinweiskarten und Starkregen-Gefahrenkarten fuumlr die Pilot-Einzugsgebiete sollen die in Abschnitt 6 weiterentwickelten Ansaumltze erprobt und die Karteninhalte mit den spaumlteren Nutzern diskutiert werden Dabei sollen insbesondere die Kartendarstellung und deren Inhalte den jeweiligen fachlichen Beduumlrfnissen entsprechen
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8 Literatur und Quellen
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[11] DWA Regelwerk Merkblatt DWA-M 153 (2007) Handlungsempfehlungen zum Umgang mit Regenwasser
[12] DWA Kommentar zum DWA Regelwerk (2008) Planung Bau und Betrieb von Anlagen zur Versickerung von Niederschlagswasser
[13] DWA Themen (2010) Abfluumlsse aus extremen Niederschlaumlgen Ergebnisse einer Bestandsaufnahme Hochwasserereignisse und Modellansaumltze zu ihrer Abbildung
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[31] MARX A (2006) Einsatz gekoppelter Modelle und Wetterradar zur Abschaumltzung von Niederschlagsintensitaumlten und zur Abflussvorhersage In Universitaumlt Stuttgart Institut fuumlr Wasserbau (Hrsg) Mitteilungen - Institut fuumlr Wasserbau Universitaumlt Stuttgart 160
[32] Ministerium fuumlr Umwelt und Forsten Rheinland Pfalz (2000) Naturnaher Umgang mit Niederschlagswasser Konzeption und ausgefuumlhrte Beispiele Mainz
[33] PEUszligNER J (2013) Untersuchung der Nutzbarkeit von zeitlich hoch aufgeloumlsten Radardaten des Niederschlags zur verbesserten Simulation des Bodenabtrags durch Wasser Masterarbeit Institut fuumlr Physische Geographie und Landschaftsoumlkologie Universitaumlt Hannover
[34] PFAFF T (2012) Processing and Analysis of Weather Radar Data for Use in Hydrologie In Universitaumlt Stuttgart Institut fuumlr Wasser- und Umweltsystemmodellierung (Hrsg) Mitteilungen - Institut fuumlr Wasser- und Umweltsystemmodellierung Universitaumlt Stuttgart 216
[35] PLATE E J ZEHE E (Hrsg)(2008) Hydrologie und Stoffdynamik kleiner Einzugsgebiete Prozesse und Modelle Verlagsbuchhandlung Schweizerbart
[36] SCHATZL R (2001) Skalenabhaumlngiger Vergleich zwischen Wetterradardaten und Niederschlagsmessungen In TU Graz (Hrsg) Schriftenreihe zur Wasserwirtschaft Technische Universitaumlt Graz 39
[37] SCHAumlDEL W (2006) Schritte zur Verbesserung einer Hochwasserfruumlhwarnung mittels Online-Bodenfeuchtemessungen Dissertation Universitaumlt Karlsruhe (TH)
[38] SCHMALZL K (2014) Sturzfluten hydrodynamisch numerisch mit HYDRO-AS-2D berechnen Wasserwirtschaftsamt Rosenheim
[39] Stadt Graz (2013) Flieszligpfadkarte Graz
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Projektskizze Umgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessen (Arbeitstitel) Januar 2015 Seite 35
[40] THUNIG S (2004) Berechnung der Hochwasserscheitelminderung der Windach am Auslass des Windachspeichers durch den Bau zweier geplanter Retentionsbecken Diplomarbeit Institut fuumlr Wasserwesen Universitaumlt der Bundeswehr Muumlnchen
[41] Verein Deutscher Ingenieure (2014) Umweltmeteorologie Bodengebundene Fernmessung des Niederschlags Wetterradar In VDI-Richtlinien
[42] WETZEL M (2005) Modellierung der Hangwasserdynamik eines Untersuchungsgebietes im Nationalpark Hainich mit dem Modell HYDRUS-2D Diplomarbeit Universitaumlt Jena
[43] WINTERRATH T Dr WEIGL E (2012) RADOLAN RADVOR-OP und die RADOLAN-Klimatologie Status und Plaumlne In DWD (Hrsg) DWD-Kundenforum Hydrometeorologie Offenbach
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9 Allgemeine Informationen Zeitplan und Ressourcen
91 Allgemeine Informationen
Antragsteller Prof Dr-Ing Ernesto Ruiz Rodriguez Wasserbaulaboratorium am Fachbereich Architektur und Bauingenieurwesen Hochschule RheinMain Kurt-Schumacher-Ring 18 65197 Wiesbaden
Projektbearbeiter Arbeitsgruppe bdquoStarkregen und Sturzflutenldquo am Wasserbaulaboratorium Prof Dr-Ing Ernesto Ruiz Rodriguez (Projektleitung) BEng Lisa Trost (Projektbearbeitung) Frank Salffner (Vermessungstechniker Laborant am Wasserbaulaboratorium und in der EDV- Arbeitsgruppe des Fachbereichs) Die Arbeitsziele werden durch Studienarbeiten des Master- Studienganges bdquoUmweltmanagement und Stadtplanung in Ballungsraumlumenldquo (UMSB) unterstuumltzt
Partnerschaften Kooperationspartner Prof Dr Ralf Doumlrner Hochschule RheinMain
FG Graphische Datenverarbeitung und Virtuelle Realitaumlt Prof Dr Robert Seuszlig Fachhochschule Frankfurt FG Geoinformation und Kommunaltechnik Berufsfeuerwehr Wiesbaden Dr Andreacute Assmann Fa Geomer Heidelberg
gewuumlnschte Zusammenarbeit Deutscher Wetterdienst Abt Hydrometeorologie Projektdauer 4 Jahre (vgl 92 Zeitplan) Eigenmittel Projektleitung durch Prof Dr E Ruiz Rodriguez
Nutzung der Einrichtungen des Wasserbaulaboratoriums der Hochschule RheinMain Unterstuumltzung bei Laborarbeiten und EDV Infrastruktur durch Frank Salffner
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Projektskizze Umgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessen (Arbeitstitel) Januar 2015 Seite 37
92 Zeitplan
1
Jah
r
2
Jah
r
3
Jah
r
4
Jah
r Bemerkung
Arbeitspaket 1 Verwendung von Radardaten zur Simulation von Starkregen Sturzfluten fuumlr kleine Einzugsgebiete
Beginn der Arbeiten
Klaumlrung der Verfuumlgbarkeit von Radarniederschlagsdaten (fuumlr Modellierer Ingenieurbuumlros)
Aufwand zur Nutzung und Aufbereitung von Radarniederschlagsdaten fuumlr Modellierer Ingenieurbuumlros Erstellung eines Werkzeugs zur Visualisierung der archivierten und aktuellen Radarniederschlagsdaten Erstellung eines Werkzeugs zur Transformation und Projektion der DWD-RADOLAN-RW und RY-Komposit-Radarniederschlagsdaten in Gauszlig-Kruumlger undoder UTM-Projektion Erstellung eines GIS Werkzeugs zur Aufbereitung der DWD-RADOLAN-Komposit-Raster zur Simulation von Starkregen in kleinen Einzugsgebieten
1 Berichterstattung Arbeitspaket 1 (Teil 1)
Auswertung der RADOLAN Radarniederschlagsdaten des DWD
Praxisseminar Kolloquium bdquoVerwendung von Radardaten zur Simulation von Starkregen Sturzfluten in Hessenldquo
Arbeitspaket 2 Uumlberpruumlfung und Anpassung von Modellansaumltze zur Ermittlung des abflusswirksamen Niederschlages bei Starkregen
Uumlberpruumlfung und Anpassung der Modellansaumltze zur Ermittlung des abflusswirksamen Niederschlages bei Starkniederschlaumlgen unter besonderer Beruumlcksichtigung von Bodenfeuchte und Bodenluftkompressionseffekten
Arbeitspaket 3 Uumlberpruumlfung und Anpassung der hydraulischen Ansaumltze zur Berechnung des Oberflaumlchenabflusses bei Starkregen Sturzfluten an steilen Haumlngen
Bau der Versuchsrinne am Wasserbaulaboratorium Durchfuumlhrung und Auswertung der Versuche Uumlberpruumlfung und Anpassung der hydraulischen Ansaumltze zur Berechnung des Oberflaumlchenabflusses
2 Berichterstattung Arbeitspaket 2 und Arbeitspaket 3 (Teil1)
Arbeitspaket 4 Instationaumlre 2ndashdimensionale Modellierung des Oberflaumlchenabflusses bei Starkniederschlaumlgen
Anpassen des 2-dimensionallen Modelles auf instationaumlre Niederschlagsfronten Schnittstelle zu DWD RADOLAN Komposite Einarbeiten der verbesserten Ansaumltze zu Berechnung des abflusswirksamen Niederschlages bei Starkniederschlaumlgen Einarbeiten der verbesserten hydraulischen Ansaumltze
wird fortgesetzt
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1
Jah
r
2
Jah
r
3
Jah
r
4
Jah
r Bemerkung
Arbeitspaket 5 Erarbeitung von Starkregen Gefahrenkarten fuumlr das Land Hessen
Uumlberpruumlfen und Anpassung von fachlichen Kriterien fuumlr die Erstellung von Starkregen-Karten Definition der Inhalte von Starkregen-Hinweiskarten Definition der Inhalte von Starkregen- Gefahrenkarten
3 Berichterstattung Arbeitspaket 3 (Teil 2) Arbeitspaket 4 und Arbeitspaket 5 (Teil1)
Arbeitspaket 6 Modell- Pilotprojekt bdquoUmgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessenldquo
Erarbeitung von Starkregen-Hinweiskarten fuumlr die ausgewaumlhlten Pilot-Einzugsgebiete Erarbeitung von Starkregen-Gefahrenkarten fuumlr die ausgewaumlhlten Pilot-Einzugsgebiete Uumlberpruumlfen der fachlichen Kriterien und Ansaumltze (Arbeitspaket 5) fuumlr die Erstellung von Starkregen-Karten Diskussion uumlber die Starkregen-Karteninhalte und Starkregen-Kartendarstellung mit den Nutzern
4 Berichterstattung Arbeitspaket 5 (Teil 2) und Arbeitspaket 6 (Abschlussbericht)
93 Beantragte Mittel
Zur Durchfuumlhrung und Erreichung der im Antrag beschriebenen Arbeitsziele werden fuumlr das
1 Projektjahr 35000 Euro
2 Projektjahr 35000 Euro
3 Projektjahr 35000 Euro
4 Projektjahr 35000 Euro
beantragt
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Projektskizze Umgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessen (Arbeitstitel) Januar 2015 Anlage 1
1160 cm
280 cm
260 cm
1000 cm
1080 cm
6300 cm280 cm
3000 cm3000 cm
3000 cm 3000 cm
1000 cm624 cm
1500deg
Kipprinne zur Simulation des Oberflaumlchenabflusses an steilen HaumlngenLaumlnge= 630 mBreite= 10 mHoumlhe= 026 mmax Neigungswinkel 45deg
variableBeregnungslaumlnge
Maszligstab 120
1000 cm
260 cm
Sohlsubstrat zur Aufnahmevon kuumlnstlichen Bewuchsstrukturen
Beregnungsanlage mit schwenkbaren Duumlsen zurvertikalen Regensimulation
Wasserkoumlrper desOberflaumlchenabflusses
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Projektskizze Umgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessen (Arbeitstitel) Januar 2015 Anlage 1
1830 cm
2625 cm
Drehpunkt
1330 cm
6300 cm
280 cm
1500deg
Maszligstab 120
Kipprinne zur Simulation des Oberflaumlchenabflusses an steilen HaumlngenLaumlnge= 630 mBreite= 10 mHoumlhe= 026 mmax Neigungswinkel 45deg
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Arbeitsziel unterstuumltzt durch Studienarbeit Entwurf und Umsetzung eines GIS Werkzeugs zur Aufbereitung der DWD-RADOLAN-Komposit-Raster zur Simulation von Starkregen in kleinen Einzugsgebieten
23 Auswertung der RADOLAN Radarniederschlagsdaten des DWD
Wie in Abschnitt 2 erlaumlutert koumlnnen die Zugrichtung und die Zuggeschwindigkeit einer konvektiven Starkregenfront Starkregenzelle die Einwirkungsintensitaumlt in einem Niederschlagseinzugsgebiet entscheidend beeinflussen Die Abmessungen der Starkregenfront Starkregenzelle in Verbindung mit der Zuggeschwindigkeit sowie die Regendauer koumlnnen im unguumlnstigen Fall mit der Konzentrationszeit im Niederschlagseinzugsgebiet zusammenfallen und zu einer entscheidenden Verschaumlrfung des Wellenscheitels fuumlhren
Unter der Voraussetzung dass die in Abschnitt 22 beschriebenen Werkzeuge erstellt worden sind sollen nun mit deren Hilfe die historischen RADOLAN Radarniederschlagsdaten ausgewertet werden
Identifizieren von Starkregenfronten Starkregenzellen Hierfuumlr sind Identifikationskriterien zu erarbeiten
Einordnung des Wiederkehrintervalls der Starkregenfront Starkregenzelle (Dauer und Niederschlagsmenge) mit Hilfe der DWD KOSTRA2000-Auswertung
Identifikation und Digitalisierung des Intensitaumltsschwerpunktes der jeweiligen Starkregenfront
Zeitliche Entwicklung der Intensitaumltsverteilung innerhalb der Starkregenfront
Fuumlr jede identifizierte Starkregenfront Starkregenzelle sollen in Abhaumlngigkeit der JahreszeitWetterlage folgende Parameter ermittelt und statistisch ausgewertet werden
Digitalisierung der Abmessungen (Laumlngenausdehnung Breitenausdehnung) und der Form (Laumlngen-Breitenverhaumlltnis oder Flaumlche-Umfangverhaumlltnis)
Digitalisierung der Zugrichtung (Zugbahn Zugtrajektorie) und Zuggeschwindigkeit (im Schwerpunkt der Intensitaumlt)
Darstellung der Abmessungen der Zugrichtungen und Zugbahnen in Karten und Uumlberlagerung mit dem digitalen Gelaumlndemodell
Auf diese Weise koumlnnen eventuell Starkregenschwerpunkte (-regionen) in Hessen identifiziert und in Karten dargestellt werden
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Arbeitsziel unterstuumltzt durch Studienarbeit(en) Auswertung historischer RADOLAN Radarniederschlagsdaten des DWD
24 Praxisseminar Kolloquium bdquoVerwendung von Radardaten zur Simulation von Starkregen Sturzfluten in Hessenldquo
In Zusammenarbeit mit dem Wissenschaftsforum Umwelt und der Weiterbildungsplattform NATURUMWELTTECHNIK (NUT) der Hochschule RheinMain sollen in einem 1-taumlgigen Praxisseminar die Moumlglichkeiten zur Nutzung von Radarniederschlagsdaten zur Simulation von Starkregen Sturzfluten vorgestellt werden
Zielgruppe Ingenieurhydrologen Hydrologen Ingenieurbuumlros (Modellierer) und andere am Thema Interessierten
Die Organisation uumlbernimmt die Weiterbildungsplattform NUT der Hochschule RheinMain Die fachliche Koordination ist durch Prof Dr Ernesto Ruiz Rodriguez und Frau BEng Lisa Trost gesichert Eine partnerschaftliche Koordination durch das HLUG und den DWD ist moumlglich und wird ausdruumlcklich erwuumlnscht
3 Arbeitspaket 2 Uumlberpruumlfung und Anpassung von Modellansaumltze zur Ermittlung des abflusswirksamen Niederschlages bei Starkregen
Unter dem abflusswirksamen (effektiven) Niederschlag versteht man den Anteil des Niederschlages der in einem Einzugsgebiet unmittelbar nach dem Niederschlagsereignis als Direktabfluss wirksam wird
Zu Beginn des Niederschlagsereignisses sind die Verluste idR besonders groszlig (Benetzung der der Vegetationsdecke und Muldenverluste) Bei Starkregen werden diese Speicherraumlume jedoch schnell gefuumlllt und die hohen Niederschlagsintensitaumlten uumlbersteigen oft die Infiltrationsfaumlhigkeit des Bodens und es kommt zum Oberflaumlchenabfluss (vgl auch Abschnitt 4)
Insofern spielt besonders bei Starkregen der Anteil an abflusswirksamen Oberflaumlchenabfluss eine entscheidende Rolle Dieser bildet gemeinsam mit dem oberflaumlchennahen Interflow in der belebten Bodenzone den Hauptanteil am sog abflusswirksamen Niederschlag
Der in der Ingenieurhydrologie am haumlufigsten verwendete Modellansatz zur Ermittlung des abflusswirksamen Niederschlags ist der Ansatz des Abflussbeiwertes Er wird sowohl in der Urbanhydrologie (Kanalnetzberechnung) als auch
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bei der Modellierung von Niederschlags-Abfluss-Prozessen (NA-Modellierung) auf natuumlrlichen Flaumlchen eingesetzt
Abflussbeiwert-Ansaumltze
)()()(
)()(
)(
)(
tititi
titi
ti
ti
vw
w
w
Ψ ndash Abflussbeiwert [-]
i(t) ndash Niederschlagsintensitaumlt [mmh]
iw(t) ndash wirksame Niederschlagsintensitaumlt [mmh]
a) konstanter Abflussbeiwert Ψ
b) Konstanter Abflussbeiwert Ψ mit Anfangsverlust hva
Der Anfangsverlust hva wird durch die Mulden- und Benetzungsverluste begruumlndet
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c) Zeitvarianter Abflussbeiwert Ψ mit oder ohne Anfangsverlust hva
In der Urbanhydrologie wird der konstante Abflussbeiwert Ψ ohne Anfangsverlust hva bei der NA-Modellierung kommt fast immer der konstante Abflussbeiwert Ψ mit Anfangsverlust hva zum Einsatz
Liegen Niederschlags- und Abflussaufzeichnungen des Direktabflusses QD(t) vor und ist der Verlauf des Basisabflusses QB(t) bekannt so kann der Abflussbeiwert Ψ aus der Volumen-Massenbilanz ermittelt werden Der Anfangsverlust hva wird in der Regel mit 3 bis 4 mm Niederschlagshoumlhe geschaumltzt Der gefallene effektive Niederschlag iw(t)=Ψ i(t) findet sich im Direktabfluss QD(t) oberhalb des Basisabflusses QB(t)
RE
RA
w
e
D
t
t
iE
t
t
DQ VdttiAdttQV )()(
0
Liegen keine Niederschlags undoder Pegelaufzeichnungen vor wird in der Ingenieurpraxis der Abflussbeiwert mit Hilfe oder im Anlehnung an das SCS Verfahrens (US Soil Conversation Service der USA) ermittelt Diese Verfahren wird ua in der
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DVWK-Regel 113 beschrieben Das SCS-Verfahren unterscheidet folgende Bodentypen
Bodentyp A Boumlden mit groszligem Versickerungsvermoumlgen auch nach starker Vorbefeuchtung zB tiefe Sand- und Kiesboumlden
Bodentyp B Boumlden mit mittlerem Versickerungsvermoumlgen tiefe bis maumlszligig tiefe Boumlden mit maumlszligig feiner bis maumlszligig grober Textur zB mitteltiefe Sandboumlden Loumlszlig (schwach) lehmiger Sand
Bodentyp C Boumlden mit geringem Versickerungsvermoumlgen Boumlden mit feiner bis maumlszligig feiner Textur oder mit wasserstauender Schicht zB flache Sandboumlden sandiger Lehm
Bodentyp D Boumlden mit sehr geringem Versickerungsvermoumlgen Ton Boumlden sehr flache Boumlden uumlber nahezu undurchlaumlssigem Material Boumlden mit dauernd sehr hohem Grundwasserspiegel
BodennutzungBodentyp A B C D
Oumldland (ohne nenneswerten Bewuchs) 77 86 91 94
Hackfruumlchte Wein 70 80 87 90
Wein (Terrassen) 64 73 79 82
Getreide Futterpflanzen 64 76 84 88
Weide (normal) 49 69 79 84
Weide (kark) 68 79 86 89
Dauerwiese 30 58 71 78
Wald (stark aufgelockert) 45 66 77 83
Wald (mittel aufgelockert) 36 60 73 79
Wald (dicht) 25 55 70 77
undurchlaumlssige bzw versiegelte Flaumlchen 100 100 100 100
CN-Beiwert des SCS-Verfahrens
In Abhaumlngigkeit der Bodennutzung und des Bodentyps wird fuumlr das Niederschlagseinzugsgebiet ein flaumlchengewichteter CN-Beiwert ermittelt und der effektive Niederschlag hNE berechnet
4258800425
22004252
NN
NNNe
Ch
Chh
N
Ne
h
h
Das Originalverfahren hat Schwaumlchen und wurde mehrfach modifiziert (zB nach Oslashverland Zaiszlig und Lutz) Dabei wurde versucht den Einfluss der aktuellen Bodenfeuchte des Bodens besser zu beruumlcksichtigen Je nach Bodentyp kann diese einen groszligen Einfluss auf den effektiven Niederschlag (vgl auch Abschnitt 41) haben
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Alle diese Ansaumltze beruumlcksichtigen nicht die bei Starkregen beobachteten und in [17] beschriebenen Effekte der Bodenluftkompression die die Infiltrationsfaumlhigkeit des Porenraumes bei hohen Niederschlagsintensitaumlten mindert und somit den Anteil des Oberflaumlchenabflusses erhoumlht
Arbeitsziel unterstuumltzt durch Studienarbeit Uumlberpruumlfung und Anpassung der Modelansaumltze zur Ermittlung des abflusswirksamen Niederschlages bei Starkniederschlaumlgen unter besonderer Beruumlcksichtigung von Bodenfeuchte und Bodenluftkompressionseffekten
Die Verwendung der Radarniederschlagsdaten macht es moumlglich die zeitliche und raumlumliche Niederschlagsverteilung im Einzugsgebiet zu betrachten Da die Niederschlagsintensitaumlten und -mengen im Einzugsgebiet variieren werden sich demzufolge raumlumlich verteilte Abflussbeiwerte ergeben Die oben beschriebenen Ansaumltze zur Ermittlung des abflusswirksamen Oberflaumlchenabflusses muumlssen daraufhin angepasst und ggf weiterentwickelt werden
Arbeitsziel unterstuumltzt durch Studienarbeit Uumlberpruumlfung und Anpassung der Modelansaumltze zur Ermittlung des abflusswirksamen Niederschlages bei raumlumlich und zeitlich sich veraumlndernden Starkniederschlaumlgen
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4 Arbeitspaket 3 Uumlberpruumlfung und Anpassung der hydraulischen Ansaumltze zur Berechnung des Oberflaumlchenabflusses bei Starkregen Sturzfluten an steilen Haumlngen
Beim Oberflaumlchenabfluss muss zwischen dem klassischen Oberflaumlchenabfluss nach Horton (1933) und dem Saumlttigungsoberflaumlchenabfluss unterschieden werden
Der Oberflaumlchenabfluss nach Horton entsteht durch einen Infiltrationsuumlberschuss Die Niederschlagsintensitaumlt ist houmlher als die Infiltrationskapazitaumlt der Boumlden und das nicht infiltrierte Niederschlagswasser flieszligt dann in Fallrichtung auf der Hangoberflaumlche ab
Der Saumlttigungsoberflaumlchenabfluss setzt dann ein wenn der Boden seine maximale Wassersaumlttigung erreicht hat dh das Porenvolumen vollstaumlndig mit Wasser gesaumlttigt ist Bei diesem Abfluss tritt haumlufig Wasser aus einem vergangenen Ereignis wieder aus dem Boden aus (Exfiltration) und vermischt sich mit dem Niederschlag des aktuellen Ereignisses
Im Folgenden wird zunaumlchst nur die Einphasenstroumlmung des Oberflaumlchenwassers betrachtet der Bewegungsbeginn und der Transport von Teilen der Bodenmatrix (Erosion) werden nicht analysiert Der Massentransport koumlnnte nachdem die Bewegungsgleichungen der Einphasenstroumlmung in steilen Haumlngen verifiziert oder korrigiert wurden in spaumlteren Arbeitsschritten betrachtet werden
Fuumlr die Simulation des Oberflaumlchenabflusses an Steilhaumlngen werden aktuell dieselben Ansaumltze verwendet wie zur Berechnung des Oberflaumlchenabflusses auf flachen Uumlberflutungsflaumlchen in Gewaumlssern und auf Auen Die dabei erzielten Ergebnisse scheinen so plausibel sodass die verwendeten Modelle bislang noch nicht hinterfragt wurden Und das obwohl die geometrischen und hydraulischen Randbedingungen an steilen Hanglagen sich von denen auf flachen Uumlberflutungsflaumlchen stark unterscheiden
In diesem Zusammenhang verglich beispielsweise Herr Dipl-Ing Klaus Schmalzl des Wasserwirtschaftsamtes Rosenheim in seinem Vortrag bdquoSturzfluten hydrodynamisch numerisch mit HYDRO_AS-2D berechnenldquo [38] den er im Rahmen des Treffens der Anwender des 2D-Hydrodynamik-Programms HYDRO_AS-2D der Fa Hydrotec am 11Okt 2014 in Muumlnchen hielt das Programm HYDRO_AS-2D welches eigentlich fuumlr die 2-Dimensionale Simulation in Gewaumlssern entwickelt worden ist mit einem bdquoSchweizer Messerldquo welches als Symbol fuumlr einen vielseitigen Einsatz steht
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Projektskizze Umgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessen (Arbeitstitel) Januar 2015 Seite 21
In Kongress INTERPRAEVENT 2012 in Grenoble [25] wurde bdquoEin neuer Ansatz zur Modellierung von Oberflaumlchenabflussldquo vorgestellt In der Zusammenfassung
bdquoOberflaumlchenabfluss wird als der Teil des Niederschlags verstanden welcher einem Vorfluter uumlber die Bodenoberflaumlche unmittelbar zufliesst Auswertungen von Unwetterereignissen in den letzten Jahren in der Schweiz haben gezeigt dass bis zu 50 der durch Wassergefahren verursachten Schadenfaumllle durch Oberflaumlchenabfluss verursacht worden sind Dennoch ist Oberflaumlchenabfluss in der Schweiz kaum in den Gefahrenkartierungsprozess integriert Um diese Luumlcke zu fuumlllen wurde auf der Basis der Software FloodArea eine Methode entwickelt welche eine Modellierung von Oberflaumlchenabfluss mit einheitlichen Kriterien uumlber grosse Gebiete erlaubt In dieser Studie werden die Methodenentwicklung und zwei Fallstudien vorgestellt Die Resultate zeigen dass an den Raumlndern von Siedlungsflaumlchen und im Landwirtschaftsland gute Ergebnisse erzielt werden Potenziell gefaumlhrdete Gebaumlude oder Bauparzellen werden erkannt Innerhalb von Siedlungsgebieten sind die Differenzen zu realen Ereignissen groumlsser Daher liegt der Fokus von Folgearbeiten auf einer weiteren Verbesserung der Genauigkeit des Gelaumlndemodells und der Integration von zusaumltzlichen Strukturen (zB Kleinbauten) welche Fliesswege entscheidend beeinflussen koumlnnenldquo aus [25]
wird auf die Software FloodArea der Fa Geomer Heidelberg verwiesen
FloodArea und auch HYDRO_AS-2D sind Beispiele von in der Praxis verwendeten Programmen zur Berechnung von Wasserspiegellagen in Gewaumlssern und zur 2-D Uumlberflutungssimulation auf Auen Wie das nachfolgende Bild zeigt sind die mit FloodArea erzielten Simulationsergebnisse plausibel
Oberflaumlchenabflussmodellierung in Busswil (Kanton Bern Schweiz) aus [25]
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Projektskizze Umgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessen (Arbeitstitel) Januar 2015 Seite 22
Der Verfasser dieser Projektskizze selbst hat in Zusammenarbeit mit der Fa Geomer in Heidelberg die hydraulischen Kernroutinen fuumlr das Programm FloodArea entwickelt und ist daher in der Lage deren Einsatzgrenzen gut beurteilen zu koumlnnen
41 Korrektur der Flieszligformeln zur Simulation des Oberflaumlchenabflusses an steilen Haumlngen
Die nachfolgende Tabelle zeigt die unterschiedlichen Auspraumlgungen von wichtigen hydraulischen und geometrischen Randbedingungen fuumlr den steilen Oberflaumlchenabfluss und fuumlr die Wasserausbreitung auf den vergleichsweise flachen Gewaumlsserauen
Parameter Auspraumlgung
Gewaumlsser und Aue Steile Hanglage
Gefaumllle klein permil bis 10
groszlig 5 bis uumlber 100
Wassertiefe groszlig Dezimeter bis mehrere Meter
klein Duumlnnfilmabfluss bis Dezimeter
Betrachten wir zunaumlchst ein Fluidelement 119889119909 times ℎ times 119880 auf einer steilen Hangflaumlche mit dem Hangneigungswinkel β und formulieren in x- Richtung das Kraumlftegleichgewicht zwischen der hangabwaumlrts treibenden Kraft
119866 times sin 120573 = 119889119909 times ℎ times 119880 times 120588 times 119892 times sin 120573 und der Hangreibungskraft T
119879 = 120591 times 119880 times 119889119909 Man erhaumllt so den bekannten Ansatz fuumlr die Schleppspannung
120591 auf einer Hangflaumlche
120591 = 120588 times 119892 times119860
119880times sin 120573 [
119873
1198982]
dx
Q
vdx cosszlig
h
G
G sinszlig
T
U
Ah
szlig
x
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Projektskizze Umgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessen (Arbeitstitel) Januar 2015 Seite 23
Mit dem in der turbulenten Hydraulik uumlblich verwendeten Ansatz
120591 =120582
81199072 [
119873
1198982]
ergibt sich die Flieszligformel fuumlr den Oberflaumlchenabfluss
119907 =1
radic120582times radic8 times 119892 times
119860
119880times 119904119894119899 120573 [
119898
119904]
mit
v - mittl Flieszliggeschwindigkeit [ms]
1
radic120582 - Reibungskoeffizient [-]
g - Erdbeschleunigung [mssup2]
A - Abflussquerschnitt [msup2]
U - benetzte Sohle [m]
β - Hangneigungswinkel [Grad]
Da in der Flusshydraulik die Neigungswinkel der Gewaumlssersohlen deutlich kleiner sind als die Neigungswinkel steiler Hanglagen werden die Flieszligformeln vereinfach
119907 =1
radic120582times radic8 times 119892 times
119860
119880times 119868119864
Anstelle des 119904119894119899 120573 wird das Gefaumllle IE verwendet Dh
119904119894119899 120573 = 120573 oder 119904119894119899 120573 = 119905119886119899 120573 = 119868119864
mit
IE - Sohlgefaumllle [minuspermil]
Fuumlr Gefaumllle bis 20 oder 113 Grad Neigung ist diese Vereinfachung vertretbar und liefert gute Ergebnisse Ab Neigungen groumlszliger 20 darf diese Vereinfachung nicht mehr angesetzt werden Bei einer Hangneigung mit 45 Grad oder IE=1=100 Gefaumllle weichen die Ergebnisse fuumlr die Flieszliggeschwindigkeit um 16 ab
radic1 = 1 radic119904119894119899 45 = 07071 = 084 119865119890ℎ119897119890119903 =1minus084
1times 100 = 16
Bei aktuellen Simulationen werden diese Fehler manchmal auch aus Unkenntnis hingenommen oder mit Hilfe des Reibungskoeffizienten der Oberflaumlchen versucht zu korrigieren
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Projektskizze Umgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessen (Arbeitstitel) Januar 2015 Seite 24
42 Versuchseinrichtung zur Uumlberpruumlfung und Anpassung der Flieszligformeln zur Simulation des Oberflaumlchenabflusses an steilen Haumlngen
Auf dem Gelaumlnde des Wasserbaulaboratoriums der Hochschule RheinMain soll im naumlchsten Sommersemester 2015 eine Versuchseinrichtung zur Simulation von Oberflaumlchenabfluss auf Hanglagen bis 45deg (11 100) errichtet werden
Es soll eine kippbare Versuchsrinne mit einer Breite von 10 m einer Houmlhe von 026 m und einer Laumlnge von 63 m errichtet werden (vgl auch Anlage 1) Zur vertikalen Regensimulation soll uumlber der Versuchsrinne eine Beregnungsanlage mit schwenkbaren Duumlsen angebracht werden
Kipprinne zur Simulation von Oberflaumlchenabfluumlssen an steilen Haumlngen vgl Anlage 1
In einer ersten Phase sollen die in Abschnitt 41 diskutierten hydraulischen Ansaumltze in Versuchen verifiziert werden Hierbei gilt es besonders zu uumlberpruumlfen ob bei sehr kleinen Abflusstiefen (Duumlnnfilmabfluss) die Oberflaumlchenspannung der Wassers bei den Bewegungsgleichungen von Bedeutung ist
Fuumlr die Versuchsreihen koumlnnen die Beregnungslaumlnge die Niederschlagsintensitaumlt und der Neigungswinkel der Versuchsrinne variiert werden
Arbeitsziel unterstuumltzt durch Studienarbeit Uumlberpruumlfung und Anpassung der Flieszligformeln zur Simulation des Oberflaumlchenabflusses an steilen Haumlngen
In einer spaumlteren Versuchsphase soll SohlsubstratBoden eingebracht werden um mit oder ohne kuumlnstlichen Bewuchsstrukturen verschiedene Hangrauheiten simulieren zu koumlnnen Dies soll zur Klaumlrung des Erosionsbeginns der Bodenmatrix beitragen
1000 cm
260 cm
Sohlsubstrat zur Aufnahmevon kuumlnstlichen Bewuchsstrukturen
Beregnungsanlage mit schwenkbaren Duumlsen zurvertikalen Regensimulation
Wasserkoumlrper desOberflaumlchenabflusses
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5 Arbeitspaket 4 Instationaumlre 2ndashdimensionale Modellierung des Oberflaumlchenabflusses bei Starkniederschlaumlgen
Um dem Programmieraufwand im Rahmen des Projektes so gering wie moumlglich zu halten wird vorgeschlagen das Programm Floodarea der Fa Geomer Heidelberg welches sich bisher in der Praxis bewaumlhrt hat als Basis fuumlr die Simulationen zu verwenden FloodArea ist ein vollstaumlndig in ArcGISreg integriertes 2D-Modell zur Berechnung von Uumlberschwemmungsflaumlchen Wie in Abschnitt 4 bereits erwaumlhnt war der Verfasser dieser Skizze in die Erarbeitung der hydraulischen Kernroutinen dieser Software involviert und kann insofern ihre Einsatz- und Anpassungsmoumlglichkeiten sehr gut abschaumltzen Eine Abstimmung mit Herrn Dr Assmann von der Fa Geomer erfolgte vor dem Verfassen dieser Projektskizze
Folgende Anpassungen bzw Erweiterungen des Programms sollen realisiert werden
Schnittstelle zu den DWD-Radarniederschlagsdaten um die 5-minuumltigen RADOLAN RY-Komposite fuumlr eine instationaumlre 2-dimensionale Modellierung des Oberflaumlchenabflusses verwenden zu koumlnnen(vgl Abschnitt 2)
Einarbeitung der angepassten und erweiterten Ansaumltze zur Ermittlung des abflusswirksamen Niederschlages bei Starkregen
Einarbeitung der uumlberarbeiteten hydraulischen Ansaumltze fuumlr den Oberflaumlchenabfluss in steilen Hanglagen
Fuumlr die in Abschnitt 7 vorgeschlagenen Pilot-Einzugsgebiete sollen fuumlr ausgesuchte Starkregenereignisse (Regensammlung vgl Abschnitt 22) Simulationen des Oberflaumlchenabflusses durchgefuumlhrt werden
Die Ergebnisse dieser Simulationen sollen die hydraulische Grundlage fuumlr die in Abschnitt 6 beschriebenen Starkregen-Gefahrenkarten bilden
Folgende Datengrundlagen sind in die Simulationen des Oberflaumlchenabflusses zu intergrieren
Radarniederschlagsdaten (vgl Abschnitt 2)
ein hoch aufgeloumlstes digitales Gelaumlndemodell aus Laserscandaten Bereits durchgefuumlhrte Simulationen des Landes Baden Wuumlrttemberg im Einzugsgebiet der Starzel und [25] zeigen dass der Einfluss von Kleinstrukturen und Hindernissen (Mauern Graumlben Strassendammprofile) auf den Verlauf des Abflussgeschehens einen groszligen Einfluss haben koumlnnen
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Diese Kleinstrukturen werden allerdings durch das digitale Gelaumlndemodell nicht immer vollstaumlndig abgebildet Ggf muumlssen die Kleinstrukturen nachdigitalisiert werden um das digitale Gelaumlndemodell bdquohydraulischldquo zu vervollstaumlndigen
Gewaumlssernetz
Nutzungsmodell (zB ATKIS ALKIS CORINE LAND COVER) ggf mit Luftbildaufnahmen zur Verifizierung und Praumlzisierung der Nutzung und zur Ermittlung der Bearbeitungsrichtung bei landwirtschaftlichen Flaumlchen Hydraulisch nicht aktive Gebaumludeflaumlchen muumlssen bdquomarkiertldquo werden damit die Simulation an einer moumlglichst reellen Oberflaumlchengeometrie durchgefuumlhrt werden kann
Bodenkarte
Informationen uumlber die Bodenfeuchte oder Betrachtung der Regenmengen in den letzten 30 Tagen
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6 Arbeitspaket 5 Erarbeitung von Starkregen Gefahrenkarten fuumlr das Land Hessen
Wie im einfuumlhrenden Abschnitt 1 erlaumlutert muumlssen aufgrund der zu kurzen Vorwarnzeiten in kleinen Einzugsgebieten die Flaumlchen- und Bauvorsorge intensiviert werden um Schaumlden durch Starkregen und Sturzfluten mindern zu koumlnnen Die dazu notwendigen Informationen uumlber die in dieser Hinsicht gefaumlhrdeten Flaumlchen und deren Nutzung muumlssen bei der angepassten kommunalen Planung beruumlcksichtigt werden Flaumlchennutzungs- und Bebauungsplaumlne sind auf die topographischen Gegebenheiten und auf die Abflusseigenschaften des Gebietes bei Starkregen abzustimmen
Starkregen Hinweis- oder Starkregen Gefahrenkarten koumlnnen als Ergaumlnzung zu den mittlerweile bundesweit eingefuumlhrten Hochwassergefahrenkarten diese Informationen bereitstellen
Die im Folgenden verwendeten Begriffe
Starkregen-Hinweiskarte
Starkregen-Gefahrenkarten oder Flieszligpfadkarten
sind vorlaumlufige Benennungen Wie auch bei den Hochwassergefahrenkarten muss die LAWA fuumlr eine bundesweit einheitliche Benennung Sorge tragen
Aus der Sicht der Verfasser wird ein zweistufiges Vorgehen empfohlen
1 Identifikation der potentiell gefaumlhrdeten Hangflaumlchen und die Erstellung von Starkregen Hinweiskarten
2 Simulation des Oberflaumlchenabflusses der potentiell gefaumlhrdeten Flaumlchen und Erstellung von Starkregen Gefahrenkarten oder Flieszligpfadkarten
Eine flaumlchendeckende Simulation des Oberflaumlchenabflusses im betrachteten Projektraum sollte aufgrund der dabei entstehenden Projekt- bzw Ingenieurkosten uumlberdacht werden
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(Stufe 1) Identifikation der potentiell gefaumlhrdeten Hangflaumlchen und die Erstellung von Starkregen Hinweiskarten
Es wird vorgeschlagen in einem ersten Schritt den betrachteten Projektraum flaumlchendeckend auf potentiell gefaumlhrdete Hangflaumlchen zu untersuchen
Dazu sollen die Gelaumlndeneigung die Bodennutzung sowie die Lage der steilen Hangflaumlchen zu den schadensempfindlichen Flaumlchen (zB Siedlungsgebiete) fachlich miteinander verknuumlpft werden
Beispielsweise lassen sich auf Grundlage der folgenden fachlich begruumlndeten Matrix mit Hilfe der GIS Werkzeuge die potentiell gefaumlhrdeten Hangflaumlchen leicht identifizieren
Gruumlnland Ackerland
Gelaumlndenutzung Gelaumlndeneigung
Be
arb
eitu
ng
que
r zur
Fallr
ich
tun
g
Be
arb
eitu
ng
in
Fallr
ich
tun
g
kleiner 5 nicht
gefaumlhrdet wenig
gefaumlhrdet
5 bis 10 maumlszligig
gefaumlhrdet
10 bis 20 maumlszligig
gefaumlhrdet
groszliger 20 stark
gefaumlhrdet sehr stark gefaumlhrdet
sehr stark gefaumlhrdet
Liegen unterhalb stark oder maumlszligig gefaumlhrdeter Flaumlchen Siedlungsgebiete oder sind in den gefaumlhrdeten Flaumlchen Siedlungsentwicklungen geplant ist eine detaillierte Untersuchung des Oberflaumlchenabflusses erforderlich (Stufe 2)
Die bislang verwendeten Kriterien zur Einschaumltzung den potentiell betroffenen Flaumlchen sollten uumlberpruumlft und weiterentwickelt werden
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Beispiel fuumlr eine Starkregen-Hinweiskarte Stadt Nidderau
(Stufe 2) Simulation des Oberflaumlchenabflusses der potentiell gefaumlhrdeten Flaumlchen und Erstellung von Starkregen Gefahrenkarten oder Flieszligpfadkarten
Fuumlr die in Stufe 1 identifizierten gefaumlhrdeten Flaumlchen ist in der zweiten Stufe der Oberflaumlchenabfluss zu simulieren Je nach Groumlszlige des zu betrachtenden Niederschlagseinzugsgebietes oberhalb der gefaumlhrdeten Siedlungsflaumlchen und Infrastrukturen muumlssen aus der Regensammlung (vgl Abschnitt 22) konvektive Ereignisse geeigneter Dauer ausgewaumlhlt werden
Aus der instationaumlren 2D-Simulation erhaumllt man fuumlr definierte Zeitpunkte nach dem Beginn des Niederschlages folgende fuumlr das gewaumlhlte Berechnungsraster raumlumlich aufgeloumlste hydraulisch relevante Grundinformationen
Ist die Flaumlche benetzt (janein)
Wasserstand (bdquoUumlberflutungshoumlheldquo) auf der Flaumlche
Flieszligrichtung und Flieszliggeschwindigkeit auf der Flaumlche
Diese hydraulischen Grundinformationen muumlssen aufbereitet fachlich interpretiert und auf geeignete Weise dargestellt werden
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Letztlich geht es darum die Frage zu klaumlren welche Fachinformationen eine Starkregen-Gefahrenkarte beinhalten sollte
Aus der Sicht der Verfasser sollten in den Gefahrenkarten folgende hydraulische Informationen enthalten sein
Abflussrinnen und Flieszligpfade auf den Hangflaumlchen (Vervollstaumlndigung des Gewaumlssernetzes gegen Flieszligrichtung vgl auch Bild Abschnitt 4 Seite 21)
Starkregen-Gefahrenkarte mit Flieszligpfaden und Flieszligrichtung aus BWK [1]
Wassertiefenentwicklung entlang der Flieszligpfade
Flieszliggeschwindigkeiten entlang der Flieszligpfade
Diese Fachinformationen sollten zusammen mit einem fuumlr den Nutzer geeigneten Kartenhintergrund (Luftbildaufnahmen ALK topographische Karte etc) visualisiert werden
Im Rahmen der Bearbeitung der vorgeschlagenen Pilot-Einzugsgebiete (siehe Abschnitt 7) sind geeignete Inhalte und Darstellungsmoumlglichkeiten fuumlr Starkregen-Gefahrenkarten zu entwickeln
Wie auch bei den Hochwassergefahrenkarten sollte die LAWA fuumlr bundesweit einheitliche Standards der Starkregen-Gefahrenkarten Sorge tragen
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7 Arbeitspaket 6 Modell- Pilotprojekt bdquoUmgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessenldquo
In einem letzten Arbeitsabschnitt sollen anhand ausgesuchter Einzugsgebiete mit Hilfe des in Abschnitt 6 vorgeschlagenen Vorgehens Starkregen-Hinweiskarten und Starkregen-Gefahrenkarten erstellt werden
Die Verwendung von Niederschlagsdaten aus Radarbeobachtungen (vgl Abschnitt 1) und der Einsatz des verbesserten Simulationsmodells (vgl Abschnitte 3 und 4) werden gegenuumlber der heutigen Praxis bessere fachliche Informationen zur Bewaumlltigung von Starkregen-Gefahrenlagen bereitstellen koumlnnen
Folgende Pilot-Einzugsgebiete in hessischen Rheingau werden zur Auswahl gestellt
Walluf (AE=281 kmsup2) Die Walluf besitzt einen Pegel (Martinsthal AE=245 kmsup2 36 km oberhalb der Muumlndung) im Einzugsgebiet An der Hochschule RheinMain steht ein Niederschlags-Abfluss Modell der Walluf zur Verfuumlgung
Erbbach Kisselbach (AE= 106 kmsup2)
Pfingstbach (AE= 84 kmsup2)
Stegbach Blaubach (AE= 127 kmsup2)
Der Hochwasserrisikomanagementplan Rheingau steht zurzeit in der oumlffentlichen Abstimmung und wird im Laufe 2015 fertig gestellt werden Nach Aussage von Frau Tremper des Regierungspraumlsidiums Darmstadt Abteilung IVWi 412 waumlre eine Ergaumlnzung des HWRM-PL Rheingau durch Starkregen-Hinweis- und -Gefahrenkarten der Rheingaubaumlche hilfreich Diese wuumlrden die im HWRM-PL Rheingau betrachteten Rhein-Hochwasserszenarien ergaumlnzen
Arbeitsziel unterstuumltzt durch Studienarbeiten Erstellung von Niederschlags- Abfluss Modellen fuumlr die Rheingaubaumlche Erbach Kisselbach Pfingstbach Stegbach Blaubach
Bei der Erstellung der Starkregen-Hinweiskarten und Starkregen-Gefahrenkarten fuumlr die Pilot-Einzugsgebiete sollen die in Abschnitt 6 weiterentwickelten Ansaumltze erprobt und die Karteninhalte mit den spaumlteren Nutzern diskutiert werden Dabei sollen insbesondere die Kartendarstellung und deren Inhalte den jeweiligen fachlichen Beduumlrfnissen entsprechen
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8 Literatur und Quellen
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[6] Deutscher Wetterdienst (DWD) (Hrsg)(2008) Radarniederschlag-Prinzip der Niederschlagsbestimmung mit Radar inklusive Umrechnung der Radarreflektivitaumlten in Momentanwerte des Niederschlages Version 10
[7] Deutscher Wetterdienst (DWD) Abteilung Hydrometeorologie (Hrsg)(2005) Projekt RADVOR-OP
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[13] DWA Themen (2010) Abfluumlsse aus extremen Niederschlaumlgen Ergebnisse einer Bestandsaufnahme Hochwasserereignisse und Modellansaumltze zu ihrer Abbildung
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9 Allgemeine Informationen Zeitplan und Ressourcen
91 Allgemeine Informationen
Antragsteller Prof Dr-Ing Ernesto Ruiz Rodriguez Wasserbaulaboratorium am Fachbereich Architektur und Bauingenieurwesen Hochschule RheinMain Kurt-Schumacher-Ring 18 65197 Wiesbaden
Projektbearbeiter Arbeitsgruppe bdquoStarkregen und Sturzflutenldquo am Wasserbaulaboratorium Prof Dr-Ing Ernesto Ruiz Rodriguez (Projektleitung) BEng Lisa Trost (Projektbearbeitung) Frank Salffner (Vermessungstechniker Laborant am Wasserbaulaboratorium und in der EDV- Arbeitsgruppe des Fachbereichs) Die Arbeitsziele werden durch Studienarbeiten des Master- Studienganges bdquoUmweltmanagement und Stadtplanung in Ballungsraumlumenldquo (UMSB) unterstuumltzt
Partnerschaften Kooperationspartner Prof Dr Ralf Doumlrner Hochschule RheinMain
FG Graphische Datenverarbeitung und Virtuelle Realitaumlt Prof Dr Robert Seuszlig Fachhochschule Frankfurt FG Geoinformation und Kommunaltechnik Berufsfeuerwehr Wiesbaden Dr Andreacute Assmann Fa Geomer Heidelberg
gewuumlnschte Zusammenarbeit Deutscher Wetterdienst Abt Hydrometeorologie Projektdauer 4 Jahre (vgl 92 Zeitplan) Eigenmittel Projektleitung durch Prof Dr E Ruiz Rodriguez
Nutzung der Einrichtungen des Wasserbaulaboratoriums der Hochschule RheinMain Unterstuumltzung bei Laborarbeiten und EDV Infrastruktur durch Frank Salffner
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92 Zeitplan
1
Jah
r
2
Jah
r
3
Jah
r
4
Jah
r Bemerkung
Arbeitspaket 1 Verwendung von Radardaten zur Simulation von Starkregen Sturzfluten fuumlr kleine Einzugsgebiete
Beginn der Arbeiten
Klaumlrung der Verfuumlgbarkeit von Radarniederschlagsdaten (fuumlr Modellierer Ingenieurbuumlros)
Aufwand zur Nutzung und Aufbereitung von Radarniederschlagsdaten fuumlr Modellierer Ingenieurbuumlros Erstellung eines Werkzeugs zur Visualisierung der archivierten und aktuellen Radarniederschlagsdaten Erstellung eines Werkzeugs zur Transformation und Projektion der DWD-RADOLAN-RW und RY-Komposit-Radarniederschlagsdaten in Gauszlig-Kruumlger undoder UTM-Projektion Erstellung eines GIS Werkzeugs zur Aufbereitung der DWD-RADOLAN-Komposit-Raster zur Simulation von Starkregen in kleinen Einzugsgebieten
1 Berichterstattung Arbeitspaket 1 (Teil 1)
Auswertung der RADOLAN Radarniederschlagsdaten des DWD
Praxisseminar Kolloquium bdquoVerwendung von Radardaten zur Simulation von Starkregen Sturzfluten in Hessenldquo
Arbeitspaket 2 Uumlberpruumlfung und Anpassung von Modellansaumltze zur Ermittlung des abflusswirksamen Niederschlages bei Starkregen
Uumlberpruumlfung und Anpassung der Modellansaumltze zur Ermittlung des abflusswirksamen Niederschlages bei Starkniederschlaumlgen unter besonderer Beruumlcksichtigung von Bodenfeuchte und Bodenluftkompressionseffekten
Arbeitspaket 3 Uumlberpruumlfung und Anpassung der hydraulischen Ansaumltze zur Berechnung des Oberflaumlchenabflusses bei Starkregen Sturzfluten an steilen Haumlngen
Bau der Versuchsrinne am Wasserbaulaboratorium Durchfuumlhrung und Auswertung der Versuche Uumlberpruumlfung und Anpassung der hydraulischen Ansaumltze zur Berechnung des Oberflaumlchenabflusses
2 Berichterstattung Arbeitspaket 2 und Arbeitspaket 3 (Teil1)
Arbeitspaket 4 Instationaumlre 2ndashdimensionale Modellierung des Oberflaumlchenabflusses bei Starkniederschlaumlgen
Anpassen des 2-dimensionallen Modelles auf instationaumlre Niederschlagsfronten Schnittstelle zu DWD RADOLAN Komposite Einarbeiten der verbesserten Ansaumltze zu Berechnung des abflusswirksamen Niederschlages bei Starkniederschlaumlgen Einarbeiten der verbesserten hydraulischen Ansaumltze
wird fortgesetzt
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1
Jah
r
2
Jah
r
3
Jah
r
4
Jah
r Bemerkung
Arbeitspaket 5 Erarbeitung von Starkregen Gefahrenkarten fuumlr das Land Hessen
Uumlberpruumlfen und Anpassung von fachlichen Kriterien fuumlr die Erstellung von Starkregen-Karten Definition der Inhalte von Starkregen-Hinweiskarten Definition der Inhalte von Starkregen- Gefahrenkarten
3 Berichterstattung Arbeitspaket 3 (Teil 2) Arbeitspaket 4 und Arbeitspaket 5 (Teil1)
Arbeitspaket 6 Modell- Pilotprojekt bdquoUmgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessenldquo
Erarbeitung von Starkregen-Hinweiskarten fuumlr die ausgewaumlhlten Pilot-Einzugsgebiete Erarbeitung von Starkregen-Gefahrenkarten fuumlr die ausgewaumlhlten Pilot-Einzugsgebiete Uumlberpruumlfen der fachlichen Kriterien und Ansaumltze (Arbeitspaket 5) fuumlr die Erstellung von Starkregen-Karten Diskussion uumlber die Starkregen-Karteninhalte und Starkregen-Kartendarstellung mit den Nutzern
4 Berichterstattung Arbeitspaket 5 (Teil 2) und Arbeitspaket 6 (Abschlussbericht)
93 Beantragte Mittel
Zur Durchfuumlhrung und Erreichung der im Antrag beschriebenen Arbeitsziele werden fuumlr das
1 Projektjahr 35000 Euro
2 Projektjahr 35000 Euro
3 Projektjahr 35000 Euro
4 Projektjahr 35000 Euro
beantragt
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1160 cm
280 cm
260 cm
1000 cm
1080 cm
6300 cm280 cm
3000 cm3000 cm
3000 cm 3000 cm
1000 cm624 cm
1500deg
Kipprinne zur Simulation des Oberflaumlchenabflusses an steilen HaumlngenLaumlnge= 630 mBreite= 10 mHoumlhe= 026 mmax Neigungswinkel 45deg
variableBeregnungslaumlnge
Maszligstab 120
1000 cm
260 cm
Sohlsubstrat zur Aufnahmevon kuumlnstlichen Bewuchsstrukturen
Beregnungsanlage mit schwenkbaren Duumlsen zurvertikalen Regensimulation
Wasserkoumlrper desOberflaumlchenabflusses
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Projektskizze Umgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessen (Arbeitstitel) Januar 2015 Anlage 1
1830 cm
2625 cm
Drehpunkt
1330 cm
6300 cm
280 cm
1500deg
Maszligstab 120
Kipprinne zur Simulation des Oberflaumlchenabflusses an steilen HaumlngenLaumlnge= 630 mBreite= 10 mHoumlhe= 026 mmax Neigungswinkel 45deg
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Arbeitsziel unterstuumltzt durch Studienarbeit(en) Auswertung historischer RADOLAN Radarniederschlagsdaten des DWD
24 Praxisseminar Kolloquium bdquoVerwendung von Radardaten zur Simulation von Starkregen Sturzfluten in Hessenldquo
In Zusammenarbeit mit dem Wissenschaftsforum Umwelt und der Weiterbildungsplattform NATURUMWELTTECHNIK (NUT) der Hochschule RheinMain sollen in einem 1-taumlgigen Praxisseminar die Moumlglichkeiten zur Nutzung von Radarniederschlagsdaten zur Simulation von Starkregen Sturzfluten vorgestellt werden
Zielgruppe Ingenieurhydrologen Hydrologen Ingenieurbuumlros (Modellierer) und andere am Thema Interessierten
Die Organisation uumlbernimmt die Weiterbildungsplattform NUT der Hochschule RheinMain Die fachliche Koordination ist durch Prof Dr Ernesto Ruiz Rodriguez und Frau BEng Lisa Trost gesichert Eine partnerschaftliche Koordination durch das HLUG und den DWD ist moumlglich und wird ausdruumlcklich erwuumlnscht
3 Arbeitspaket 2 Uumlberpruumlfung und Anpassung von Modellansaumltze zur Ermittlung des abflusswirksamen Niederschlages bei Starkregen
Unter dem abflusswirksamen (effektiven) Niederschlag versteht man den Anteil des Niederschlages der in einem Einzugsgebiet unmittelbar nach dem Niederschlagsereignis als Direktabfluss wirksam wird
Zu Beginn des Niederschlagsereignisses sind die Verluste idR besonders groszlig (Benetzung der der Vegetationsdecke und Muldenverluste) Bei Starkregen werden diese Speicherraumlume jedoch schnell gefuumlllt und die hohen Niederschlagsintensitaumlten uumlbersteigen oft die Infiltrationsfaumlhigkeit des Bodens und es kommt zum Oberflaumlchenabfluss (vgl auch Abschnitt 4)
Insofern spielt besonders bei Starkregen der Anteil an abflusswirksamen Oberflaumlchenabfluss eine entscheidende Rolle Dieser bildet gemeinsam mit dem oberflaumlchennahen Interflow in der belebten Bodenzone den Hauptanteil am sog abflusswirksamen Niederschlag
Der in der Ingenieurhydrologie am haumlufigsten verwendete Modellansatz zur Ermittlung des abflusswirksamen Niederschlags ist der Ansatz des Abflussbeiwertes Er wird sowohl in der Urbanhydrologie (Kanalnetzberechnung) als auch
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bei der Modellierung von Niederschlags-Abfluss-Prozessen (NA-Modellierung) auf natuumlrlichen Flaumlchen eingesetzt
Abflussbeiwert-Ansaumltze
)()()(
)()(
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tititi
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w
w
Ψ ndash Abflussbeiwert [-]
i(t) ndash Niederschlagsintensitaumlt [mmh]
iw(t) ndash wirksame Niederschlagsintensitaumlt [mmh]
a) konstanter Abflussbeiwert Ψ
b) Konstanter Abflussbeiwert Ψ mit Anfangsverlust hva
Der Anfangsverlust hva wird durch die Mulden- und Benetzungsverluste begruumlndet
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c) Zeitvarianter Abflussbeiwert Ψ mit oder ohne Anfangsverlust hva
In der Urbanhydrologie wird der konstante Abflussbeiwert Ψ ohne Anfangsverlust hva bei der NA-Modellierung kommt fast immer der konstante Abflussbeiwert Ψ mit Anfangsverlust hva zum Einsatz
Liegen Niederschlags- und Abflussaufzeichnungen des Direktabflusses QD(t) vor und ist der Verlauf des Basisabflusses QB(t) bekannt so kann der Abflussbeiwert Ψ aus der Volumen-Massenbilanz ermittelt werden Der Anfangsverlust hva wird in der Regel mit 3 bis 4 mm Niederschlagshoumlhe geschaumltzt Der gefallene effektive Niederschlag iw(t)=Ψ i(t) findet sich im Direktabfluss QD(t) oberhalb des Basisabflusses QB(t)
RE
RA
w
e
D
t
t
iE
t
t
DQ VdttiAdttQV )()(
0
Liegen keine Niederschlags undoder Pegelaufzeichnungen vor wird in der Ingenieurpraxis der Abflussbeiwert mit Hilfe oder im Anlehnung an das SCS Verfahrens (US Soil Conversation Service der USA) ermittelt Diese Verfahren wird ua in der
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DVWK-Regel 113 beschrieben Das SCS-Verfahren unterscheidet folgende Bodentypen
Bodentyp A Boumlden mit groszligem Versickerungsvermoumlgen auch nach starker Vorbefeuchtung zB tiefe Sand- und Kiesboumlden
Bodentyp B Boumlden mit mittlerem Versickerungsvermoumlgen tiefe bis maumlszligig tiefe Boumlden mit maumlszligig feiner bis maumlszligig grober Textur zB mitteltiefe Sandboumlden Loumlszlig (schwach) lehmiger Sand
Bodentyp C Boumlden mit geringem Versickerungsvermoumlgen Boumlden mit feiner bis maumlszligig feiner Textur oder mit wasserstauender Schicht zB flache Sandboumlden sandiger Lehm
Bodentyp D Boumlden mit sehr geringem Versickerungsvermoumlgen Ton Boumlden sehr flache Boumlden uumlber nahezu undurchlaumlssigem Material Boumlden mit dauernd sehr hohem Grundwasserspiegel
BodennutzungBodentyp A B C D
Oumldland (ohne nenneswerten Bewuchs) 77 86 91 94
Hackfruumlchte Wein 70 80 87 90
Wein (Terrassen) 64 73 79 82
Getreide Futterpflanzen 64 76 84 88
Weide (normal) 49 69 79 84
Weide (kark) 68 79 86 89
Dauerwiese 30 58 71 78
Wald (stark aufgelockert) 45 66 77 83
Wald (mittel aufgelockert) 36 60 73 79
Wald (dicht) 25 55 70 77
undurchlaumlssige bzw versiegelte Flaumlchen 100 100 100 100
CN-Beiwert des SCS-Verfahrens
In Abhaumlngigkeit der Bodennutzung und des Bodentyps wird fuumlr das Niederschlagseinzugsgebiet ein flaumlchengewichteter CN-Beiwert ermittelt und der effektive Niederschlag hNE berechnet
4258800425
22004252
NN
NNNe
Ch
Chh
N
Ne
h
h
Das Originalverfahren hat Schwaumlchen und wurde mehrfach modifiziert (zB nach Oslashverland Zaiszlig und Lutz) Dabei wurde versucht den Einfluss der aktuellen Bodenfeuchte des Bodens besser zu beruumlcksichtigen Je nach Bodentyp kann diese einen groszligen Einfluss auf den effektiven Niederschlag (vgl auch Abschnitt 41) haben
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Alle diese Ansaumltze beruumlcksichtigen nicht die bei Starkregen beobachteten und in [17] beschriebenen Effekte der Bodenluftkompression die die Infiltrationsfaumlhigkeit des Porenraumes bei hohen Niederschlagsintensitaumlten mindert und somit den Anteil des Oberflaumlchenabflusses erhoumlht
Arbeitsziel unterstuumltzt durch Studienarbeit Uumlberpruumlfung und Anpassung der Modelansaumltze zur Ermittlung des abflusswirksamen Niederschlages bei Starkniederschlaumlgen unter besonderer Beruumlcksichtigung von Bodenfeuchte und Bodenluftkompressionseffekten
Die Verwendung der Radarniederschlagsdaten macht es moumlglich die zeitliche und raumlumliche Niederschlagsverteilung im Einzugsgebiet zu betrachten Da die Niederschlagsintensitaumlten und -mengen im Einzugsgebiet variieren werden sich demzufolge raumlumlich verteilte Abflussbeiwerte ergeben Die oben beschriebenen Ansaumltze zur Ermittlung des abflusswirksamen Oberflaumlchenabflusses muumlssen daraufhin angepasst und ggf weiterentwickelt werden
Arbeitsziel unterstuumltzt durch Studienarbeit Uumlberpruumlfung und Anpassung der Modelansaumltze zur Ermittlung des abflusswirksamen Niederschlages bei raumlumlich und zeitlich sich veraumlndernden Starkniederschlaumlgen
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4 Arbeitspaket 3 Uumlberpruumlfung und Anpassung der hydraulischen Ansaumltze zur Berechnung des Oberflaumlchenabflusses bei Starkregen Sturzfluten an steilen Haumlngen
Beim Oberflaumlchenabfluss muss zwischen dem klassischen Oberflaumlchenabfluss nach Horton (1933) und dem Saumlttigungsoberflaumlchenabfluss unterschieden werden
Der Oberflaumlchenabfluss nach Horton entsteht durch einen Infiltrationsuumlberschuss Die Niederschlagsintensitaumlt ist houmlher als die Infiltrationskapazitaumlt der Boumlden und das nicht infiltrierte Niederschlagswasser flieszligt dann in Fallrichtung auf der Hangoberflaumlche ab
Der Saumlttigungsoberflaumlchenabfluss setzt dann ein wenn der Boden seine maximale Wassersaumlttigung erreicht hat dh das Porenvolumen vollstaumlndig mit Wasser gesaumlttigt ist Bei diesem Abfluss tritt haumlufig Wasser aus einem vergangenen Ereignis wieder aus dem Boden aus (Exfiltration) und vermischt sich mit dem Niederschlag des aktuellen Ereignisses
Im Folgenden wird zunaumlchst nur die Einphasenstroumlmung des Oberflaumlchenwassers betrachtet der Bewegungsbeginn und der Transport von Teilen der Bodenmatrix (Erosion) werden nicht analysiert Der Massentransport koumlnnte nachdem die Bewegungsgleichungen der Einphasenstroumlmung in steilen Haumlngen verifiziert oder korrigiert wurden in spaumlteren Arbeitsschritten betrachtet werden
Fuumlr die Simulation des Oberflaumlchenabflusses an Steilhaumlngen werden aktuell dieselben Ansaumltze verwendet wie zur Berechnung des Oberflaumlchenabflusses auf flachen Uumlberflutungsflaumlchen in Gewaumlssern und auf Auen Die dabei erzielten Ergebnisse scheinen so plausibel sodass die verwendeten Modelle bislang noch nicht hinterfragt wurden Und das obwohl die geometrischen und hydraulischen Randbedingungen an steilen Hanglagen sich von denen auf flachen Uumlberflutungsflaumlchen stark unterscheiden
In diesem Zusammenhang verglich beispielsweise Herr Dipl-Ing Klaus Schmalzl des Wasserwirtschaftsamtes Rosenheim in seinem Vortrag bdquoSturzfluten hydrodynamisch numerisch mit HYDRO_AS-2D berechnenldquo [38] den er im Rahmen des Treffens der Anwender des 2D-Hydrodynamik-Programms HYDRO_AS-2D der Fa Hydrotec am 11Okt 2014 in Muumlnchen hielt das Programm HYDRO_AS-2D welches eigentlich fuumlr die 2-Dimensionale Simulation in Gewaumlssern entwickelt worden ist mit einem bdquoSchweizer Messerldquo welches als Symbol fuumlr einen vielseitigen Einsatz steht
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In Kongress INTERPRAEVENT 2012 in Grenoble [25] wurde bdquoEin neuer Ansatz zur Modellierung von Oberflaumlchenabflussldquo vorgestellt In der Zusammenfassung
bdquoOberflaumlchenabfluss wird als der Teil des Niederschlags verstanden welcher einem Vorfluter uumlber die Bodenoberflaumlche unmittelbar zufliesst Auswertungen von Unwetterereignissen in den letzten Jahren in der Schweiz haben gezeigt dass bis zu 50 der durch Wassergefahren verursachten Schadenfaumllle durch Oberflaumlchenabfluss verursacht worden sind Dennoch ist Oberflaumlchenabfluss in der Schweiz kaum in den Gefahrenkartierungsprozess integriert Um diese Luumlcke zu fuumlllen wurde auf der Basis der Software FloodArea eine Methode entwickelt welche eine Modellierung von Oberflaumlchenabfluss mit einheitlichen Kriterien uumlber grosse Gebiete erlaubt In dieser Studie werden die Methodenentwicklung und zwei Fallstudien vorgestellt Die Resultate zeigen dass an den Raumlndern von Siedlungsflaumlchen und im Landwirtschaftsland gute Ergebnisse erzielt werden Potenziell gefaumlhrdete Gebaumlude oder Bauparzellen werden erkannt Innerhalb von Siedlungsgebieten sind die Differenzen zu realen Ereignissen groumlsser Daher liegt der Fokus von Folgearbeiten auf einer weiteren Verbesserung der Genauigkeit des Gelaumlndemodells und der Integration von zusaumltzlichen Strukturen (zB Kleinbauten) welche Fliesswege entscheidend beeinflussen koumlnnenldquo aus [25]
wird auf die Software FloodArea der Fa Geomer Heidelberg verwiesen
FloodArea und auch HYDRO_AS-2D sind Beispiele von in der Praxis verwendeten Programmen zur Berechnung von Wasserspiegellagen in Gewaumlssern und zur 2-D Uumlberflutungssimulation auf Auen Wie das nachfolgende Bild zeigt sind die mit FloodArea erzielten Simulationsergebnisse plausibel
Oberflaumlchenabflussmodellierung in Busswil (Kanton Bern Schweiz) aus [25]
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Der Verfasser dieser Projektskizze selbst hat in Zusammenarbeit mit der Fa Geomer in Heidelberg die hydraulischen Kernroutinen fuumlr das Programm FloodArea entwickelt und ist daher in der Lage deren Einsatzgrenzen gut beurteilen zu koumlnnen
41 Korrektur der Flieszligformeln zur Simulation des Oberflaumlchenabflusses an steilen Haumlngen
Die nachfolgende Tabelle zeigt die unterschiedlichen Auspraumlgungen von wichtigen hydraulischen und geometrischen Randbedingungen fuumlr den steilen Oberflaumlchenabfluss und fuumlr die Wasserausbreitung auf den vergleichsweise flachen Gewaumlsserauen
Parameter Auspraumlgung
Gewaumlsser und Aue Steile Hanglage
Gefaumllle klein permil bis 10
groszlig 5 bis uumlber 100
Wassertiefe groszlig Dezimeter bis mehrere Meter
klein Duumlnnfilmabfluss bis Dezimeter
Betrachten wir zunaumlchst ein Fluidelement 119889119909 times ℎ times 119880 auf einer steilen Hangflaumlche mit dem Hangneigungswinkel β und formulieren in x- Richtung das Kraumlftegleichgewicht zwischen der hangabwaumlrts treibenden Kraft
119866 times sin 120573 = 119889119909 times ℎ times 119880 times 120588 times 119892 times sin 120573 und der Hangreibungskraft T
119879 = 120591 times 119880 times 119889119909 Man erhaumllt so den bekannten Ansatz fuumlr die Schleppspannung
120591 auf einer Hangflaumlche
120591 = 120588 times 119892 times119860
119880times sin 120573 [
119873
1198982]
dx
Q
vdx cosszlig
h
G
G sinszlig
T
U
Ah
szlig
x
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Mit dem in der turbulenten Hydraulik uumlblich verwendeten Ansatz
120591 =120582
81199072 [
119873
1198982]
ergibt sich die Flieszligformel fuumlr den Oberflaumlchenabfluss
119907 =1
radic120582times radic8 times 119892 times
119860
119880times 119904119894119899 120573 [
119898
119904]
mit
v - mittl Flieszliggeschwindigkeit [ms]
1
radic120582 - Reibungskoeffizient [-]
g - Erdbeschleunigung [mssup2]
A - Abflussquerschnitt [msup2]
U - benetzte Sohle [m]
β - Hangneigungswinkel [Grad]
Da in der Flusshydraulik die Neigungswinkel der Gewaumlssersohlen deutlich kleiner sind als die Neigungswinkel steiler Hanglagen werden die Flieszligformeln vereinfach
119907 =1
radic120582times radic8 times 119892 times
119860
119880times 119868119864
Anstelle des 119904119894119899 120573 wird das Gefaumllle IE verwendet Dh
119904119894119899 120573 = 120573 oder 119904119894119899 120573 = 119905119886119899 120573 = 119868119864
mit
IE - Sohlgefaumllle [minuspermil]
Fuumlr Gefaumllle bis 20 oder 113 Grad Neigung ist diese Vereinfachung vertretbar und liefert gute Ergebnisse Ab Neigungen groumlszliger 20 darf diese Vereinfachung nicht mehr angesetzt werden Bei einer Hangneigung mit 45 Grad oder IE=1=100 Gefaumllle weichen die Ergebnisse fuumlr die Flieszliggeschwindigkeit um 16 ab
radic1 = 1 radic119904119894119899 45 = 07071 = 084 119865119890ℎ119897119890119903 =1minus084
1times 100 = 16
Bei aktuellen Simulationen werden diese Fehler manchmal auch aus Unkenntnis hingenommen oder mit Hilfe des Reibungskoeffizienten der Oberflaumlchen versucht zu korrigieren
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42 Versuchseinrichtung zur Uumlberpruumlfung und Anpassung der Flieszligformeln zur Simulation des Oberflaumlchenabflusses an steilen Haumlngen
Auf dem Gelaumlnde des Wasserbaulaboratoriums der Hochschule RheinMain soll im naumlchsten Sommersemester 2015 eine Versuchseinrichtung zur Simulation von Oberflaumlchenabfluss auf Hanglagen bis 45deg (11 100) errichtet werden
Es soll eine kippbare Versuchsrinne mit einer Breite von 10 m einer Houmlhe von 026 m und einer Laumlnge von 63 m errichtet werden (vgl auch Anlage 1) Zur vertikalen Regensimulation soll uumlber der Versuchsrinne eine Beregnungsanlage mit schwenkbaren Duumlsen angebracht werden
Kipprinne zur Simulation von Oberflaumlchenabfluumlssen an steilen Haumlngen vgl Anlage 1
In einer ersten Phase sollen die in Abschnitt 41 diskutierten hydraulischen Ansaumltze in Versuchen verifiziert werden Hierbei gilt es besonders zu uumlberpruumlfen ob bei sehr kleinen Abflusstiefen (Duumlnnfilmabfluss) die Oberflaumlchenspannung der Wassers bei den Bewegungsgleichungen von Bedeutung ist
Fuumlr die Versuchsreihen koumlnnen die Beregnungslaumlnge die Niederschlagsintensitaumlt und der Neigungswinkel der Versuchsrinne variiert werden
Arbeitsziel unterstuumltzt durch Studienarbeit Uumlberpruumlfung und Anpassung der Flieszligformeln zur Simulation des Oberflaumlchenabflusses an steilen Haumlngen
In einer spaumlteren Versuchsphase soll SohlsubstratBoden eingebracht werden um mit oder ohne kuumlnstlichen Bewuchsstrukturen verschiedene Hangrauheiten simulieren zu koumlnnen Dies soll zur Klaumlrung des Erosionsbeginns der Bodenmatrix beitragen
1000 cm
260 cm
Sohlsubstrat zur Aufnahmevon kuumlnstlichen Bewuchsstrukturen
Beregnungsanlage mit schwenkbaren Duumlsen zurvertikalen Regensimulation
Wasserkoumlrper desOberflaumlchenabflusses
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5 Arbeitspaket 4 Instationaumlre 2ndashdimensionale Modellierung des Oberflaumlchenabflusses bei Starkniederschlaumlgen
Um dem Programmieraufwand im Rahmen des Projektes so gering wie moumlglich zu halten wird vorgeschlagen das Programm Floodarea der Fa Geomer Heidelberg welches sich bisher in der Praxis bewaumlhrt hat als Basis fuumlr die Simulationen zu verwenden FloodArea ist ein vollstaumlndig in ArcGISreg integriertes 2D-Modell zur Berechnung von Uumlberschwemmungsflaumlchen Wie in Abschnitt 4 bereits erwaumlhnt war der Verfasser dieser Skizze in die Erarbeitung der hydraulischen Kernroutinen dieser Software involviert und kann insofern ihre Einsatz- und Anpassungsmoumlglichkeiten sehr gut abschaumltzen Eine Abstimmung mit Herrn Dr Assmann von der Fa Geomer erfolgte vor dem Verfassen dieser Projektskizze
Folgende Anpassungen bzw Erweiterungen des Programms sollen realisiert werden
Schnittstelle zu den DWD-Radarniederschlagsdaten um die 5-minuumltigen RADOLAN RY-Komposite fuumlr eine instationaumlre 2-dimensionale Modellierung des Oberflaumlchenabflusses verwenden zu koumlnnen(vgl Abschnitt 2)
Einarbeitung der angepassten und erweiterten Ansaumltze zur Ermittlung des abflusswirksamen Niederschlages bei Starkregen
Einarbeitung der uumlberarbeiteten hydraulischen Ansaumltze fuumlr den Oberflaumlchenabfluss in steilen Hanglagen
Fuumlr die in Abschnitt 7 vorgeschlagenen Pilot-Einzugsgebiete sollen fuumlr ausgesuchte Starkregenereignisse (Regensammlung vgl Abschnitt 22) Simulationen des Oberflaumlchenabflusses durchgefuumlhrt werden
Die Ergebnisse dieser Simulationen sollen die hydraulische Grundlage fuumlr die in Abschnitt 6 beschriebenen Starkregen-Gefahrenkarten bilden
Folgende Datengrundlagen sind in die Simulationen des Oberflaumlchenabflusses zu intergrieren
Radarniederschlagsdaten (vgl Abschnitt 2)
ein hoch aufgeloumlstes digitales Gelaumlndemodell aus Laserscandaten Bereits durchgefuumlhrte Simulationen des Landes Baden Wuumlrttemberg im Einzugsgebiet der Starzel und [25] zeigen dass der Einfluss von Kleinstrukturen und Hindernissen (Mauern Graumlben Strassendammprofile) auf den Verlauf des Abflussgeschehens einen groszligen Einfluss haben koumlnnen
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Diese Kleinstrukturen werden allerdings durch das digitale Gelaumlndemodell nicht immer vollstaumlndig abgebildet Ggf muumlssen die Kleinstrukturen nachdigitalisiert werden um das digitale Gelaumlndemodell bdquohydraulischldquo zu vervollstaumlndigen
Gewaumlssernetz
Nutzungsmodell (zB ATKIS ALKIS CORINE LAND COVER) ggf mit Luftbildaufnahmen zur Verifizierung und Praumlzisierung der Nutzung und zur Ermittlung der Bearbeitungsrichtung bei landwirtschaftlichen Flaumlchen Hydraulisch nicht aktive Gebaumludeflaumlchen muumlssen bdquomarkiertldquo werden damit die Simulation an einer moumlglichst reellen Oberflaumlchengeometrie durchgefuumlhrt werden kann
Bodenkarte
Informationen uumlber die Bodenfeuchte oder Betrachtung der Regenmengen in den letzten 30 Tagen
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6 Arbeitspaket 5 Erarbeitung von Starkregen Gefahrenkarten fuumlr das Land Hessen
Wie im einfuumlhrenden Abschnitt 1 erlaumlutert muumlssen aufgrund der zu kurzen Vorwarnzeiten in kleinen Einzugsgebieten die Flaumlchen- und Bauvorsorge intensiviert werden um Schaumlden durch Starkregen und Sturzfluten mindern zu koumlnnen Die dazu notwendigen Informationen uumlber die in dieser Hinsicht gefaumlhrdeten Flaumlchen und deren Nutzung muumlssen bei der angepassten kommunalen Planung beruumlcksichtigt werden Flaumlchennutzungs- und Bebauungsplaumlne sind auf die topographischen Gegebenheiten und auf die Abflusseigenschaften des Gebietes bei Starkregen abzustimmen
Starkregen Hinweis- oder Starkregen Gefahrenkarten koumlnnen als Ergaumlnzung zu den mittlerweile bundesweit eingefuumlhrten Hochwassergefahrenkarten diese Informationen bereitstellen
Die im Folgenden verwendeten Begriffe
Starkregen-Hinweiskarte
Starkregen-Gefahrenkarten oder Flieszligpfadkarten
sind vorlaumlufige Benennungen Wie auch bei den Hochwassergefahrenkarten muss die LAWA fuumlr eine bundesweit einheitliche Benennung Sorge tragen
Aus der Sicht der Verfasser wird ein zweistufiges Vorgehen empfohlen
1 Identifikation der potentiell gefaumlhrdeten Hangflaumlchen und die Erstellung von Starkregen Hinweiskarten
2 Simulation des Oberflaumlchenabflusses der potentiell gefaumlhrdeten Flaumlchen und Erstellung von Starkregen Gefahrenkarten oder Flieszligpfadkarten
Eine flaumlchendeckende Simulation des Oberflaumlchenabflusses im betrachteten Projektraum sollte aufgrund der dabei entstehenden Projekt- bzw Ingenieurkosten uumlberdacht werden
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(Stufe 1) Identifikation der potentiell gefaumlhrdeten Hangflaumlchen und die Erstellung von Starkregen Hinweiskarten
Es wird vorgeschlagen in einem ersten Schritt den betrachteten Projektraum flaumlchendeckend auf potentiell gefaumlhrdete Hangflaumlchen zu untersuchen
Dazu sollen die Gelaumlndeneigung die Bodennutzung sowie die Lage der steilen Hangflaumlchen zu den schadensempfindlichen Flaumlchen (zB Siedlungsgebiete) fachlich miteinander verknuumlpft werden
Beispielsweise lassen sich auf Grundlage der folgenden fachlich begruumlndeten Matrix mit Hilfe der GIS Werkzeuge die potentiell gefaumlhrdeten Hangflaumlchen leicht identifizieren
Gruumlnland Ackerland
Gelaumlndenutzung Gelaumlndeneigung
Be
arb
eitu
ng
que
r zur
Fallr
ich
tun
g
Be
arb
eitu
ng
in
Fallr
ich
tun
g
kleiner 5 nicht
gefaumlhrdet wenig
gefaumlhrdet
5 bis 10 maumlszligig
gefaumlhrdet
10 bis 20 maumlszligig
gefaumlhrdet
groszliger 20 stark
gefaumlhrdet sehr stark gefaumlhrdet
sehr stark gefaumlhrdet
Liegen unterhalb stark oder maumlszligig gefaumlhrdeter Flaumlchen Siedlungsgebiete oder sind in den gefaumlhrdeten Flaumlchen Siedlungsentwicklungen geplant ist eine detaillierte Untersuchung des Oberflaumlchenabflusses erforderlich (Stufe 2)
Die bislang verwendeten Kriterien zur Einschaumltzung den potentiell betroffenen Flaumlchen sollten uumlberpruumlft und weiterentwickelt werden
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Beispiel fuumlr eine Starkregen-Hinweiskarte Stadt Nidderau
(Stufe 2) Simulation des Oberflaumlchenabflusses der potentiell gefaumlhrdeten Flaumlchen und Erstellung von Starkregen Gefahrenkarten oder Flieszligpfadkarten
Fuumlr die in Stufe 1 identifizierten gefaumlhrdeten Flaumlchen ist in der zweiten Stufe der Oberflaumlchenabfluss zu simulieren Je nach Groumlszlige des zu betrachtenden Niederschlagseinzugsgebietes oberhalb der gefaumlhrdeten Siedlungsflaumlchen und Infrastrukturen muumlssen aus der Regensammlung (vgl Abschnitt 22) konvektive Ereignisse geeigneter Dauer ausgewaumlhlt werden
Aus der instationaumlren 2D-Simulation erhaumllt man fuumlr definierte Zeitpunkte nach dem Beginn des Niederschlages folgende fuumlr das gewaumlhlte Berechnungsraster raumlumlich aufgeloumlste hydraulisch relevante Grundinformationen
Ist die Flaumlche benetzt (janein)
Wasserstand (bdquoUumlberflutungshoumlheldquo) auf der Flaumlche
Flieszligrichtung und Flieszliggeschwindigkeit auf der Flaumlche
Diese hydraulischen Grundinformationen muumlssen aufbereitet fachlich interpretiert und auf geeignete Weise dargestellt werden
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Letztlich geht es darum die Frage zu klaumlren welche Fachinformationen eine Starkregen-Gefahrenkarte beinhalten sollte
Aus der Sicht der Verfasser sollten in den Gefahrenkarten folgende hydraulische Informationen enthalten sein
Abflussrinnen und Flieszligpfade auf den Hangflaumlchen (Vervollstaumlndigung des Gewaumlssernetzes gegen Flieszligrichtung vgl auch Bild Abschnitt 4 Seite 21)
Starkregen-Gefahrenkarte mit Flieszligpfaden und Flieszligrichtung aus BWK [1]
Wassertiefenentwicklung entlang der Flieszligpfade
Flieszliggeschwindigkeiten entlang der Flieszligpfade
Diese Fachinformationen sollten zusammen mit einem fuumlr den Nutzer geeigneten Kartenhintergrund (Luftbildaufnahmen ALK topographische Karte etc) visualisiert werden
Im Rahmen der Bearbeitung der vorgeschlagenen Pilot-Einzugsgebiete (siehe Abschnitt 7) sind geeignete Inhalte und Darstellungsmoumlglichkeiten fuumlr Starkregen-Gefahrenkarten zu entwickeln
Wie auch bei den Hochwassergefahrenkarten sollte die LAWA fuumlr bundesweit einheitliche Standards der Starkregen-Gefahrenkarten Sorge tragen
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7 Arbeitspaket 6 Modell- Pilotprojekt bdquoUmgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessenldquo
In einem letzten Arbeitsabschnitt sollen anhand ausgesuchter Einzugsgebiete mit Hilfe des in Abschnitt 6 vorgeschlagenen Vorgehens Starkregen-Hinweiskarten und Starkregen-Gefahrenkarten erstellt werden
Die Verwendung von Niederschlagsdaten aus Radarbeobachtungen (vgl Abschnitt 1) und der Einsatz des verbesserten Simulationsmodells (vgl Abschnitte 3 und 4) werden gegenuumlber der heutigen Praxis bessere fachliche Informationen zur Bewaumlltigung von Starkregen-Gefahrenlagen bereitstellen koumlnnen
Folgende Pilot-Einzugsgebiete in hessischen Rheingau werden zur Auswahl gestellt
Walluf (AE=281 kmsup2) Die Walluf besitzt einen Pegel (Martinsthal AE=245 kmsup2 36 km oberhalb der Muumlndung) im Einzugsgebiet An der Hochschule RheinMain steht ein Niederschlags-Abfluss Modell der Walluf zur Verfuumlgung
Erbbach Kisselbach (AE= 106 kmsup2)
Pfingstbach (AE= 84 kmsup2)
Stegbach Blaubach (AE= 127 kmsup2)
Der Hochwasserrisikomanagementplan Rheingau steht zurzeit in der oumlffentlichen Abstimmung und wird im Laufe 2015 fertig gestellt werden Nach Aussage von Frau Tremper des Regierungspraumlsidiums Darmstadt Abteilung IVWi 412 waumlre eine Ergaumlnzung des HWRM-PL Rheingau durch Starkregen-Hinweis- und -Gefahrenkarten der Rheingaubaumlche hilfreich Diese wuumlrden die im HWRM-PL Rheingau betrachteten Rhein-Hochwasserszenarien ergaumlnzen
Arbeitsziel unterstuumltzt durch Studienarbeiten Erstellung von Niederschlags- Abfluss Modellen fuumlr die Rheingaubaumlche Erbach Kisselbach Pfingstbach Stegbach Blaubach
Bei der Erstellung der Starkregen-Hinweiskarten und Starkregen-Gefahrenkarten fuumlr die Pilot-Einzugsgebiete sollen die in Abschnitt 6 weiterentwickelten Ansaumltze erprobt und die Karteninhalte mit den spaumlteren Nutzern diskutiert werden Dabei sollen insbesondere die Kartendarstellung und deren Inhalte den jeweiligen fachlichen Beduumlrfnissen entsprechen
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8 Literatur und Quellen
[1] Bund der Ingenieure fuumlr Wasserwirtschaft Abfallwirtschaft und Kulturbau (BWK) eV (Hrsg)(2013) Starkregen und urbane Sturzfluten Praxisleitfaden zur Uumlberflutungsvorsorge BWK-Fachinformation Ausgabe Juli 2013 Band 12013 Sindelfingen
[2] BUREK P THIELEN-DEL POZO J THIEMIG V SALAMON P DE ROO A (2011) Das Europaumlische Hochwasserfruumlhwarnsystem (EFAS) In DWA (Hrsg) Fachbeitraumlge Korrespondenz Wasserwirtschaft Ispra (Italien)
[3] Deutsche Bundesstiftung Umwelt (Hrsg)(2002) Innovativer Ansatz eines vorbeugenden Hochwasserschutzes durch dezentrale Maszlignahmen im Bereich der Siedlungswasserwirtschaft sowie der Landwirtschaft im Einzugsgebiet der Lausitzer Neiszlige Endbericht Universitaumlt Hannover
[4] Deutscher Wetterdienst (DWD) Abteilung Hydrometeorologie (Hrsg)(2004) Projekt RADOLAN Routineverfahren zur Online-Aneichung der Radarniederschlagsdaten mit Hilfe von automatisierten Bodenniederschlagsstationen (Ombrometer)
[5] Deutscher Wetterdienst (DWD) Abteilung Hydrometeorologie (Hrsg)(2011) RADOLANRADVOR-OP Beschreibung des Kompositformats Version 222
[6] Deutscher Wetterdienst (DWD) (Hrsg)(2008) Radarniederschlag-Prinzip der Niederschlagsbestimmung mit Radar inklusive Umrechnung der Radarreflektivitaumlten in Momentanwerte des Niederschlages Version 10
[7] Deutscher Wetterdienst (DWD) Abteilung Hydrometeorologie (Hrsg)(2005) Projekt RADVOR-OP
[8] Deutscher Wetterdienst (DWD) Abteilung Hydrometeorologie (Hrsg)(2012) Projekt RADVOR-OP
[9] DWA Regelwerk Arbeitsblatt DWA-A 531(2012) Starkregen in Abhaumlngigkeit von Wiederkehrintervall und Dauer
[10] DWA Regelwerk Arbeitsblatt DWA-A 118 (2006) Hydraulische Bemessung und Nachweis von Entwaumlsserungssystemen
[11] DWA Regelwerk Merkblatt DWA-M 153 (2007) Handlungsempfehlungen zum Umgang mit Regenwasser
[12] DWA Kommentar zum DWA Regelwerk (2008) Planung Bau und Betrieb von Anlagen zur Versickerung von Niederschlagswasser
[13] DWA Themen (2010) Abfluumlsse aus extremen Niederschlaumlgen Ergebnisse einer Bestandsaufnahme Hochwasserereignisse und Modellansaumltze zu ihrer Abbildung
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9 Allgemeine Informationen Zeitplan und Ressourcen
91 Allgemeine Informationen
Antragsteller Prof Dr-Ing Ernesto Ruiz Rodriguez Wasserbaulaboratorium am Fachbereich Architektur und Bauingenieurwesen Hochschule RheinMain Kurt-Schumacher-Ring 18 65197 Wiesbaden
Projektbearbeiter Arbeitsgruppe bdquoStarkregen und Sturzflutenldquo am Wasserbaulaboratorium Prof Dr-Ing Ernesto Ruiz Rodriguez (Projektleitung) BEng Lisa Trost (Projektbearbeitung) Frank Salffner (Vermessungstechniker Laborant am Wasserbaulaboratorium und in der EDV- Arbeitsgruppe des Fachbereichs) Die Arbeitsziele werden durch Studienarbeiten des Master- Studienganges bdquoUmweltmanagement und Stadtplanung in Ballungsraumlumenldquo (UMSB) unterstuumltzt
Partnerschaften Kooperationspartner Prof Dr Ralf Doumlrner Hochschule RheinMain
FG Graphische Datenverarbeitung und Virtuelle Realitaumlt Prof Dr Robert Seuszlig Fachhochschule Frankfurt FG Geoinformation und Kommunaltechnik Berufsfeuerwehr Wiesbaden Dr Andreacute Assmann Fa Geomer Heidelberg
gewuumlnschte Zusammenarbeit Deutscher Wetterdienst Abt Hydrometeorologie Projektdauer 4 Jahre (vgl 92 Zeitplan) Eigenmittel Projektleitung durch Prof Dr E Ruiz Rodriguez
Nutzung der Einrichtungen des Wasserbaulaboratoriums der Hochschule RheinMain Unterstuumltzung bei Laborarbeiten und EDV Infrastruktur durch Frank Salffner
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92 Zeitplan
1
Jah
r
2
Jah
r
3
Jah
r
4
Jah
r Bemerkung
Arbeitspaket 1 Verwendung von Radardaten zur Simulation von Starkregen Sturzfluten fuumlr kleine Einzugsgebiete
Beginn der Arbeiten
Klaumlrung der Verfuumlgbarkeit von Radarniederschlagsdaten (fuumlr Modellierer Ingenieurbuumlros)
Aufwand zur Nutzung und Aufbereitung von Radarniederschlagsdaten fuumlr Modellierer Ingenieurbuumlros Erstellung eines Werkzeugs zur Visualisierung der archivierten und aktuellen Radarniederschlagsdaten Erstellung eines Werkzeugs zur Transformation und Projektion der DWD-RADOLAN-RW und RY-Komposit-Radarniederschlagsdaten in Gauszlig-Kruumlger undoder UTM-Projektion Erstellung eines GIS Werkzeugs zur Aufbereitung der DWD-RADOLAN-Komposit-Raster zur Simulation von Starkregen in kleinen Einzugsgebieten
1 Berichterstattung Arbeitspaket 1 (Teil 1)
Auswertung der RADOLAN Radarniederschlagsdaten des DWD
Praxisseminar Kolloquium bdquoVerwendung von Radardaten zur Simulation von Starkregen Sturzfluten in Hessenldquo
Arbeitspaket 2 Uumlberpruumlfung und Anpassung von Modellansaumltze zur Ermittlung des abflusswirksamen Niederschlages bei Starkregen
Uumlberpruumlfung und Anpassung der Modellansaumltze zur Ermittlung des abflusswirksamen Niederschlages bei Starkniederschlaumlgen unter besonderer Beruumlcksichtigung von Bodenfeuchte und Bodenluftkompressionseffekten
Arbeitspaket 3 Uumlberpruumlfung und Anpassung der hydraulischen Ansaumltze zur Berechnung des Oberflaumlchenabflusses bei Starkregen Sturzfluten an steilen Haumlngen
Bau der Versuchsrinne am Wasserbaulaboratorium Durchfuumlhrung und Auswertung der Versuche Uumlberpruumlfung und Anpassung der hydraulischen Ansaumltze zur Berechnung des Oberflaumlchenabflusses
2 Berichterstattung Arbeitspaket 2 und Arbeitspaket 3 (Teil1)
Arbeitspaket 4 Instationaumlre 2ndashdimensionale Modellierung des Oberflaumlchenabflusses bei Starkniederschlaumlgen
Anpassen des 2-dimensionallen Modelles auf instationaumlre Niederschlagsfronten Schnittstelle zu DWD RADOLAN Komposite Einarbeiten der verbesserten Ansaumltze zu Berechnung des abflusswirksamen Niederschlages bei Starkniederschlaumlgen Einarbeiten der verbesserten hydraulischen Ansaumltze
wird fortgesetzt
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1
Jah
r
2
Jah
r
3
Jah
r
4
Jah
r Bemerkung
Arbeitspaket 5 Erarbeitung von Starkregen Gefahrenkarten fuumlr das Land Hessen
Uumlberpruumlfen und Anpassung von fachlichen Kriterien fuumlr die Erstellung von Starkregen-Karten Definition der Inhalte von Starkregen-Hinweiskarten Definition der Inhalte von Starkregen- Gefahrenkarten
3 Berichterstattung Arbeitspaket 3 (Teil 2) Arbeitspaket 4 und Arbeitspaket 5 (Teil1)
Arbeitspaket 6 Modell- Pilotprojekt bdquoUmgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessenldquo
Erarbeitung von Starkregen-Hinweiskarten fuumlr die ausgewaumlhlten Pilot-Einzugsgebiete Erarbeitung von Starkregen-Gefahrenkarten fuumlr die ausgewaumlhlten Pilot-Einzugsgebiete Uumlberpruumlfen der fachlichen Kriterien und Ansaumltze (Arbeitspaket 5) fuumlr die Erstellung von Starkregen-Karten Diskussion uumlber die Starkregen-Karteninhalte und Starkregen-Kartendarstellung mit den Nutzern
4 Berichterstattung Arbeitspaket 5 (Teil 2) und Arbeitspaket 6 (Abschlussbericht)
93 Beantragte Mittel
Zur Durchfuumlhrung und Erreichung der im Antrag beschriebenen Arbeitsziele werden fuumlr das
1 Projektjahr 35000 Euro
2 Projektjahr 35000 Euro
3 Projektjahr 35000 Euro
4 Projektjahr 35000 Euro
beantragt
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1160 cm
280 cm
260 cm
1000 cm
1080 cm
6300 cm280 cm
3000 cm3000 cm
3000 cm 3000 cm
1000 cm624 cm
1500deg
Kipprinne zur Simulation des Oberflaumlchenabflusses an steilen HaumlngenLaumlnge= 630 mBreite= 10 mHoumlhe= 026 mmax Neigungswinkel 45deg
variableBeregnungslaumlnge
Maszligstab 120
1000 cm
260 cm
Sohlsubstrat zur Aufnahmevon kuumlnstlichen Bewuchsstrukturen
Beregnungsanlage mit schwenkbaren Duumlsen zurvertikalen Regensimulation
Wasserkoumlrper desOberflaumlchenabflusses
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1830 cm
2625 cm
Drehpunkt
1330 cm
6300 cm
280 cm
1500deg
Maszligstab 120
Kipprinne zur Simulation des Oberflaumlchenabflusses an steilen HaumlngenLaumlnge= 630 mBreite= 10 mHoumlhe= 026 mmax Neigungswinkel 45deg
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bei der Modellierung von Niederschlags-Abfluss-Prozessen (NA-Modellierung) auf natuumlrlichen Flaumlchen eingesetzt
Abflussbeiwert-Ansaumltze
)()()(
)()(
)(
)(
tititi
titi
ti
ti
vw
w
w
Ψ ndash Abflussbeiwert [-]
i(t) ndash Niederschlagsintensitaumlt [mmh]
iw(t) ndash wirksame Niederschlagsintensitaumlt [mmh]
a) konstanter Abflussbeiwert Ψ
b) Konstanter Abflussbeiwert Ψ mit Anfangsverlust hva
Der Anfangsverlust hva wird durch die Mulden- und Benetzungsverluste begruumlndet
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c) Zeitvarianter Abflussbeiwert Ψ mit oder ohne Anfangsverlust hva
In der Urbanhydrologie wird der konstante Abflussbeiwert Ψ ohne Anfangsverlust hva bei der NA-Modellierung kommt fast immer der konstante Abflussbeiwert Ψ mit Anfangsverlust hva zum Einsatz
Liegen Niederschlags- und Abflussaufzeichnungen des Direktabflusses QD(t) vor und ist der Verlauf des Basisabflusses QB(t) bekannt so kann der Abflussbeiwert Ψ aus der Volumen-Massenbilanz ermittelt werden Der Anfangsverlust hva wird in der Regel mit 3 bis 4 mm Niederschlagshoumlhe geschaumltzt Der gefallene effektive Niederschlag iw(t)=Ψ i(t) findet sich im Direktabfluss QD(t) oberhalb des Basisabflusses QB(t)
RE
RA
w
e
D
t
t
iE
t
t
DQ VdttiAdttQV )()(
0
Liegen keine Niederschlags undoder Pegelaufzeichnungen vor wird in der Ingenieurpraxis der Abflussbeiwert mit Hilfe oder im Anlehnung an das SCS Verfahrens (US Soil Conversation Service der USA) ermittelt Diese Verfahren wird ua in der
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DVWK-Regel 113 beschrieben Das SCS-Verfahren unterscheidet folgende Bodentypen
Bodentyp A Boumlden mit groszligem Versickerungsvermoumlgen auch nach starker Vorbefeuchtung zB tiefe Sand- und Kiesboumlden
Bodentyp B Boumlden mit mittlerem Versickerungsvermoumlgen tiefe bis maumlszligig tiefe Boumlden mit maumlszligig feiner bis maumlszligig grober Textur zB mitteltiefe Sandboumlden Loumlszlig (schwach) lehmiger Sand
Bodentyp C Boumlden mit geringem Versickerungsvermoumlgen Boumlden mit feiner bis maumlszligig feiner Textur oder mit wasserstauender Schicht zB flache Sandboumlden sandiger Lehm
Bodentyp D Boumlden mit sehr geringem Versickerungsvermoumlgen Ton Boumlden sehr flache Boumlden uumlber nahezu undurchlaumlssigem Material Boumlden mit dauernd sehr hohem Grundwasserspiegel
BodennutzungBodentyp A B C D
Oumldland (ohne nenneswerten Bewuchs) 77 86 91 94
Hackfruumlchte Wein 70 80 87 90
Wein (Terrassen) 64 73 79 82
Getreide Futterpflanzen 64 76 84 88
Weide (normal) 49 69 79 84
Weide (kark) 68 79 86 89
Dauerwiese 30 58 71 78
Wald (stark aufgelockert) 45 66 77 83
Wald (mittel aufgelockert) 36 60 73 79
Wald (dicht) 25 55 70 77
undurchlaumlssige bzw versiegelte Flaumlchen 100 100 100 100
CN-Beiwert des SCS-Verfahrens
In Abhaumlngigkeit der Bodennutzung und des Bodentyps wird fuumlr das Niederschlagseinzugsgebiet ein flaumlchengewichteter CN-Beiwert ermittelt und der effektive Niederschlag hNE berechnet
4258800425
22004252
NN
NNNe
Ch
Chh
N
Ne
h
h
Das Originalverfahren hat Schwaumlchen und wurde mehrfach modifiziert (zB nach Oslashverland Zaiszlig und Lutz) Dabei wurde versucht den Einfluss der aktuellen Bodenfeuchte des Bodens besser zu beruumlcksichtigen Je nach Bodentyp kann diese einen groszligen Einfluss auf den effektiven Niederschlag (vgl auch Abschnitt 41) haben
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Alle diese Ansaumltze beruumlcksichtigen nicht die bei Starkregen beobachteten und in [17] beschriebenen Effekte der Bodenluftkompression die die Infiltrationsfaumlhigkeit des Porenraumes bei hohen Niederschlagsintensitaumlten mindert und somit den Anteil des Oberflaumlchenabflusses erhoumlht
Arbeitsziel unterstuumltzt durch Studienarbeit Uumlberpruumlfung und Anpassung der Modelansaumltze zur Ermittlung des abflusswirksamen Niederschlages bei Starkniederschlaumlgen unter besonderer Beruumlcksichtigung von Bodenfeuchte und Bodenluftkompressionseffekten
Die Verwendung der Radarniederschlagsdaten macht es moumlglich die zeitliche und raumlumliche Niederschlagsverteilung im Einzugsgebiet zu betrachten Da die Niederschlagsintensitaumlten und -mengen im Einzugsgebiet variieren werden sich demzufolge raumlumlich verteilte Abflussbeiwerte ergeben Die oben beschriebenen Ansaumltze zur Ermittlung des abflusswirksamen Oberflaumlchenabflusses muumlssen daraufhin angepasst und ggf weiterentwickelt werden
Arbeitsziel unterstuumltzt durch Studienarbeit Uumlberpruumlfung und Anpassung der Modelansaumltze zur Ermittlung des abflusswirksamen Niederschlages bei raumlumlich und zeitlich sich veraumlndernden Starkniederschlaumlgen
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4 Arbeitspaket 3 Uumlberpruumlfung und Anpassung der hydraulischen Ansaumltze zur Berechnung des Oberflaumlchenabflusses bei Starkregen Sturzfluten an steilen Haumlngen
Beim Oberflaumlchenabfluss muss zwischen dem klassischen Oberflaumlchenabfluss nach Horton (1933) und dem Saumlttigungsoberflaumlchenabfluss unterschieden werden
Der Oberflaumlchenabfluss nach Horton entsteht durch einen Infiltrationsuumlberschuss Die Niederschlagsintensitaumlt ist houmlher als die Infiltrationskapazitaumlt der Boumlden und das nicht infiltrierte Niederschlagswasser flieszligt dann in Fallrichtung auf der Hangoberflaumlche ab
Der Saumlttigungsoberflaumlchenabfluss setzt dann ein wenn der Boden seine maximale Wassersaumlttigung erreicht hat dh das Porenvolumen vollstaumlndig mit Wasser gesaumlttigt ist Bei diesem Abfluss tritt haumlufig Wasser aus einem vergangenen Ereignis wieder aus dem Boden aus (Exfiltration) und vermischt sich mit dem Niederschlag des aktuellen Ereignisses
Im Folgenden wird zunaumlchst nur die Einphasenstroumlmung des Oberflaumlchenwassers betrachtet der Bewegungsbeginn und der Transport von Teilen der Bodenmatrix (Erosion) werden nicht analysiert Der Massentransport koumlnnte nachdem die Bewegungsgleichungen der Einphasenstroumlmung in steilen Haumlngen verifiziert oder korrigiert wurden in spaumlteren Arbeitsschritten betrachtet werden
Fuumlr die Simulation des Oberflaumlchenabflusses an Steilhaumlngen werden aktuell dieselben Ansaumltze verwendet wie zur Berechnung des Oberflaumlchenabflusses auf flachen Uumlberflutungsflaumlchen in Gewaumlssern und auf Auen Die dabei erzielten Ergebnisse scheinen so plausibel sodass die verwendeten Modelle bislang noch nicht hinterfragt wurden Und das obwohl die geometrischen und hydraulischen Randbedingungen an steilen Hanglagen sich von denen auf flachen Uumlberflutungsflaumlchen stark unterscheiden
In diesem Zusammenhang verglich beispielsweise Herr Dipl-Ing Klaus Schmalzl des Wasserwirtschaftsamtes Rosenheim in seinem Vortrag bdquoSturzfluten hydrodynamisch numerisch mit HYDRO_AS-2D berechnenldquo [38] den er im Rahmen des Treffens der Anwender des 2D-Hydrodynamik-Programms HYDRO_AS-2D der Fa Hydrotec am 11Okt 2014 in Muumlnchen hielt das Programm HYDRO_AS-2D welches eigentlich fuumlr die 2-Dimensionale Simulation in Gewaumlssern entwickelt worden ist mit einem bdquoSchweizer Messerldquo welches als Symbol fuumlr einen vielseitigen Einsatz steht
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In Kongress INTERPRAEVENT 2012 in Grenoble [25] wurde bdquoEin neuer Ansatz zur Modellierung von Oberflaumlchenabflussldquo vorgestellt In der Zusammenfassung
bdquoOberflaumlchenabfluss wird als der Teil des Niederschlags verstanden welcher einem Vorfluter uumlber die Bodenoberflaumlche unmittelbar zufliesst Auswertungen von Unwetterereignissen in den letzten Jahren in der Schweiz haben gezeigt dass bis zu 50 der durch Wassergefahren verursachten Schadenfaumllle durch Oberflaumlchenabfluss verursacht worden sind Dennoch ist Oberflaumlchenabfluss in der Schweiz kaum in den Gefahrenkartierungsprozess integriert Um diese Luumlcke zu fuumlllen wurde auf der Basis der Software FloodArea eine Methode entwickelt welche eine Modellierung von Oberflaumlchenabfluss mit einheitlichen Kriterien uumlber grosse Gebiete erlaubt In dieser Studie werden die Methodenentwicklung und zwei Fallstudien vorgestellt Die Resultate zeigen dass an den Raumlndern von Siedlungsflaumlchen und im Landwirtschaftsland gute Ergebnisse erzielt werden Potenziell gefaumlhrdete Gebaumlude oder Bauparzellen werden erkannt Innerhalb von Siedlungsgebieten sind die Differenzen zu realen Ereignissen groumlsser Daher liegt der Fokus von Folgearbeiten auf einer weiteren Verbesserung der Genauigkeit des Gelaumlndemodells und der Integration von zusaumltzlichen Strukturen (zB Kleinbauten) welche Fliesswege entscheidend beeinflussen koumlnnenldquo aus [25]
wird auf die Software FloodArea der Fa Geomer Heidelberg verwiesen
FloodArea und auch HYDRO_AS-2D sind Beispiele von in der Praxis verwendeten Programmen zur Berechnung von Wasserspiegellagen in Gewaumlssern und zur 2-D Uumlberflutungssimulation auf Auen Wie das nachfolgende Bild zeigt sind die mit FloodArea erzielten Simulationsergebnisse plausibel
Oberflaumlchenabflussmodellierung in Busswil (Kanton Bern Schweiz) aus [25]
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Der Verfasser dieser Projektskizze selbst hat in Zusammenarbeit mit der Fa Geomer in Heidelberg die hydraulischen Kernroutinen fuumlr das Programm FloodArea entwickelt und ist daher in der Lage deren Einsatzgrenzen gut beurteilen zu koumlnnen
41 Korrektur der Flieszligformeln zur Simulation des Oberflaumlchenabflusses an steilen Haumlngen
Die nachfolgende Tabelle zeigt die unterschiedlichen Auspraumlgungen von wichtigen hydraulischen und geometrischen Randbedingungen fuumlr den steilen Oberflaumlchenabfluss und fuumlr die Wasserausbreitung auf den vergleichsweise flachen Gewaumlsserauen
Parameter Auspraumlgung
Gewaumlsser und Aue Steile Hanglage
Gefaumllle klein permil bis 10
groszlig 5 bis uumlber 100
Wassertiefe groszlig Dezimeter bis mehrere Meter
klein Duumlnnfilmabfluss bis Dezimeter
Betrachten wir zunaumlchst ein Fluidelement 119889119909 times ℎ times 119880 auf einer steilen Hangflaumlche mit dem Hangneigungswinkel β und formulieren in x- Richtung das Kraumlftegleichgewicht zwischen der hangabwaumlrts treibenden Kraft
119866 times sin 120573 = 119889119909 times ℎ times 119880 times 120588 times 119892 times sin 120573 und der Hangreibungskraft T
119879 = 120591 times 119880 times 119889119909 Man erhaumllt so den bekannten Ansatz fuumlr die Schleppspannung
120591 auf einer Hangflaumlche
120591 = 120588 times 119892 times119860
119880times sin 120573 [
119873
1198982]
dx
Q
vdx cosszlig
h
G
G sinszlig
T
U
Ah
szlig
x
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Mit dem in der turbulenten Hydraulik uumlblich verwendeten Ansatz
120591 =120582
81199072 [
119873
1198982]
ergibt sich die Flieszligformel fuumlr den Oberflaumlchenabfluss
119907 =1
radic120582times radic8 times 119892 times
119860
119880times 119904119894119899 120573 [
119898
119904]
mit
v - mittl Flieszliggeschwindigkeit [ms]
1
radic120582 - Reibungskoeffizient [-]
g - Erdbeschleunigung [mssup2]
A - Abflussquerschnitt [msup2]
U - benetzte Sohle [m]
β - Hangneigungswinkel [Grad]
Da in der Flusshydraulik die Neigungswinkel der Gewaumlssersohlen deutlich kleiner sind als die Neigungswinkel steiler Hanglagen werden die Flieszligformeln vereinfach
119907 =1
radic120582times radic8 times 119892 times
119860
119880times 119868119864
Anstelle des 119904119894119899 120573 wird das Gefaumllle IE verwendet Dh
119904119894119899 120573 = 120573 oder 119904119894119899 120573 = 119905119886119899 120573 = 119868119864
mit
IE - Sohlgefaumllle [minuspermil]
Fuumlr Gefaumllle bis 20 oder 113 Grad Neigung ist diese Vereinfachung vertretbar und liefert gute Ergebnisse Ab Neigungen groumlszliger 20 darf diese Vereinfachung nicht mehr angesetzt werden Bei einer Hangneigung mit 45 Grad oder IE=1=100 Gefaumllle weichen die Ergebnisse fuumlr die Flieszliggeschwindigkeit um 16 ab
radic1 = 1 radic119904119894119899 45 = 07071 = 084 119865119890ℎ119897119890119903 =1minus084
1times 100 = 16
Bei aktuellen Simulationen werden diese Fehler manchmal auch aus Unkenntnis hingenommen oder mit Hilfe des Reibungskoeffizienten der Oberflaumlchen versucht zu korrigieren
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42 Versuchseinrichtung zur Uumlberpruumlfung und Anpassung der Flieszligformeln zur Simulation des Oberflaumlchenabflusses an steilen Haumlngen
Auf dem Gelaumlnde des Wasserbaulaboratoriums der Hochschule RheinMain soll im naumlchsten Sommersemester 2015 eine Versuchseinrichtung zur Simulation von Oberflaumlchenabfluss auf Hanglagen bis 45deg (11 100) errichtet werden
Es soll eine kippbare Versuchsrinne mit einer Breite von 10 m einer Houmlhe von 026 m und einer Laumlnge von 63 m errichtet werden (vgl auch Anlage 1) Zur vertikalen Regensimulation soll uumlber der Versuchsrinne eine Beregnungsanlage mit schwenkbaren Duumlsen angebracht werden
Kipprinne zur Simulation von Oberflaumlchenabfluumlssen an steilen Haumlngen vgl Anlage 1
In einer ersten Phase sollen die in Abschnitt 41 diskutierten hydraulischen Ansaumltze in Versuchen verifiziert werden Hierbei gilt es besonders zu uumlberpruumlfen ob bei sehr kleinen Abflusstiefen (Duumlnnfilmabfluss) die Oberflaumlchenspannung der Wassers bei den Bewegungsgleichungen von Bedeutung ist
Fuumlr die Versuchsreihen koumlnnen die Beregnungslaumlnge die Niederschlagsintensitaumlt und der Neigungswinkel der Versuchsrinne variiert werden
Arbeitsziel unterstuumltzt durch Studienarbeit Uumlberpruumlfung und Anpassung der Flieszligformeln zur Simulation des Oberflaumlchenabflusses an steilen Haumlngen
In einer spaumlteren Versuchsphase soll SohlsubstratBoden eingebracht werden um mit oder ohne kuumlnstlichen Bewuchsstrukturen verschiedene Hangrauheiten simulieren zu koumlnnen Dies soll zur Klaumlrung des Erosionsbeginns der Bodenmatrix beitragen
1000 cm
260 cm
Sohlsubstrat zur Aufnahmevon kuumlnstlichen Bewuchsstrukturen
Beregnungsanlage mit schwenkbaren Duumlsen zurvertikalen Regensimulation
Wasserkoumlrper desOberflaumlchenabflusses
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Projektskizze Umgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessen (Arbeitstitel) Januar 2015 Seite 25
5 Arbeitspaket 4 Instationaumlre 2ndashdimensionale Modellierung des Oberflaumlchenabflusses bei Starkniederschlaumlgen
Um dem Programmieraufwand im Rahmen des Projektes so gering wie moumlglich zu halten wird vorgeschlagen das Programm Floodarea der Fa Geomer Heidelberg welches sich bisher in der Praxis bewaumlhrt hat als Basis fuumlr die Simulationen zu verwenden FloodArea ist ein vollstaumlndig in ArcGISreg integriertes 2D-Modell zur Berechnung von Uumlberschwemmungsflaumlchen Wie in Abschnitt 4 bereits erwaumlhnt war der Verfasser dieser Skizze in die Erarbeitung der hydraulischen Kernroutinen dieser Software involviert und kann insofern ihre Einsatz- und Anpassungsmoumlglichkeiten sehr gut abschaumltzen Eine Abstimmung mit Herrn Dr Assmann von der Fa Geomer erfolgte vor dem Verfassen dieser Projektskizze
Folgende Anpassungen bzw Erweiterungen des Programms sollen realisiert werden
Schnittstelle zu den DWD-Radarniederschlagsdaten um die 5-minuumltigen RADOLAN RY-Komposite fuumlr eine instationaumlre 2-dimensionale Modellierung des Oberflaumlchenabflusses verwenden zu koumlnnen(vgl Abschnitt 2)
Einarbeitung der angepassten und erweiterten Ansaumltze zur Ermittlung des abflusswirksamen Niederschlages bei Starkregen
Einarbeitung der uumlberarbeiteten hydraulischen Ansaumltze fuumlr den Oberflaumlchenabfluss in steilen Hanglagen
Fuumlr die in Abschnitt 7 vorgeschlagenen Pilot-Einzugsgebiete sollen fuumlr ausgesuchte Starkregenereignisse (Regensammlung vgl Abschnitt 22) Simulationen des Oberflaumlchenabflusses durchgefuumlhrt werden
Die Ergebnisse dieser Simulationen sollen die hydraulische Grundlage fuumlr die in Abschnitt 6 beschriebenen Starkregen-Gefahrenkarten bilden
Folgende Datengrundlagen sind in die Simulationen des Oberflaumlchenabflusses zu intergrieren
Radarniederschlagsdaten (vgl Abschnitt 2)
ein hoch aufgeloumlstes digitales Gelaumlndemodell aus Laserscandaten Bereits durchgefuumlhrte Simulationen des Landes Baden Wuumlrttemberg im Einzugsgebiet der Starzel und [25] zeigen dass der Einfluss von Kleinstrukturen und Hindernissen (Mauern Graumlben Strassendammprofile) auf den Verlauf des Abflussgeschehens einen groszligen Einfluss haben koumlnnen
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Diese Kleinstrukturen werden allerdings durch das digitale Gelaumlndemodell nicht immer vollstaumlndig abgebildet Ggf muumlssen die Kleinstrukturen nachdigitalisiert werden um das digitale Gelaumlndemodell bdquohydraulischldquo zu vervollstaumlndigen
Gewaumlssernetz
Nutzungsmodell (zB ATKIS ALKIS CORINE LAND COVER) ggf mit Luftbildaufnahmen zur Verifizierung und Praumlzisierung der Nutzung und zur Ermittlung der Bearbeitungsrichtung bei landwirtschaftlichen Flaumlchen Hydraulisch nicht aktive Gebaumludeflaumlchen muumlssen bdquomarkiertldquo werden damit die Simulation an einer moumlglichst reellen Oberflaumlchengeometrie durchgefuumlhrt werden kann
Bodenkarte
Informationen uumlber die Bodenfeuchte oder Betrachtung der Regenmengen in den letzten 30 Tagen
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6 Arbeitspaket 5 Erarbeitung von Starkregen Gefahrenkarten fuumlr das Land Hessen
Wie im einfuumlhrenden Abschnitt 1 erlaumlutert muumlssen aufgrund der zu kurzen Vorwarnzeiten in kleinen Einzugsgebieten die Flaumlchen- und Bauvorsorge intensiviert werden um Schaumlden durch Starkregen und Sturzfluten mindern zu koumlnnen Die dazu notwendigen Informationen uumlber die in dieser Hinsicht gefaumlhrdeten Flaumlchen und deren Nutzung muumlssen bei der angepassten kommunalen Planung beruumlcksichtigt werden Flaumlchennutzungs- und Bebauungsplaumlne sind auf die topographischen Gegebenheiten und auf die Abflusseigenschaften des Gebietes bei Starkregen abzustimmen
Starkregen Hinweis- oder Starkregen Gefahrenkarten koumlnnen als Ergaumlnzung zu den mittlerweile bundesweit eingefuumlhrten Hochwassergefahrenkarten diese Informationen bereitstellen
Die im Folgenden verwendeten Begriffe
Starkregen-Hinweiskarte
Starkregen-Gefahrenkarten oder Flieszligpfadkarten
sind vorlaumlufige Benennungen Wie auch bei den Hochwassergefahrenkarten muss die LAWA fuumlr eine bundesweit einheitliche Benennung Sorge tragen
Aus der Sicht der Verfasser wird ein zweistufiges Vorgehen empfohlen
1 Identifikation der potentiell gefaumlhrdeten Hangflaumlchen und die Erstellung von Starkregen Hinweiskarten
2 Simulation des Oberflaumlchenabflusses der potentiell gefaumlhrdeten Flaumlchen und Erstellung von Starkregen Gefahrenkarten oder Flieszligpfadkarten
Eine flaumlchendeckende Simulation des Oberflaumlchenabflusses im betrachteten Projektraum sollte aufgrund der dabei entstehenden Projekt- bzw Ingenieurkosten uumlberdacht werden
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(Stufe 1) Identifikation der potentiell gefaumlhrdeten Hangflaumlchen und die Erstellung von Starkregen Hinweiskarten
Es wird vorgeschlagen in einem ersten Schritt den betrachteten Projektraum flaumlchendeckend auf potentiell gefaumlhrdete Hangflaumlchen zu untersuchen
Dazu sollen die Gelaumlndeneigung die Bodennutzung sowie die Lage der steilen Hangflaumlchen zu den schadensempfindlichen Flaumlchen (zB Siedlungsgebiete) fachlich miteinander verknuumlpft werden
Beispielsweise lassen sich auf Grundlage der folgenden fachlich begruumlndeten Matrix mit Hilfe der GIS Werkzeuge die potentiell gefaumlhrdeten Hangflaumlchen leicht identifizieren
Gruumlnland Ackerland
Gelaumlndenutzung Gelaumlndeneigung
Be
arb
eitu
ng
que
r zur
Fallr
ich
tun
g
Be
arb
eitu
ng
in
Fallr
ich
tun
g
kleiner 5 nicht
gefaumlhrdet wenig
gefaumlhrdet
5 bis 10 maumlszligig
gefaumlhrdet
10 bis 20 maumlszligig
gefaumlhrdet
groszliger 20 stark
gefaumlhrdet sehr stark gefaumlhrdet
sehr stark gefaumlhrdet
Liegen unterhalb stark oder maumlszligig gefaumlhrdeter Flaumlchen Siedlungsgebiete oder sind in den gefaumlhrdeten Flaumlchen Siedlungsentwicklungen geplant ist eine detaillierte Untersuchung des Oberflaumlchenabflusses erforderlich (Stufe 2)
Die bislang verwendeten Kriterien zur Einschaumltzung den potentiell betroffenen Flaumlchen sollten uumlberpruumlft und weiterentwickelt werden
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Beispiel fuumlr eine Starkregen-Hinweiskarte Stadt Nidderau
(Stufe 2) Simulation des Oberflaumlchenabflusses der potentiell gefaumlhrdeten Flaumlchen und Erstellung von Starkregen Gefahrenkarten oder Flieszligpfadkarten
Fuumlr die in Stufe 1 identifizierten gefaumlhrdeten Flaumlchen ist in der zweiten Stufe der Oberflaumlchenabfluss zu simulieren Je nach Groumlszlige des zu betrachtenden Niederschlagseinzugsgebietes oberhalb der gefaumlhrdeten Siedlungsflaumlchen und Infrastrukturen muumlssen aus der Regensammlung (vgl Abschnitt 22) konvektive Ereignisse geeigneter Dauer ausgewaumlhlt werden
Aus der instationaumlren 2D-Simulation erhaumllt man fuumlr definierte Zeitpunkte nach dem Beginn des Niederschlages folgende fuumlr das gewaumlhlte Berechnungsraster raumlumlich aufgeloumlste hydraulisch relevante Grundinformationen
Ist die Flaumlche benetzt (janein)
Wasserstand (bdquoUumlberflutungshoumlheldquo) auf der Flaumlche
Flieszligrichtung und Flieszliggeschwindigkeit auf der Flaumlche
Diese hydraulischen Grundinformationen muumlssen aufbereitet fachlich interpretiert und auf geeignete Weise dargestellt werden
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Letztlich geht es darum die Frage zu klaumlren welche Fachinformationen eine Starkregen-Gefahrenkarte beinhalten sollte
Aus der Sicht der Verfasser sollten in den Gefahrenkarten folgende hydraulische Informationen enthalten sein
Abflussrinnen und Flieszligpfade auf den Hangflaumlchen (Vervollstaumlndigung des Gewaumlssernetzes gegen Flieszligrichtung vgl auch Bild Abschnitt 4 Seite 21)
Starkregen-Gefahrenkarte mit Flieszligpfaden und Flieszligrichtung aus BWK [1]
Wassertiefenentwicklung entlang der Flieszligpfade
Flieszliggeschwindigkeiten entlang der Flieszligpfade
Diese Fachinformationen sollten zusammen mit einem fuumlr den Nutzer geeigneten Kartenhintergrund (Luftbildaufnahmen ALK topographische Karte etc) visualisiert werden
Im Rahmen der Bearbeitung der vorgeschlagenen Pilot-Einzugsgebiete (siehe Abschnitt 7) sind geeignete Inhalte und Darstellungsmoumlglichkeiten fuumlr Starkregen-Gefahrenkarten zu entwickeln
Wie auch bei den Hochwassergefahrenkarten sollte die LAWA fuumlr bundesweit einheitliche Standards der Starkregen-Gefahrenkarten Sorge tragen
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7 Arbeitspaket 6 Modell- Pilotprojekt bdquoUmgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessenldquo
In einem letzten Arbeitsabschnitt sollen anhand ausgesuchter Einzugsgebiete mit Hilfe des in Abschnitt 6 vorgeschlagenen Vorgehens Starkregen-Hinweiskarten und Starkregen-Gefahrenkarten erstellt werden
Die Verwendung von Niederschlagsdaten aus Radarbeobachtungen (vgl Abschnitt 1) und der Einsatz des verbesserten Simulationsmodells (vgl Abschnitte 3 und 4) werden gegenuumlber der heutigen Praxis bessere fachliche Informationen zur Bewaumlltigung von Starkregen-Gefahrenlagen bereitstellen koumlnnen
Folgende Pilot-Einzugsgebiete in hessischen Rheingau werden zur Auswahl gestellt
Walluf (AE=281 kmsup2) Die Walluf besitzt einen Pegel (Martinsthal AE=245 kmsup2 36 km oberhalb der Muumlndung) im Einzugsgebiet An der Hochschule RheinMain steht ein Niederschlags-Abfluss Modell der Walluf zur Verfuumlgung
Erbbach Kisselbach (AE= 106 kmsup2)
Pfingstbach (AE= 84 kmsup2)
Stegbach Blaubach (AE= 127 kmsup2)
Der Hochwasserrisikomanagementplan Rheingau steht zurzeit in der oumlffentlichen Abstimmung und wird im Laufe 2015 fertig gestellt werden Nach Aussage von Frau Tremper des Regierungspraumlsidiums Darmstadt Abteilung IVWi 412 waumlre eine Ergaumlnzung des HWRM-PL Rheingau durch Starkregen-Hinweis- und -Gefahrenkarten der Rheingaubaumlche hilfreich Diese wuumlrden die im HWRM-PL Rheingau betrachteten Rhein-Hochwasserszenarien ergaumlnzen
Arbeitsziel unterstuumltzt durch Studienarbeiten Erstellung von Niederschlags- Abfluss Modellen fuumlr die Rheingaubaumlche Erbach Kisselbach Pfingstbach Stegbach Blaubach
Bei der Erstellung der Starkregen-Hinweiskarten und Starkregen-Gefahrenkarten fuumlr die Pilot-Einzugsgebiete sollen die in Abschnitt 6 weiterentwickelten Ansaumltze erprobt und die Karteninhalte mit den spaumlteren Nutzern diskutiert werden Dabei sollen insbesondere die Kartendarstellung und deren Inhalte den jeweiligen fachlichen Beduumlrfnissen entsprechen
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8 Literatur und Quellen
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[6] Deutscher Wetterdienst (DWD) (Hrsg)(2008) Radarniederschlag-Prinzip der Niederschlagsbestimmung mit Radar inklusive Umrechnung der Radarreflektivitaumlten in Momentanwerte des Niederschlages Version 10
[7] Deutscher Wetterdienst (DWD) Abteilung Hydrometeorologie (Hrsg)(2005) Projekt RADVOR-OP
[8] Deutscher Wetterdienst (DWD) Abteilung Hydrometeorologie (Hrsg)(2012) Projekt RADVOR-OP
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[12] DWA Kommentar zum DWA Regelwerk (2008) Planung Bau und Betrieb von Anlagen zur Versickerung von Niederschlagswasser
[13] DWA Themen (2010) Abfluumlsse aus extremen Niederschlaumlgen Ergebnisse einer Bestandsaufnahme Hochwasserereignisse und Modellansaumltze zu ihrer Abbildung
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9 Allgemeine Informationen Zeitplan und Ressourcen
91 Allgemeine Informationen
Antragsteller Prof Dr-Ing Ernesto Ruiz Rodriguez Wasserbaulaboratorium am Fachbereich Architektur und Bauingenieurwesen Hochschule RheinMain Kurt-Schumacher-Ring 18 65197 Wiesbaden
Projektbearbeiter Arbeitsgruppe bdquoStarkregen und Sturzflutenldquo am Wasserbaulaboratorium Prof Dr-Ing Ernesto Ruiz Rodriguez (Projektleitung) BEng Lisa Trost (Projektbearbeitung) Frank Salffner (Vermessungstechniker Laborant am Wasserbaulaboratorium und in der EDV- Arbeitsgruppe des Fachbereichs) Die Arbeitsziele werden durch Studienarbeiten des Master- Studienganges bdquoUmweltmanagement und Stadtplanung in Ballungsraumlumenldquo (UMSB) unterstuumltzt
Partnerschaften Kooperationspartner Prof Dr Ralf Doumlrner Hochschule RheinMain
FG Graphische Datenverarbeitung und Virtuelle Realitaumlt Prof Dr Robert Seuszlig Fachhochschule Frankfurt FG Geoinformation und Kommunaltechnik Berufsfeuerwehr Wiesbaden Dr Andreacute Assmann Fa Geomer Heidelberg
gewuumlnschte Zusammenarbeit Deutscher Wetterdienst Abt Hydrometeorologie Projektdauer 4 Jahre (vgl 92 Zeitplan) Eigenmittel Projektleitung durch Prof Dr E Ruiz Rodriguez
Nutzung der Einrichtungen des Wasserbaulaboratoriums der Hochschule RheinMain Unterstuumltzung bei Laborarbeiten und EDV Infrastruktur durch Frank Salffner
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92 Zeitplan
1
Jah
r
2
Jah
r
3
Jah
r
4
Jah
r Bemerkung
Arbeitspaket 1 Verwendung von Radardaten zur Simulation von Starkregen Sturzfluten fuumlr kleine Einzugsgebiete
Beginn der Arbeiten
Klaumlrung der Verfuumlgbarkeit von Radarniederschlagsdaten (fuumlr Modellierer Ingenieurbuumlros)
Aufwand zur Nutzung und Aufbereitung von Radarniederschlagsdaten fuumlr Modellierer Ingenieurbuumlros Erstellung eines Werkzeugs zur Visualisierung der archivierten und aktuellen Radarniederschlagsdaten Erstellung eines Werkzeugs zur Transformation und Projektion der DWD-RADOLAN-RW und RY-Komposit-Radarniederschlagsdaten in Gauszlig-Kruumlger undoder UTM-Projektion Erstellung eines GIS Werkzeugs zur Aufbereitung der DWD-RADOLAN-Komposit-Raster zur Simulation von Starkregen in kleinen Einzugsgebieten
1 Berichterstattung Arbeitspaket 1 (Teil 1)
Auswertung der RADOLAN Radarniederschlagsdaten des DWD
Praxisseminar Kolloquium bdquoVerwendung von Radardaten zur Simulation von Starkregen Sturzfluten in Hessenldquo
Arbeitspaket 2 Uumlberpruumlfung und Anpassung von Modellansaumltze zur Ermittlung des abflusswirksamen Niederschlages bei Starkregen
Uumlberpruumlfung und Anpassung der Modellansaumltze zur Ermittlung des abflusswirksamen Niederschlages bei Starkniederschlaumlgen unter besonderer Beruumlcksichtigung von Bodenfeuchte und Bodenluftkompressionseffekten
Arbeitspaket 3 Uumlberpruumlfung und Anpassung der hydraulischen Ansaumltze zur Berechnung des Oberflaumlchenabflusses bei Starkregen Sturzfluten an steilen Haumlngen
Bau der Versuchsrinne am Wasserbaulaboratorium Durchfuumlhrung und Auswertung der Versuche Uumlberpruumlfung und Anpassung der hydraulischen Ansaumltze zur Berechnung des Oberflaumlchenabflusses
2 Berichterstattung Arbeitspaket 2 und Arbeitspaket 3 (Teil1)
Arbeitspaket 4 Instationaumlre 2ndashdimensionale Modellierung des Oberflaumlchenabflusses bei Starkniederschlaumlgen
Anpassen des 2-dimensionallen Modelles auf instationaumlre Niederschlagsfronten Schnittstelle zu DWD RADOLAN Komposite Einarbeiten der verbesserten Ansaumltze zu Berechnung des abflusswirksamen Niederschlages bei Starkniederschlaumlgen Einarbeiten der verbesserten hydraulischen Ansaumltze
wird fortgesetzt
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1
Jah
r
2
Jah
r
3
Jah
r
4
Jah
r Bemerkung
Arbeitspaket 5 Erarbeitung von Starkregen Gefahrenkarten fuumlr das Land Hessen
Uumlberpruumlfen und Anpassung von fachlichen Kriterien fuumlr die Erstellung von Starkregen-Karten Definition der Inhalte von Starkregen-Hinweiskarten Definition der Inhalte von Starkregen- Gefahrenkarten
3 Berichterstattung Arbeitspaket 3 (Teil 2) Arbeitspaket 4 und Arbeitspaket 5 (Teil1)
Arbeitspaket 6 Modell- Pilotprojekt bdquoUmgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessenldquo
Erarbeitung von Starkregen-Hinweiskarten fuumlr die ausgewaumlhlten Pilot-Einzugsgebiete Erarbeitung von Starkregen-Gefahrenkarten fuumlr die ausgewaumlhlten Pilot-Einzugsgebiete Uumlberpruumlfen der fachlichen Kriterien und Ansaumltze (Arbeitspaket 5) fuumlr die Erstellung von Starkregen-Karten Diskussion uumlber die Starkregen-Karteninhalte und Starkregen-Kartendarstellung mit den Nutzern
4 Berichterstattung Arbeitspaket 5 (Teil 2) und Arbeitspaket 6 (Abschlussbericht)
93 Beantragte Mittel
Zur Durchfuumlhrung und Erreichung der im Antrag beschriebenen Arbeitsziele werden fuumlr das
1 Projektjahr 35000 Euro
2 Projektjahr 35000 Euro
3 Projektjahr 35000 Euro
4 Projektjahr 35000 Euro
beantragt
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1160 cm
280 cm
260 cm
1000 cm
1080 cm
6300 cm280 cm
3000 cm3000 cm
3000 cm 3000 cm
1000 cm624 cm
1500deg
Kipprinne zur Simulation des Oberflaumlchenabflusses an steilen HaumlngenLaumlnge= 630 mBreite= 10 mHoumlhe= 026 mmax Neigungswinkel 45deg
variableBeregnungslaumlnge
Maszligstab 120
1000 cm
260 cm
Sohlsubstrat zur Aufnahmevon kuumlnstlichen Bewuchsstrukturen
Beregnungsanlage mit schwenkbaren Duumlsen zurvertikalen Regensimulation
Wasserkoumlrper desOberflaumlchenabflusses
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Projektskizze Umgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessen (Arbeitstitel) Januar 2015 Anlage 1
1830 cm
2625 cm
Drehpunkt
1330 cm
6300 cm
280 cm
1500deg
Maszligstab 120
Kipprinne zur Simulation des Oberflaumlchenabflusses an steilen HaumlngenLaumlnge= 630 mBreite= 10 mHoumlhe= 026 mmax Neigungswinkel 45deg
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c) Zeitvarianter Abflussbeiwert Ψ mit oder ohne Anfangsverlust hva
In der Urbanhydrologie wird der konstante Abflussbeiwert Ψ ohne Anfangsverlust hva bei der NA-Modellierung kommt fast immer der konstante Abflussbeiwert Ψ mit Anfangsverlust hva zum Einsatz
Liegen Niederschlags- und Abflussaufzeichnungen des Direktabflusses QD(t) vor und ist der Verlauf des Basisabflusses QB(t) bekannt so kann der Abflussbeiwert Ψ aus der Volumen-Massenbilanz ermittelt werden Der Anfangsverlust hva wird in der Regel mit 3 bis 4 mm Niederschlagshoumlhe geschaumltzt Der gefallene effektive Niederschlag iw(t)=Ψ i(t) findet sich im Direktabfluss QD(t) oberhalb des Basisabflusses QB(t)
RE
RA
w
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DQ VdttiAdttQV )()(
0
Liegen keine Niederschlags undoder Pegelaufzeichnungen vor wird in der Ingenieurpraxis der Abflussbeiwert mit Hilfe oder im Anlehnung an das SCS Verfahrens (US Soil Conversation Service der USA) ermittelt Diese Verfahren wird ua in der
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DVWK-Regel 113 beschrieben Das SCS-Verfahren unterscheidet folgende Bodentypen
Bodentyp A Boumlden mit groszligem Versickerungsvermoumlgen auch nach starker Vorbefeuchtung zB tiefe Sand- und Kiesboumlden
Bodentyp B Boumlden mit mittlerem Versickerungsvermoumlgen tiefe bis maumlszligig tiefe Boumlden mit maumlszligig feiner bis maumlszligig grober Textur zB mitteltiefe Sandboumlden Loumlszlig (schwach) lehmiger Sand
Bodentyp C Boumlden mit geringem Versickerungsvermoumlgen Boumlden mit feiner bis maumlszligig feiner Textur oder mit wasserstauender Schicht zB flache Sandboumlden sandiger Lehm
Bodentyp D Boumlden mit sehr geringem Versickerungsvermoumlgen Ton Boumlden sehr flache Boumlden uumlber nahezu undurchlaumlssigem Material Boumlden mit dauernd sehr hohem Grundwasserspiegel
BodennutzungBodentyp A B C D
Oumldland (ohne nenneswerten Bewuchs) 77 86 91 94
Hackfruumlchte Wein 70 80 87 90
Wein (Terrassen) 64 73 79 82
Getreide Futterpflanzen 64 76 84 88
Weide (normal) 49 69 79 84
Weide (kark) 68 79 86 89
Dauerwiese 30 58 71 78
Wald (stark aufgelockert) 45 66 77 83
Wald (mittel aufgelockert) 36 60 73 79
Wald (dicht) 25 55 70 77
undurchlaumlssige bzw versiegelte Flaumlchen 100 100 100 100
CN-Beiwert des SCS-Verfahrens
In Abhaumlngigkeit der Bodennutzung und des Bodentyps wird fuumlr das Niederschlagseinzugsgebiet ein flaumlchengewichteter CN-Beiwert ermittelt und der effektive Niederschlag hNE berechnet
4258800425
22004252
NN
NNNe
Ch
Chh
N
Ne
h
h
Das Originalverfahren hat Schwaumlchen und wurde mehrfach modifiziert (zB nach Oslashverland Zaiszlig und Lutz) Dabei wurde versucht den Einfluss der aktuellen Bodenfeuchte des Bodens besser zu beruumlcksichtigen Je nach Bodentyp kann diese einen groszligen Einfluss auf den effektiven Niederschlag (vgl auch Abschnitt 41) haben
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Alle diese Ansaumltze beruumlcksichtigen nicht die bei Starkregen beobachteten und in [17] beschriebenen Effekte der Bodenluftkompression die die Infiltrationsfaumlhigkeit des Porenraumes bei hohen Niederschlagsintensitaumlten mindert und somit den Anteil des Oberflaumlchenabflusses erhoumlht
Arbeitsziel unterstuumltzt durch Studienarbeit Uumlberpruumlfung und Anpassung der Modelansaumltze zur Ermittlung des abflusswirksamen Niederschlages bei Starkniederschlaumlgen unter besonderer Beruumlcksichtigung von Bodenfeuchte und Bodenluftkompressionseffekten
Die Verwendung der Radarniederschlagsdaten macht es moumlglich die zeitliche und raumlumliche Niederschlagsverteilung im Einzugsgebiet zu betrachten Da die Niederschlagsintensitaumlten und -mengen im Einzugsgebiet variieren werden sich demzufolge raumlumlich verteilte Abflussbeiwerte ergeben Die oben beschriebenen Ansaumltze zur Ermittlung des abflusswirksamen Oberflaumlchenabflusses muumlssen daraufhin angepasst und ggf weiterentwickelt werden
Arbeitsziel unterstuumltzt durch Studienarbeit Uumlberpruumlfung und Anpassung der Modelansaumltze zur Ermittlung des abflusswirksamen Niederschlages bei raumlumlich und zeitlich sich veraumlndernden Starkniederschlaumlgen
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4 Arbeitspaket 3 Uumlberpruumlfung und Anpassung der hydraulischen Ansaumltze zur Berechnung des Oberflaumlchenabflusses bei Starkregen Sturzfluten an steilen Haumlngen
Beim Oberflaumlchenabfluss muss zwischen dem klassischen Oberflaumlchenabfluss nach Horton (1933) und dem Saumlttigungsoberflaumlchenabfluss unterschieden werden
Der Oberflaumlchenabfluss nach Horton entsteht durch einen Infiltrationsuumlberschuss Die Niederschlagsintensitaumlt ist houmlher als die Infiltrationskapazitaumlt der Boumlden und das nicht infiltrierte Niederschlagswasser flieszligt dann in Fallrichtung auf der Hangoberflaumlche ab
Der Saumlttigungsoberflaumlchenabfluss setzt dann ein wenn der Boden seine maximale Wassersaumlttigung erreicht hat dh das Porenvolumen vollstaumlndig mit Wasser gesaumlttigt ist Bei diesem Abfluss tritt haumlufig Wasser aus einem vergangenen Ereignis wieder aus dem Boden aus (Exfiltration) und vermischt sich mit dem Niederschlag des aktuellen Ereignisses
Im Folgenden wird zunaumlchst nur die Einphasenstroumlmung des Oberflaumlchenwassers betrachtet der Bewegungsbeginn und der Transport von Teilen der Bodenmatrix (Erosion) werden nicht analysiert Der Massentransport koumlnnte nachdem die Bewegungsgleichungen der Einphasenstroumlmung in steilen Haumlngen verifiziert oder korrigiert wurden in spaumlteren Arbeitsschritten betrachtet werden
Fuumlr die Simulation des Oberflaumlchenabflusses an Steilhaumlngen werden aktuell dieselben Ansaumltze verwendet wie zur Berechnung des Oberflaumlchenabflusses auf flachen Uumlberflutungsflaumlchen in Gewaumlssern und auf Auen Die dabei erzielten Ergebnisse scheinen so plausibel sodass die verwendeten Modelle bislang noch nicht hinterfragt wurden Und das obwohl die geometrischen und hydraulischen Randbedingungen an steilen Hanglagen sich von denen auf flachen Uumlberflutungsflaumlchen stark unterscheiden
In diesem Zusammenhang verglich beispielsweise Herr Dipl-Ing Klaus Schmalzl des Wasserwirtschaftsamtes Rosenheim in seinem Vortrag bdquoSturzfluten hydrodynamisch numerisch mit HYDRO_AS-2D berechnenldquo [38] den er im Rahmen des Treffens der Anwender des 2D-Hydrodynamik-Programms HYDRO_AS-2D der Fa Hydrotec am 11Okt 2014 in Muumlnchen hielt das Programm HYDRO_AS-2D welches eigentlich fuumlr die 2-Dimensionale Simulation in Gewaumlssern entwickelt worden ist mit einem bdquoSchweizer Messerldquo welches als Symbol fuumlr einen vielseitigen Einsatz steht
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In Kongress INTERPRAEVENT 2012 in Grenoble [25] wurde bdquoEin neuer Ansatz zur Modellierung von Oberflaumlchenabflussldquo vorgestellt In der Zusammenfassung
bdquoOberflaumlchenabfluss wird als der Teil des Niederschlags verstanden welcher einem Vorfluter uumlber die Bodenoberflaumlche unmittelbar zufliesst Auswertungen von Unwetterereignissen in den letzten Jahren in der Schweiz haben gezeigt dass bis zu 50 der durch Wassergefahren verursachten Schadenfaumllle durch Oberflaumlchenabfluss verursacht worden sind Dennoch ist Oberflaumlchenabfluss in der Schweiz kaum in den Gefahrenkartierungsprozess integriert Um diese Luumlcke zu fuumlllen wurde auf der Basis der Software FloodArea eine Methode entwickelt welche eine Modellierung von Oberflaumlchenabfluss mit einheitlichen Kriterien uumlber grosse Gebiete erlaubt In dieser Studie werden die Methodenentwicklung und zwei Fallstudien vorgestellt Die Resultate zeigen dass an den Raumlndern von Siedlungsflaumlchen und im Landwirtschaftsland gute Ergebnisse erzielt werden Potenziell gefaumlhrdete Gebaumlude oder Bauparzellen werden erkannt Innerhalb von Siedlungsgebieten sind die Differenzen zu realen Ereignissen groumlsser Daher liegt der Fokus von Folgearbeiten auf einer weiteren Verbesserung der Genauigkeit des Gelaumlndemodells und der Integration von zusaumltzlichen Strukturen (zB Kleinbauten) welche Fliesswege entscheidend beeinflussen koumlnnenldquo aus [25]
wird auf die Software FloodArea der Fa Geomer Heidelberg verwiesen
FloodArea und auch HYDRO_AS-2D sind Beispiele von in der Praxis verwendeten Programmen zur Berechnung von Wasserspiegellagen in Gewaumlssern und zur 2-D Uumlberflutungssimulation auf Auen Wie das nachfolgende Bild zeigt sind die mit FloodArea erzielten Simulationsergebnisse plausibel
Oberflaumlchenabflussmodellierung in Busswil (Kanton Bern Schweiz) aus [25]
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Der Verfasser dieser Projektskizze selbst hat in Zusammenarbeit mit der Fa Geomer in Heidelberg die hydraulischen Kernroutinen fuumlr das Programm FloodArea entwickelt und ist daher in der Lage deren Einsatzgrenzen gut beurteilen zu koumlnnen
41 Korrektur der Flieszligformeln zur Simulation des Oberflaumlchenabflusses an steilen Haumlngen
Die nachfolgende Tabelle zeigt die unterschiedlichen Auspraumlgungen von wichtigen hydraulischen und geometrischen Randbedingungen fuumlr den steilen Oberflaumlchenabfluss und fuumlr die Wasserausbreitung auf den vergleichsweise flachen Gewaumlsserauen
Parameter Auspraumlgung
Gewaumlsser und Aue Steile Hanglage
Gefaumllle klein permil bis 10
groszlig 5 bis uumlber 100
Wassertiefe groszlig Dezimeter bis mehrere Meter
klein Duumlnnfilmabfluss bis Dezimeter
Betrachten wir zunaumlchst ein Fluidelement 119889119909 times ℎ times 119880 auf einer steilen Hangflaumlche mit dem Hangneigungswinkel β und formulieren in x- Richtung das Kraumlftegleichgewicht zwischen der hangabwaumlrts treibenden Kraft
119866 times sin 120573 = 119889119909 times ℎ times 119880 times 120588 times 119892 times sin 120573 und der Hangreibungskraft T
119879 = 120591 times 119880 times 119889119909 Man erhaumllt so den bekannten Ansatz fuumlr die Schleppspannung
120591 auf einer Hangflaumlche
120591 = 120588 times 119892 times119860
119880times sin 120573 [
119873
1198982]
dx
Q
vdx cosszlig
h
G
G sinszlig
T
U
Ah
szlig
x
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Mit dem in der turbulenten Hydraulik uumlblich verwendeten Ansatz
120591 =120582
81199072 [
119873
1198982]
ergibt sich die Flieszligformel fuumlr den Oberflaumlchenabfluss
119907 =1
radic120582times radic8 times 119892 times
119860
119880times 119904119894119899 120573 [
119898
119904]
mit
v - mittl Flieszliggeschwindigkeit [ms]
1
radic120582 - Reibungskoeffizient [-]
g - Erdbeschleunigung [mssup2]
A - Abflussquerschnitt [msup2]
U - benetzte Sohle [m]
β - Hangneigungswinkel [Grad]
Da in der Flusshydraulik die Neigungswinkel der Gewaumlssersohlen deutlich kleiner sind als die Neigungswinkel steiler Hanglagen werden die Flieszligformeln vereinfach
119907 =1
radic120582times radic8 times 119892 times
119860
119880times 119868119864
Anstelle des 119904119894119899 120573 wird das Gefaumllle IE verwendet Dh
119904119894119899 120573 = 120573 oder 119904119894119899 120573 = 119905119886119899 120573 = 119868119864
mit
IE - Sohlgefaumllle [minuspermil]
Fuumlr Gefaumllle bis 20 oder 113 Grad Neigung ist diese Vereinfachung vertretbar und liefert gute Ergebnisse Ab Neigungen groumlszliger 20 darf diese Vereinfachung nicht mehr angesetzt werden Bei einer Hangneigung mit 45 Grad oder IE=1=100 Gefaumllle weichen die Ergebnisse fuumlr die Flieszliggeschwindigkeit um 16 ab
radic1 = 1 radic119904119894119899 45 = 07071 = 084 119865119890ℎ119897119890119903 =1minus084
1times 100 = 16
Bei aktuellen Simulationen werden diese Fehler manchmal auch aus Unkenntnis hingenommen oder mit Hilfe des Reibungskoeffizienten der Oberflaumlchen versucht zu korrigieren
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42 Versuchseinrichtung zur Uumlberpruumlfung und Anpassung der Flieszligformeln zur Simulation des Oberflaumlchenabflusses an steilen Haumlngen
Auf dem Gelaumlnde des Wasserbaulaboratoriums der Hochschule RheinMain soll im naumlchsten Sommersemester 2015 eine Versuchseinrichtung zur Simulation von Oberflaumlchenabfluss auf Hanglagen bis 45deg (11 100) errichtet werden
Es soll eine kippbare Versuchsrinne mit einer Breite von 10 m einer Houmlhe von 026 m und einer Laumlnge von 63 m errichtet werden (vgl auch Anlage 1) Zur vertikalen Regensimulation soll uumlber der Versuchsrinne eine Beregnungsanlage mit schwenkbaren Duumlsen angebracht werden
Kipprinne zur Simulation von Oberflaumlchenabfluumlssen an steilen Haumlngen vgl Anlage 1
In einer ersten Phase sollen die in Abschnitt 41 diskutierten hydraulischen Ansaumltze in Versuchen verifiziert werden Hierbei gilt es besonders zu uumlberpruumlfen ob bei sehr kleinen Abflusstiefen (Duumlnnfilmabfluss) die Oberflaumlchenspannung der Wassers bei den Bewegungsgleichungen von Bedeutung ist
Fuumlr die Versuchsreihen koumlnnen die Beregnungslaumlnge die Niederschlagsintensitaumlt und der Neigungswinkel der Versuchsrinne variiert werden
Arbeitsziel unterstuumltzt durch Studienarbeit Uumlberpruumlfung und Anpassung der Flieszligformeln zur Simulation des Oberflaumlchenabflusses an steilen Haumlngen
In einer spaumlteren Versuchsphase soll SohlsubstratBoden eingebracht werden um mit oder ohne kuumlnstlichen Bewuchsstrukturen verschiedene Hangrauheiten simulieren zu koumlnnen Dies soll zur Klaumlrung des Erosionsbeginns der Bodenmatrix beitragen
1000 cm
260 cm
Sohlsubstrat zur Aufnahmevon kuumlnstlichen Bewuchsstrukturen
Beregnungsanlage mit schwenkbaren Duumlsen zurvertikalen Regensimulation
Wasserkoumlrper desOberflaumlchenabflusses
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5 Arbeitspaket 4 Instationaumlre 2ndashdimensionale Modellierung des Oberflaumlchenabflusses bei Starkniederschlaumlgen
Um dem Programmieraufwand im Rahmen des Projektes so gering wie moumlglich zu halten wird vorgeschlagen das Programm Floodarea der Fa Geomer Heidelberg welches sich bisher in der Praxis bewaumlhrt hat als Basis fuumlr die Simulationen zu verwenden FloodArea ist ein vollstaumlndig in ArcGISreg integriertes 2D-Modell zur Berechnung von Uumlberschwemmungsflaumlchen Wie in Abschnitt 4 bereits erwaumlhnt war der Verfasser dieser Skizze in die Erarbeitung der hydraulischen Kernroutinen dieser Software involviert und kann insofern ihre Einsatz- und Anpassungsmoumlglichkeiten sehr gut abschaumltzen Eine Abstimmung mit Herrn Dr Assmann von der Fa Geomer erfolgte vor dem Verfassen dieser Projektskizze
Folgende Anpassungen bzw Erweiterungen des Programms sollen realisiert werden
Schnittstelle zu den DWD-Radarniederschlagsdaten um die 5-minuumltigen RADOLAN RY-Komposite fuumlr eine instationaumlre 2-dimensionale Modellierung des Oberflaumlchenabflusses verwenden zu koumlnnen(vgl Abschnitt 2)
Einarbeitung der angepassten und erweiterten Ansaumltze zur Ermittlung des abflusswirksamen Niederschlages bei Starkregen
Einarbeitung der uumlberarbeiteten hydraulischen Ansaumltze fuumlr den Oberflaumlchenabfluss in steilen Hanglagen
Fuumlr die in Abschnitt 7 vorgeschlagenen Pilot-Einzugsgebiete sollen fuumlr ausgesuchte Starkregenereignisse (Regensammlung vgl Abschnitt 22) Simulationen des Oberflaumlchenabflusses durchgefuumlhrt werden
Die Ergebnisse dieser Simulationen sollen die hydraulische Grundlage fuumlr die in Abschnitt 6 beschriebenen Starkregen-Gefahrenkarten bilden
Folgende Datengrundlagen sind in die Simulationen des Oberflaumlchenabflusses zu intergrieren
Radarniederschlagsdaten (vgl Abschnitt 2)
ein hoch aufgeloumlstes digitales Gelaumlndemodell aus Laserscandaten Bereits durchgefuumlhrte Simulationen des Landes Baden Wuumlrttemberg im Einzugsgebiet der Starzel und [25] zeigen dass der Einfluss von Kleinstrukturen und Hindernissen (Mauern Graumlben Strassendammprofile) auf den Verlauf des Abflussgeschehens einen groszligen Einfluss haben koumlnnen
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Diese Kleinstrukturen werden allerdings durch das digitale Gelaumlndemodell nicht immer vollstaumlndig abgebildet Ggf muumlssen die Kleinstrukturen nachdigitalisiert werden um das digitale Gelaumlndemodell bdquohydraulischldquo zu vervollstaumlndigen
Gewaumlssernetz
Nutzungsmodell (zB ATKIS ALKIS CORINE LAND COVER) ggf mit Luftbildaufnahmen zur Verifizierung und Praumlzisierung der Nutzung und zur Ermittlung der Bearbeitungsrichtung bei landwirtschaftlichen Flaumlchen Hydraulisch nicht aktive Gebaumludeflaumlchen muumlssen bdquomarkiertldquo werden damit die Simulation an einer moumlglichst reellen Oberflaumlchengeometrie durchgefuumlhrt werden kann
Bodenkarte
Informationen uumlber die Bodenfeuchte oder Betrachtung der Regenmengen in den letzten 30 Tagen
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6 Arbeitspaket 5 Erarbeitung von Starkregen Gefahrenkarten fuumlr das Land Hessen
Wie im einfuumlhrenden Abschnitt 1 erlaumlutert muumlssen aufgrund der zu kurzen Vorwarnzeiten in kleinen Einzugsgebieten die Flaumlchen- und Bauvorsorge intensiviert werden um Schaumlden durch Starkregen und Sturzfluten mindern zu koumlnnen Die dazu notwendigen Informationen uumlber die in dieser Hinsicht gefaumlhrdeten Flaumlchen und deren Nutzung muumlssen bei der angepassten kommunalen Planung beruumlcksichtigt werden Flaumlchennutzungs- und Bebauungsplaumlne sind auf die topographischen Gegebenheiten und auf die Abflusseigenschaften des Gebietes bei Starkregen abzustimmen
Starkregen Hinweis- oder Starkregen Gefahrenkarten koumlnnen als Ergaumlnzung zu den mittlerweile bundesweit eingefuumlhrten Hochwassergefahrenkarten diese Informationen bereitstellen
Die im Folgenden verwendeten Begriffe
Starkregen-Hinweiskarte
Starkregen-Gefahrenkarten oder Flieszligpfadkarten
sind vorlaumlufige Benennungen Wie auch bei den Hochwassergefahrenkarten muss die LAWA fuumlr eine bundesweit einheitliche Benennung Sorge tragen
Aus der Sicht der Verfasser wird ein zweistufiges Vorgehen empfohlen
1 Identifikation der potentiell gefaumlhrdeten Hangflaumlchen und die Erstellung von Starkregen Hinweiskarten
2 Simulation des Oberflaumlchenabflusses der potentiell gefaumlhrdeten Flaumlchen und Erstellung von Starkregen Gefahrenkarten oder Flieszligpfadkarten
Eine flaumlchendeckende Simulation des Oberflaumlchenabflusses im betrachteten Projektraum sollte aufgrund der dabei entstehenden Projekt- bzw Ingenieurkosten uumlberdacht werden
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(Stufe 1) Identifikation der potentiell gefaumlhrdeten Hangflaumlchen und die Erstellung von Starkregen Hinweiskarten
Es wird vorgeschlagen in einem ersten Schritt den betrachteten Projektraum flaumlchendeckend auf potentiell gefaumlhrdete Hangflaumlchen zu untersuchen
Dazu sollen die Gelaumlndeneigung die Bodennutzung sowie die Lage der steilen Hangflaumlchen zu den schadensempfindlichen Flaumlchen (zB Siedlungsgebiete) fachlich miteinander verknuumlpft werden
Beispielsweise lassen sich auf Grundlage der folgenden fachlich begruumlndeten Matrix mit Hilfe der GIS Werkzeuge die potentiell gefaumlhrdeten Hangflaumlchen leicht identifizieren
Gruumlnland Ackerland
Gelaumlndenutzung Gelaumlndeneigung
Be
arb
eitu
ng
que
r zur
Fallr
ich
tun
g
Be
arb
eitu
ng
in
Fallr
ich
tun
g
kleiner 5 nicht
gefaumlhrdet wenig
gefaumlhrdet
5 bis 10 maumlszligig
gefaumlhrdet
10 bis 20 maumlszligig
gefaumlhrdet
groszliger 20 stark
gefaumlhrdet sehr stark gefaumlhrdet
sehr stark gefaumlhrdet
Liegen unterhalb stark oder maumlszligig gefaumlhrdeter Flaumlchen Siedlungsgebiete oder sind in den gefaumlhrdeten Flaumlchen Siedlungsentwicklungen geplant ist eine detaillierte Untersuchung des Oberflaumlchenabflusses erforderlich (Stufe 2)
Die bislang verwendeten Kriterien zur Einschaumltzung den potentiell betroffenen Flaumlchen sollten uumlberpruumlft und weiterentwickelt werden
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Beispiel fuumlr eine Starkregen-Hinweiskarte Stadt Nidderau
(Stufe 2) Simulation des Oberflaumlchenabflusses der potentiell gefaumlhrdeten Flaumlchen und Erstellung von Starkregen Gefahrenkarten oder Flieszligpfadkarten
Fuumlr die in Stufe 1 identifizierten gefaumlhrdeten Flaumlchen ist in der zweiten Stufe der Oberflaumlchenabfluss zu simulieren Je nach Groumlszlige des zu betrachtenden Niederschlagseinzugsgebietes oberhalb der gefaumlhrdeten Siedlungsflaumlchen und Infrastrukturen muumlssen aus der Regensammlung (vgl Abschnitt 22) konvektive Ereignisse geeigneter Dauer ausgewaumlhlt werden
Aus der instationaumlren 2D-Simulation erhaumllt man fuumlr definierte Zeitpunkte nach dem Beginn des Niederschlages folgende fuumlr das gewaumlhlte Berechnungsraster raumlumlich aufgeloumlste hydraulisch relevante Grundinformationen
Ist die Flaumlche benetzt (janein)
Wasserstand (bdquoUumlberflutungshoumlheldquo) auf der Flaumlche
Flieszligrichtung und Flieszliggeschwindigkeit auf der Flaumlche
Diese hydraulischen Grundinformationen muumlssen aufbereitet fachlich interpretiert und auf geeignete Weise dargestellt werden
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Letztlich geht es darum die Frage zu klaumlren welche Fachinformationen eine Starkregen-Gefahrenkarte beinhalten sollte
Aus der Sicht der Verfasser sollten in den Gefahrenkarten folgende hydraulische Informationen enthalten sein
Abflussrinnen und Flieszligpfade auf den Hangflaumlchen (Vervollstaumlndigung des Gewaumlssernetzes gegen Flieszligrichtung vgl auch Bild Abschnitt 4 Seite 21)
Starkregen-Gefahrenkarte mit Flieszligpfaden und Flieszligrichtung aus BWK [1]
Wassertiefenentwicklung entlang der Flieszligpfade
Flieszliggeschwindigkeiten entlang der Flieszligpfade
Diese Fachinformationen sollten zusammen mit einem fuumlr den Nutzer geeigneten Kartenhintergrund (Luftbildaufnahmen ALK topographische Karte etc) visualisiert werden
Im Rahmen der Bearbeitung der vorgeschlagenen Pilot-Einzugsgebiete (siehe Abschnitt 7) sind geeignete Inhalte und Darstellungsmoumlglichkeiten fuumlr Starkregen-Gefahrenkarten zu entwickeln
Wie auch bei den Hochwassergefahrenkarten sollte die LAWA fuumlr bundesweit einheitliche Standards der Starkregen-Gefahrenkarten Sorge tragen
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7 Arbeitspaket 6 Modell- Pilotprojekt bdquoUmgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessenldquo
In einem letzten Arbeitsabschnitt sollen anhand ausgesuchter Einzugsgebiete mit Hilfe des in Abschnitt 6 vorgeschlagenen Vorgehens Starkregen-Hinweiskarten und Starkregen-Gefahrenkarten erstellt werden
Die Verwendung von Niederschlagsdaten aus Radarbeobachtungen (vgl Abschnitt 1) und der Einsatz des verbesserten Simulationsmodells (vgl Abschnitte 3 und 4) werden gegenuumlber der heutigen Praxis bessere fachliche Informationen zur Bewaumlltigung von Starkregen-Gefahrenlagen bereitstellen koumlnnen
Folgende Pilot-Einzugsgebiete in hessischen Rheingau werden zur Auswahl gestellt
Walluf (AE=281 kmsup2) Die Walluf besitzt einen Pegel (Martinsthal AE=245 kmsup2 36 km oberhalb der Muumlndung) im Einzugsgebiet An der Hochschule RheinMain steht ein Niederschlags-Abfluss Modell der Walluf zur Verfuumlgung
Erbbach Kisselbach (AE= 106 kmsup2)
Pfingstbach (AE= 84 kmsup2)
Stegbach Blaubach (AE= 127 kmsup2)
Der Hochwasserrisikomanagementplan Rheingau steht zurzeit in der oumlffentlichen Abstimmung und wird im Laufe 2015 fertig gestellt werden Nach Aussage von Frau Tremper des Regierungspraumlsidiums Darmstadt Abteilung IVWi 412 waumlre eine Ergaumlnzung des HWRM-PL Rheingau durch Starkregen-Hinweis- und -Gefahrenkarten der Rheingaubaumlche hilfreich Diese wuumlrden die im HWRM-PL Rheingau betrachteten Rhein-Hochwasserszenarien ergaumlnzen
Arbeitsziel unterstuumltzt durch Studienarbeiten Erstellung von Niederschlags- Abfluss Modellen fuumlr die Rheingaubaumlche Erbach Kisselbach Pfingstbach Stegbach Blaubach
Bei der Erstellung der Starkregen-Hinweiskarten und Starkregen-Gefahrenkarten fuumlr die Pilot-Einzugsgebiete sollen die in Abschnitt 6 weiterentwickelten Ansaumltze erprobt und die Karteninhalte mit den spaumlteren Nutzern diskutiert werden Dabei sollen insbesondere die Kartendarstellung und deren Inhalte den jeweiligen fachlichen Beduumlrfnissen entsprechen
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[11] DWA Regelwerk Merkblatt DWA-M 153 (2007) Handlungsempfehlungen zum Umgang mit Regenwasser
[12] DWA Kommentar zum DWA Regelwerk (2008) Planung Bau und Betrieb von Anlagen zur Versickerung von Niederschlagswasser
[13] DWA Themen (2010) Abfluumlsse aus extremen Niederschlaumlgen Ergebnisse einer Bestandsaufnahme Hochwasserereignisse und Modellansaumltze zu ihrer Abbildung
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[33] PEUszligNER J (2013) Untersuchung der Nutzbarkeit von zeitlich hoch aufgeloumlsten Radardaten des Niederschlags zur verbesserten Simulation des Bodenabtrags durch Wasser Masterarbeit Institut fuumlr Physische Geographie und Landschaftsoumlkologie Universitaumlt Hannover
[34] PFAFF T (2012) Processing and Analysis of Weather Radar Data for Use in Hydrologie In Universitaumlt Stuttgart Institut fuumlr Wasser- und Umweltsystemmodellierung (Hrsg) Mitteilungen - Institut fuumlr Wasser- und Umweltsystemmodellierung Universitaumlt Stuttgart 216
[35] PLATE E J ZEHE E (Hrsg)(2008) Hydrologie und Stoffdynamik kleiner Einzugsgebiete Prozesse und Modelle Verlagsbuchhandlung Schweizerbart
[36] SCHATZL R (2001) Skalenabhaumlngiger Vergleich zwischen Wetterradardaten und Niederschlagsmessungen In TU Graz (Hrsg) Schriftenreihe zur Wasserwirtschaft Technische Universitaumlt Graz 39
[37] SCHAumlDEL W (2006) Schritte zur Verbesserung einer Hochwasserfruumlhwarnung mittels Online-Bodenfeuchtemessungen Dissertation Universitaumlt Karlsruhe (TH)
[38] SCHMALZL K (2014) Sturzfluten hydrodynamisch numerisch mit HYDRO-AS-2D berechnen Wasserwirtschaftsamt Rosenheim
[39] Stadt Graz (2013) Flieszligpfadkarte Graz
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Projektskizze Umgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessen (Arbeitstitel) Januar 2015 Seite 35
[40] THUNIG S (2004) Berechnung der Hochwasserscheitelminderung der Windach am Auslass des Windachspeichers durch den Bau zweier geplanter Retentionsbecken Diplomarbeit Institut fuumlr Wasserwesen Universitaumlt der Bundeswehr Muumlnchen
[41] Verein Deutscher Ingenieure (2014) Umweltmeteorologie Bodengebundene Fernmessung des Niederschlags Wetterradar In VDI-Richtlinien
[42] WETZEL M (2005) Modellierung der Hangwasserdynamik eines Untersuchungsgebietes im Nationalpark Hainich mit dem Modell HYDRUS-2D Diplomarbeit Universitaumlt Jena
[43] WINTERRATH T Dr WEIGL E (2012) RADOLAN RADVOR-OP und die RADOLAN-Klimatologie Status und Plaumlne In DWD (Hrsg) DWD-Kundenforum Hydrometeorologie Offenbach
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9 Allgemeine Informationen Zeitplan und Ressourcen
91 Allgemeine Informationen
Antragsteller Prof Dr-Ing Ernesto Ruiz Rodriguez Wasserbaulaboratorium am Fachbereich Architektur und Bauingenieurwesen Hochschule RheinMain Kurt-Schumacher-Ring 18 65197 Wiesbaden
Projektbearbeiter Arbeitsgruppe bdquoStarkregen und Sturzflutenldquo am Wasserbaulaboratorium Prof Dr-Ing Ernesto Ruiz Rodriguez (Projektleitung) BEng Lisa Trost (Projektbearbeitung) Frank Salffner (Vermessungstechniker Laborant am Wasserbaulaboratorium und in der EDV- Arbeitsgruppe des Fachbereichs) Die Arbeitsziele werden durch Studienarbeiten des Master- Studienganges bdquoUmweltmanagement und Stadtplanung in Ballungsraumlumenldquo (UMSB) unterstuumltzt
Partnerschaften Kooperationspartner Prof Dr Ralf Doumlrner Hochschule RheinMain
FG Graphische Datenverarbeitung und Virtuelle Realitaumlt Prof Dr Robert Seuszlig Fachhochschule Frankfurt FG Geoinformation und Kommunaltechnik Berufsfeuerwehr Wiesbaden Dr Andreacute Assmann Fa Geomer Heidelberg
gewuumlnschte Zusammenarbeit Deutscher Wetterdienst Abt Hydrometeorologie Projektdauer 4 Jahre (vgl 92 Zeitplan) Eigenmittel Projektleitung durch Prof Dr E Ruiz Rodriguez
Nutzung der Einrichtungen des Wasserbaulaboratoriums der Hochschule RheinMain Unterstuumltzung bei Laborarbeiten und EDV Infrastruktur durch Frank Salffner
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92 Zeitplan
1
Jah
r
2
Jah
r
3
Jah
r
4
Jah
r Bemerkung
Arbeitspaket 1 Verwendung von Radardaten zur Simulation von Starkregen Sturzfluten fuumlr kleine Einzugsgebiete
Beginn der Arbeiten
Klaumlrung der Verfuumlgbarkeit von Radarniederschlagsdaten (fuumlr Modellierer Ingenieurbuumlros)
Aufwand zur Nutzung und Aufbereitung von Radarniederschlagsdaten fuumlr Modellierer Ingenieurbuumlros Erstellung eines Werkzeugs zur Visualisierung der archivierten und aktuellen Radarniederschlagsdaten Erstellung eines Werkzeugs zur Transformation und Projektion der DWD-RADOLAN-RW und RY-Komposit-Radarniederschlagsdaten in Gauszlig-Kruumlger undoder UTM-Projektion Erstellung eines GIS Werkzeugs zur Aufbereitung der DWD-RADOLAN-Komposit-Raster zur Simulation von Starkregen in kleinen Einzugsgebieten
1 Berichterstattung Arbeitspaket 1 (Teil 1)
Auswertung der RADOLAN Radarniederschlagsdaten des DWD
Praxisseminar Kolloquium bdquoVerwendung von Radardaten zur Simulation von Starkregen Sturzfluten in Hessenldquo
Arbeitspaket 2 Uumlberpruumlfung und Anpassung von Modellansaumltze zur Ermittlung des abflusswirksamen Niederschlages bei Starkregen
Uumlberpruumlfung und Anpassung der Modellansaumltze zur Ermittlung des abflusswirksamen Niederschlages bei Starkniederschlaumlgen unter besonderer Beruumlcksichtigung von Bodenfeuchte und Bodenluftkompressionseffekten
Arbeitspaket 3 Uumlberpruumlfung und Anpassung der hydraulischen Ansaumltze zur Berechnung des Oberflaumlchenabflusses bei Starkregen Sturzfluten an steilen Haumlngen
Bau der Versuchsrinne am Wasserbaulaboratorium Durchfuumlhrung und Auswertung der Versuche Uumlberpruumlfung und Anpassung der hydraulischen Ansaumltze zur Berechnung des Oberflaumlchenabflusses
2 Berichterstattung Arbeitspaket 2 und Arbeitspaket 3 (Teil1)
Arbeitspaket 4 Instationaumlre 2ndashdimensionale Modellierung des Oberflaumlchenabflusses bei Starkniederschlaumlgen
Anpassen des 2-dimensionallen Modelles auf instationaumlre Niederschlagsfronten Schnittstelle zu DWD RADOLAN Komposite Einarbeiten der verbesserten Ansaumltze zu Berechnung des abflusswirksamen Niederschlages bei Starkniederschlaumlgen Einarbeiten der verbesserten hydraulischen Ansaumltze
wird fortgesetzt
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1
Jah
r
2
Jah
r
3
Jah
r
4
Jah
r Bemerkung
Arbeitspaket 5 Erarbeitung von Starkregen Gefahrenkarten fuumlr das Land Hessen
Uumlberpruumlfen und Anpassung von fachlichen Kriterien fuumlr die Erstellung von Starkregen-Karten Definition der Inhalte von Starkregen-Hinweiskarten Definition der Inhalte von Starkregen- Gefahrenkarten
3 Berichterstattung Arbeitspaket 3 (Teil 2) Arbeitspaket 4 und Arbeitspaket 5 (Teil1)
Arbeitspaket 6 Modell- Pilotprojekt bdquoUmgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessenldquo
Erarbeitung von Starkregen-Hinweiskarten fuumlr die ausgewaumlhlten Pilot-Einzugsgebiete Erarbeitung von Starkregen-Gefahrenkarten fuumlr die ausgewaumlhlten Pilot-Einzugsgebiete Uumlberpruumlfen der fachlichen Kriterien und Ansaumltze (Arbeitspaket 5) fuumlr die Erstellung von Starkregen-Karten Diskussion uumlber die Starkregen-Karteninhalte und Starkregen-Kartendarstellung mit den Nutzern
4 Berichterstattung Arbeitspaket 5 (Teil 2) und Arbeitspaket 6 (Abschlussbericht)
93 Beantragte Mittel
Zur Durchfuumlhrung und Erreichung der im Antrag beschriebenen Arbeitsziele werden fuumlr das
1 Projektjahr 35000 Euro
2 Projektjahr 35000 Euro
3 Projektjahr 35000 Euro
4 Projektjahr 35000 Euro
beantragt
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Projektskizze Umgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessen (Arbeitstitel) Januar 2015 Anlage 1
1160 cm
280 cm
260 cm
1000 cm
1080 cm
6300 cm280 cm
3000 cm3000 cm
3000 cm 3000 cm
1000 cm624 cm
1500deg
Kipprinne zur Simulation des Oberflaumlchenabflusses an steilen HaumlngenLaumlnge= 630 mBreite= 10 mHoumlhe= 026 mmax Neigungswinkel 45deg
variableBeregnungslaumlnge
Maszligstab 120
1000 cm
260 cm
Sohlsubstrat zur Aufnahmevon kuumlnstlichen Bewuchsstrukturen
Beregnungsanlage mit schwenkbaren Duumlsen zurvertikalen Regensimulation
Wasserkoumlrper desOberflaumlchenabflusses
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Projektskizze Umgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessen (Arbeitstitel) Januar 2015 Anlage 1
1830 cm
2625 cm
Drehpunkt
1330 cm
6300 cm
280 cm
1500deg
Maszligstab 120
Kipprinne zur Simulation des Oberflaumlchenabflusses an steilen HaumlngenLaumlnge= 630 mBreite= 10 mHoumlhe= 026 mmax Neigungswinkel 45deg
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DVWK-Regel 113 beschrieben Das SCS-Verfahren unterscheidet folgende Bodentypen
Bodentyp A Boumlden mit groszligem Versickerungsvermoumlgen auch nach starker Vorbefeuchtung zB tiefe Sand- und Kiesboumlden
Bodentyp B Boumlden mit mittlerem Versickerungsvermoumlgen tiefe bis maumlszligig tiefe Boumlden mit maumlszligig feiner bis maumlszligig grober Textur zB mitteltiefe Sandboumlden Loumlszlig (schwach) lehmiger Sand
Bodentyp C Boumlden mit geringem Versickerungsvermoumlgen Boumlden mit feiner bis maumlszligig feiner Textur oder mit wasserstauender Schicht zB flache Sandboumlden sandiger Lehm
Bodentyp D Boumlden mit sehr geringem Versickerungsvermoumlgen Ton Boumlden sehr flache Boumlden uumlber nahezu undurchlaumlssigem Material Boumlden mit dauernd sehr hohem Grundwasserspiegel
BodennutzungBodentyp A B C D
Oumldland (ohne nenneswerten Bewuchs) 77 86 91 94
Hackfruumlchte Wein 70 80 87 90
Wein (Terrassen) 64 73 79 82
Getreide Futterpflanzen 64 76 84 88
Weide (normal) 49 69 79 84
Weide (kark) 68 79 86 89
Dauerwiese 30 58 71 78
Wald (stark aufgelockert) 45 66 77 83
Wald (mittel aufgelockert) 36 60 73 79
Wald (dicht) 25 55 70 77
undurchlaumlssige bzw versiegelte Flaumlchen 100 100 100 100
CN-Beiwert des SCS-Verfahrens
In Abhaumlngigkeit der Bodennutzung und des Bodentyps wird fuumlr das Niederschlagseinzugsgebiet ein flaumlchengewichteter CN-Beiwert ermittelt und der effektive Niederschlag hNE berechnet
4258800425
22004252
NN
NNNe
Ch
Chh
N
Ne
h
h
Das Originalverfahren hat Schwaumlchen und wurde mehrfach modifiziert (zB nach Oslashverland Zaiszlig und Lutz) Dabei wurde versucht den Einfluss der aktuellen Bodenfeuchte des Bodens besser zu beruumlcksichtigen Je nach Bodentyp kann diese einen groszligen Einfluss auf den effektiven Niederschlag (vgl auch Abschnitt 41) haben
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Alle diese Ansaumltze beruumlcksichtigen nicht die bei Starkregen beobachteten und in [17] beschriebenen Effekte der Bodenluftkompression die die Infiltrationsfaumlhigkeit des Porenraumes bei hohen Niederschlagsintensitaumlten mindert und somit den Anteil des Oberflaumlchenabflusses erhoumlht
Arbeitsziel unterstuumltzt durch Studienarbeit Uumlberpruumlfung und Anpassung der Modelansaumltze zur Ermittlung des abflusswirksamen Niederschlages bei Starkniederschlaumlgen unter besonderer Beruumlcksichtigung von Bodenfeuchte und Bodenluftkompressionseffekten
Die Verwendung der Radarniederschlagsdaten macht es moumlglich die zeitliche und raumlumliche Niederschlagsverteilung im Einzugsgebiet zu betrachten Da die Niederschlagsintensitaumlten und -mengen im Einzugsgebiet variieren werden sich demzufolge raumlumlich verteilte Abflussbeiwerte ergeben Die oben beschriebenen Ansaumltze zur Ermittlung des abflusswirksamen Oberflaumlchenabflusses muumlssen daraufhin angepasst und ggf weiterentwickelt werden
Arbeitsziel unterstuumltzt durch Studienarbeit Uumlberpruumlfung und Anpassung der Modelansaumltze zur Ermittlung des abflusswirksamen Niederschlages bei raumlumlich und zeitlich sich veraumlndernden Starkniederschlaumlgen
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4 Arbeitspaket 3 Uumlberpruumlfung und Anpassung der hydraulischen Ansaumltze zur Berechnung des Oberflaumlchenabflusses bei Starkregen Sturzfluten an steilen Haumlngen
Beim Oberflaumlchenabfluss muss zwischen dem klassischen Oberflaumlchenabfluss nach Horton (1933) und dem Saumlttigungsoberflaumlchenabfluss unterschieden werden
Der Oberflaumlchenabfluss nach Horton entsteht durch einen Infiltrationsuumlberschuss Die Niederschlagsintensitaumlt ist houmlher als die Infiltrationskapazitaumlt der Boumlden und das nicht infiltrierte Niederschlagswasser flieszligt dann in Fallrichtung auf der Hangoberflaumlche ab
Der Saumlttigungsoberflaumlchenabfluss setzt dann ein wenn der Boden seine maximale Wassersaumlttigung erreicht hat dh das Porenvolumen vollstaumlndig mit Wasser gesaumlttigt ist Bei diesem Abfluss tritt haumlufig Wasser aus einem vergangenen Ereignis wieder aus dem Boden aus (Exfiltration) und vermischt sich mit dem Niederschlag des aktuellen Ereignisses
Im Folgenden wird zunaumlchst nur die Einphasenstroumlmung des Oberflaumlchenwassers betrachtet der Bewegungsbeginn und der Transport von Teilen der Bodenmatrix (Erosion) werden nicht analysiert Der Massentransport koumlnnte nachdem die Bewegungsgleichungen der Einphasenstroumlmung in steilen Haumlngen verifiziert oder korrigiert wurden in spaumlteren Arbeitsschritten betrachtet werden
Fuumlr die Simulation des Oberflaumlchenabflusses an Steilhaumlngen werden aktuell dieselben Ansaumltze verwendet wie zur Berechnung des Oberflaumlchenabflusses auf flachen Uumlberflutungsflaumlchen in Gewaumlssern und auf Auen Die dabei erzielten Ergebnisse scheinen so plausibel sodass die verwendeten Modelle bislang noch nicht hinterfragt wurden Und das obwohl die geometrischen und hydraulischen Randbedingungen an steilen Hanglagen sich von denen auf flachen Uumlberflutungsflaumlchen stark unterscheiden
In diesem Zusammenhang verglich beispielsweise Herr Dipl-Ing Klaus Schmalzl des Wasserwirtschaftsamtes Rosenheim in seinem Vortrag bdquoSturzfluten hydrodynamisch numerisch mit HYDRO_AS-2D berechnenldquo [38] den er im Rahmen des Treffens der Anwender des 2D-Hydrodynamik-Programms HYDRO_AS-2D der Fa Hydrotec am 11Okt 2014 in Muumlnchen hielt das Programm HYDRO_AS-2D welches eigentlich fuumlr die 2-Dimensionale Simulation in Gewaumlssern entwickelt worden ist mit einem bdquoSchweizer Messerldquo welches als Symbol fuumlr einen vielseitigen Einsatz steht
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In Kongress INTERPRAEVENT 2012 in Grenoble [25] wurde bdquoEin neuer Ansatz zur Modellierung von Oberflaumlchenabflussldquo vorgestellt In der Zusammenfassung
bdquoOberflaumlchenabfluss wird als der Teil des Niederschlags verstanden welcher einem Vorfluter uumlber die Bodenoberflaumlche unmittelbar zufliesst Auswertungen von Unwetterereignissen in den letzten Jahren in der Schweiz haben gezeigt dass bis zu 50 der durch Wassergefahren verursachten Schadenfaumllle durch Oberflaumlchenabfluss verursacht worden sind Dennoch ist Oberflaumlchenabfluss in der Schweiz kaum in den Gefahrenkartierungsprozess integriert Um diese Luumlcke zu fuumlllen wurde auf der Basis der Software FloodArea eine Methode entwickelt welche eine Modellierung von Oberflaumlchenabfluss mit einheitlichen Kriterien uumlber grosse Gebiete erlaubt In dieser Studie werden die Methodenentwicklung und zwei Fallstudien vorgestellt Die Resultate zeigen dass an den Raumlndern von Siedlungsflaumlchen und im Landwirtschaftsland gute Ergebnisse erzielt werden Potenziell gefaumlhrdete Gebaumlude oder Bauparzellen werden erkannt Innerhalb von Siedlungsgebieten sind die Differenzen zu realen Ereignissen groumlsser Daher liegt der Fokus von Folgearbeiten auf einer weiteren Verbesserung der Genauigkeit des Gelaumlndemodells und der Integration von zusaumltzlichen Strukturen (zB Kleinbauten) welche Fliesswege entscheidend beeinflussen koumlnnenldquo aus [25]
wird auf die Software FloodArea der Fa Geomer Heidelberg verwiesen
FloodArea und auch HYDRO_AS-2D sind Beispiele von in der Praxis verwendeten Programmen zur Berechnung von Wasserspiegellagen in Gewaumlssern und zur 2-D Uumlberflutungssimulation auf Auen Wie das nachfolgende Bild zeigt sind die mit FloodArea erzielten Simulationsergebnisse plausibel
Oberflaumlchenabflussmodellierung in Busswil (Kanton Bern Schweiz) aus [25]
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Projektskizze Umgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessen (Arbeitstitel) Januar 2015 Seite 22
Der Verfasser dieser Projektskizze selbst hat in Zusammenarbeit mit der Fa Geomer in Heidelberg die hydraulischen Kernroutinen fuumlr das Programm FloodArea entwickelt und ist daher in der Lage deren Einsatzgrenzen gut beurteilen zu koumlnnen
41 Korrektur der Flieszligformeln zur Simulation des Oberflaumlchenabflusses an steilen Haumlngen
Die nachfolgende Tabelle zeigt die unterschiedlichen Auspraumlgungen von wichtigen hydraulischen und geometrischen Randbedingungen fuumlr den steilen Oberflaumlchenabfluss und fuumlr die Wasserausbreitung auf den vergleichsweise flachen Gewaumlsserauen
Parameter Auspraumlgung
Gewaumlsser und Aue Steile Hanglage
Gefaumllle klein permil bis 10
groszlig 5 bis uumlber 100
Wassertiefe groszlig Dezimeter bis mehrere Meter
klein Duumlnnfilmabfluss bis Dezimeter
Betrachten wir zunaumlchst ein Fluidelement 119889119909 times ℎ times 119880 auf einer steilen Hangflaumlche mit dem Hangneigungswinkel β und formulieren in x- Richtung das Kraumlftegleichgewicht zwischen der hangabwaumlrts treibenden Kraft
119866 times sin 120573 = 119889119909 times ℎ times 119880 times 120588 times 119892 times sin 120573 und der Hangreibungskraft T
119879 = 120591 times 119880 times 119889119909 Man erhaumllt so den bekannten Ansatz fuumlr die Schleppspannung
120591 auf einer Hangflaumlche
120591 = 120588 times 119892 times119860
119880times sin 120573 [
119873
1198982]
dx
Q
vdx cosszlig
h
G
G sinszlig
T
U
Ah
szlig
x
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Mit dem in der turbulenten Hydraulik uumlblich verwendeten Ansatz
120591 =120582
81199072 [
119873
1198982]
ergibt sich die Flieszligformel fuumlr den Oberflaumlchenabfluss
119907 =1
radic120582times radic8 times 119892 times
119860
119880times 119904119894119899 120573 [
119898
119904]
mit
v - mittl Flieszliggeschwindigkeit [ms]
1
radic120582 - Reibungskoeffizient [-]
g - Erdbeschleunigung [mssup2]
A - Abflussquerschnitt [msup2]
U - benetzte Sohle [m]
β - Hangneigungswinkel [Grad]
Da in der Flusshydraulik die Neigungswinkel der Gewaumlssersohlen deutlich kleiner sind als die Neigungswinkel steiler Hanglagen werden die Flieszligformeln vereinfach
119907 =1
radic120582times radic8 times 119892 times
119860
119880times 119868119864
Anstelle des 119904119894119899 120573 wird das Gefaumllle IE verwendet Dh
119904119894119899 120573 = 120573 oder 119904119894119899 120573 = 119905119886119899 120573 = 119868119864
mit
IE - Sohlgefaumllle [minuspermil]
Fuumlr Gefaumllle bis 20 oder 113 Grad Neigung ist diese Vereinfachung vertretbar und liefert gute Ergebnisse Ab Neigungen groumlszliger 20 darf diese Vereinfachung nicht mehr angesetzt werden Bei einer Hangneigung mit 45 Grad oder IE=1=100 Gefaumllle weichen die Ergebnisse fuumlr die Flieszliggeschwindigkeit um 16 ab
radic1 = 1 radic119904119894119899 45 = 07071 = 084 119865119890ℎ119897119890119903 =1minus084
1times 100 = 16
Bei aktuellen Simulationen werden diese Fehler manchmal auch aus Unkenntnis hingenommen oder mit Hilfe des Reibungskoeffizienten der Oberflaumlchen versucht zu korrigieren
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42 Versuchseinrichtung zur Uumlberpruumlfung und Anpassung der Flieszligformeln zur Simulation des Oberflaumlchenabflusses an steilen Haumlngen
Auf dem Gelaumlnde des Wasserbaulaboratoriums der Hochschule RheinMain soll im naumlchsten Sommersemester 2015 eine Versuchseinrichtung zur Simulation von Oberflaumlchenabfluss auf Hanglagen bis 45deg (11 100) errichtet werden
Es soll eine kippbare Versuchsrinne mit einer Breite von 10 m einer Houmlhe von 026 m und einer Laumlnge von 63 m errichtet werden (vgl auch Anlage 1) Zur vertikalen Regensimulation soll uumlber der Versuchsrinne eine Beregnungsanlage mit schwenkbaren Duumlsen angebracht werden
Kipprinne zur Simulation von Oberflaumlchenabfluumlssen an steilen Haumlngen vgl Anlage 1
In einer ersten Phase sollen die in Abschnitt 41 diskutierten hydraulischen Ansaumltze in Versuchen verifiziert werden Hierbei gilt es besonders zu uumlberpruumlfen ob bei sehr kleinen Abflusstiefen (Duumlnnfilmabfluss) die Oberflaumlchenspannung der Wassers bei den Bewegungsgleichungen von Bedeutung ist
Fuumlr die Versuchsreihen koumlnnen die Beregnungslaumlnge die Niederschlagsintensitaumlt und der Neigungswinkel der Versuchsrinne variiert werden
Arbeitsziel unterstuumltzt durch Studienarbeit Uumlberpruumlfung und Anpassung der Flieszligformeln zur Simulation des Oberflaumlchenabflusses an steilen Haumlngen
In einer spaumlteren Versuchsphase soll SohlsubstratBoden eingebracht werden um mit oder ohne kuumlnstlichen Bewuchsstrukturen verschiedene Hangrauheiten simulieren zu koumlnnen Dies soll zur Klaumlrung des Erosionsbeginns der Bodenmatrix beitragen
1000 cm
260 cm
Sohlsubstrat zur Aufnahmevon kuumlnstlichen Bewuchsstrukturen
Beregnungsanlage mit schwenkbaren Duumlsen zurvertikalen Regensimulation
Wasserkoumlrper desOberflaumlchenabflusses
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Projektskizze Umgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessen (Arbeitstitel) Januar 2015 Seite 25
5 Arbeitspaket 4 Instationaumlre 2ndashdimensionale Modellierung des Oberflaumlchenabflusses bei Starkniederschlaumlgen
Um dem Programmieraufwand im Rahmen des Projektes so gering wie moumlglich zu halten wird vorgeschlagen das Programm Floodarea der Fa Geomer Heidelberg welches sich bisher in der Praxis bewaumlhrt hat als Basis fuumlr die Simulationen zu verwenden FloodArea ist ein vollstaumlndig in ArcGISreg integriertes 2D-Modell zur Berechnung von Uumlberschwemmungsflaumlchen Wie in Abschnitt 4 bereits erwaumlhnt war der Verfasser dieser Skizze in die Erarbeitung der hydraulischen Kernroutinen dieser Software involviert und kann insofern ihre Einsatz- und Anpassungsmoumlglichkeiten sehr gut abschaumltzen Eine Abstimmung mit Herrn Dr Assmann von der Fa Geomer erfolgte vor dem Verfassen dieser Projektskizze
Folgende Anpassungen bzw Erweiterungen des Programms sollen realisiert werden
Schnittstelle zu den DWD-Radarniederschlagsdaten um die 5-minuumltigen RADOLAN RY-Komposite fuumlr eine instationaumlre 2-dimensionale Modellierung des Oberflaumlchenabflusses verwenden zu koumlnnen(vgl Abschnitt 2)
Einarbeitung der angepassten und erweiterten Ansaumltze zur Ermittlung des abflusswirksamen Niederschlages bei Starkregen
Einarbeitung der uumlberarbeiteten hydraulischen Ansaumltze fuumlr den Oberflaumlchenabfluss in steilen Hanglagen
Fuumlr die in Abschnitt 7 vorgeschlagenen Pilot-Einzugsgebiete sollen fuumlr ausgesuchte Starkregenereignisse (Regensammlung vgl Abschnitt 22) Simulationen des Oberflaumlchenabflusses durchgefuumlhrt werden
Die Ergebnisse dieser Simulationen sollen die hydraulische Grundlage fuumlr die in Abschnitt 6 beschriebenen Starkregen-Gefahrenkarten bilden
Folgende Datengrundlagen sind in die Simulationen des Oberflaumlchenabflusses zu intergrieren
Radarniederschlagsdaten (vgl Abschnitt 2)
ein hoch aufgeloumlstes digitales Gelaumlndemodell aus Laserscandaten Bereits durchgefuumlhrte Simulationen des Landes Baden Wuumlrttemberg im Einzugsgebiet der Starzel und [25] zeigen dass der Einfluss von Kleinstrukturen und Hindernissen (Mauern Graumlben Strassendammprofile) auf den Verlauf des Abflussgeschehens einen groszligen Einfluss haben koumlnnen
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Projektskizze Umgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessen (Arbeitstitel) Januar 2015 Seite 26
Diese Kleinstrukturen werden allerdings durch das digitale Gelaumlndemodell nicht immer vollstaumlndig abgebildet Ggf muumlssen die Kleinstrukturen nachdigitalisiert werden um das digitale Gelaumlndemodell bdquohydraulischldquo zu vervollstaumlndigen
Gewaumlssernetz
Nutzungsmodell (zB ATKIS ALKIS CORINE LAND COVER) ggf mit Luftbildaufnahmen zur Verifizierung und Praumlzisierung der Nutzung und zur Ermittlung der Bearbeitungsrichtung bei landwirtschaftlichen Flaumlchen Hydraulisch nicht aktive Gebaumludeflaumlchen muumlssen bdquomarkiertldquo werden damit die Simulation an einer moumlglichst reellen Oberflaumlchengeometrie durchgefuumlhrt werden kann
Bodenkarte
Informationen uumlber die Bodenfeuchte oder Betrachtung der Regenmengen in den letzten 30 Tagen
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Projektskizze Umgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessen (Arbeitstitel) Januar 2015 Seite 27
6 Arbeitspaket 5 Erarbeitung von Starkregen Gefahrenkarten fuumlr das Land Hessen
Wie im einfuumlhrenden Abschnitt 1 erlaumlutert muumlssen aufgrund der zu kurzen Vorwarnzeiten in kleinen Einzugsgebieten die Flaumlchen- und Bauvorsorge intensiviert werden um Schaumlden durch Starkregen und Sturzfluten mindern zu koumlnnen Die dazu notwendigen Informationen uumlber die in dieser Hinsicht gefaumlhrdeten Flaumlchen und deren Nutzung muumlssen bei der angepassten kommunalen Planung beruumlcksichtigt werden Flaumlchennutzungs- und Bebauungsplaumlne sind auf die topographischen Gegebenheiten und auf die Abflusseigenschaften des Gebietes bei Starkregen abzustimmen
Starkregen Hinweis- oder Starkregen Gefahrenkarten koumlnnen als Ergaumlnzung zu den mittlerweile bundesweit eingefuumlhrten Hochwassergefahrenkarten diese Informationen bereitstellen
Die im Folgenden verwendeten Begriffe
Starkregen-Hinweiskarte
Starkregen-Gefahrenkarten oder Flieszligpfadkarten
sind vorlaumlufige Benennungen Wie auch bei den Hochwassergefahrenkarten muss die LAWA fuumlr eine bundesweit einheitliche Benennung Sorge tragen
Aus der Sicht der Verfasser wird ein zweistufiges Vorgehen empfohlen
1 Identifikation der potentiell gefaumlhrdeten Hangflaumlchen und die Erstellung von Starkregen Hinweiskarten
2 Simulation des Oberflaumlchenabflusses der potentiell gefaumlhrdeten Flaumlchen und Erstellung von Starkregen Gefahrenkarten oder Flieszligpfadkarten
Eine flaumlchendeckende Simulation des Oberflaumlchenabflusses im betrachteten Projektraum sollte aufgrund der dabei entstehenden Projekt- bzw Ingenieurkosten uumlberdacht werden
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Projektskizze Umgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessen (Arbeitstitel) Januar 2015 Seite 28
(Stufe 1) Identifikation der potentiell gefaumlhrdeten Hangflaumlchen und die Erstellung von Starkregen Hinweiskarten
Es wird vorgeschlagen in einem ersten Schritt den betrachteten Projektraum flaumlchendeckend auf potentiell gefaumlhrdete Hangflaumlchen zu untersuchen
Dazu sollen die Gelaumlndeneigung die Bodennutzung sowie die Lage der steilen Hangflaumlchen zu den schadensempfindlichen Flaumlchen (zB Siedlungsgebiete) fachlich miteinander verknuumlpft werden
Beispielsweise lassen sich auf Grundlage der folgenden fachlich begruumlndeten Matrix mit Hilfe der GIS Werkzeuge die potentiell gefaumlhrdeten Hangflaumlchen leicht identifizieren
Gruumlnland Ackerland
Gelaumlndenutzung Gelaumlndeneigung
Be
arb
eitu
ng
que
r zur
Fallr
ich
tun
g
Be
arb
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Fallr
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tun
g
kleiner 5 nicht
gefaumlhrdet wenig
gefaumlhrdet
5 bis 10 maumlszligig
gefaumlhrdet
10 bis 20 maumlszligig
gefaumlhrdet
groszliger 20 stark
gefaumlhrdet sehr stark gefaumlhrdet
sehr stark gefaumlhrdet
Liegen unterhalb stark oder maumlszligig gefaumlhrdeter Flaumlchen Siedlungsgebiete oder sind in den gefaumlhrdeten Flaumlchen Siedlungsentwicklungen geplant ist eine detaillierte Untersuchung des Oberflaumlchenabflusses erforderlich (Stufe 2)
Die bislang verwendeten Kriterien zur Einschaumltzung den potentiell betroffenen Flaumlchen sollten uumlberpruumlft und weiterentwickelt werden
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Beispiel fuumlr eine Starkregen-Hinweiskarte Stadt Nidderau
(Stufe 2) Simulation des Oberflaumlchenabflusses der potentiell gefaumlhrdeten Flaumlchen und Erstellung von Starkregen Gefahrenkarten oder Flieszligpfadkarten
Fuumlr die in Stufe 1 identifizierten gefaumlhrdeten Flaumlchen ist in der zweiten Stufe der Oberflaumlchenabfluss zu simulieren Je nach Groumlszlige des zu betrachtenden Niederschlagseinzugsgebietes oberhalb der gefaumlhrdeten Siedlungsflaumlchen und Infrastrukturen muumlssen aus der Regensammlung (vgl Abschnitt 22) konvektive Ereignisse geeigneter Dauer ausgewaumlhlt werden
Aus der instationaumlren 2D-Simulation erhaumllt man fuumlr definierte Zeitpunkte nach dem Beginn des Niederschlages folgende fuumlr das gewaumlhlte Berechnungsraster raumlumlich aufgeloumlste hydraulisch relevante Grundinformationen
Ist die Flaumlche benetzt (janein)
Wasserstand (bdquoUumlberflutungshoumlheldquo) auf der Flaumlche
Flieszligrichtung und Flieszliggeschwindigkeit auf der Flaumlche
Diese hydraulischen Grundinformationen muumlssen aufbereitet fachlich interpretiert und auf geeignete Weise dargestellt werden
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Letztlich geht es darum die Frage zu klaumlren welche Fachinformationen eine Starkregen-Gefahrenkarte beinhalten sollte
Aus der Sicht der Verfasser sollten in den Gefahrenkarten folgende hydraulische Informationen enthalten sein
Abflussrinnen und Flieszligpfade auf den Hangflaumlchen (Vervollstaumlndigung des Gewaumlssernetzes gegen Flieszligrichtung vgl auch Bild Abschnitt 4 Seite 21)
Starkregen-Gefahrenkarte mit Flieszligpfaden und Flieszligrichtung aus BWK [1]
Wassertiefenentwicklung entlang der Flieszligpfade
Flieszliggeschwindigkeiten entlang der Flieszligpfade
Diese Fachinformationen sollten zusammen mit einem fuumlr den Nutzer geeigneten Kartenhintergrund (Luftbildaufnahmen ALK topographische Karte etc) visualisiert werden
Im Rahmen der Bearbeitung der vorgeschlagenen Pilot-Einzugsgebiete (siehe Abschnitt 7) sind geeignete Inhalte und Darstellungsmoumlglichkeiten fuumlr Starkregen-Gefahrenkarten zu entwickeln
Wie auch bei den Hochwassergefahrenkarten sollte die LAWA fuumlr bundesweit einheitliche Standards der Starkregen-Gefahrenkarten Sorge tragen
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7 Arbeitspaket 6 Modell- Pilotprojekt bdquoUmgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessenldquo
In einem letzten Arbeitsabschnitt sollen anhand ausgesuchter Einzugsgebiete mit Hilfe des in Abschnitt 6 vorgeschlagenen Vorgehens Starkregen-Hinweiskarten und Starkregen-Gefahrenkarten erstellt werden
Die Verwendung von Niederschlagsdaten aus Radarbeobachtungen (vgl Abschnitt 1) und der Einsatz des verbesserten Simulationsmodells (vgl Abschnitte 3 und 4) werden gegenuumlber der heutigen Praxis bessere fachliche Informationen zur Bewaumlltigung von Starkregen-Gefahrenlagen bereitstellen koumlnnen
Folgende Pilot-Einzugsgebiete in hessischen Rheingau werden zur Auswahl gestellt
Walluf (AE=281 kmsup2) Die Walluf besitzt einen Pegel (Martinsthal AE=245 kmsup2 36 km oberhalb der Muumlndung) im Einzugsgebiet An der Hochschule RheinMain steht ein Niederschlags-Abfluss Modell der Walluf zur Verfuumlgung
Erbbach Kisselbach (AE= 106 kmsup2)
Pfingstbach (AE= 84 kmsup2)
Stegbach Blaubach (AE= 127 kmsup2)
Der Hochwasserrisikomanagementplan Rheingau steht zurzeit in der oumlffentlichen Abstimmung und wird im Laufe 2015 fertig gestellt werden Nach Aussage von Frau Tremper des Regierungspraumlsidiums Darmstadt Abteilung IVWi 412 waumlre eine Ergaumlnzung des HWRM-PL Rheingau durch Starkregen-Hinweis- und -Gefahrenkarten der Rheingaubaumlche hilfreich Diese wuumlrden die im HWRM-PL Rheingau betrachteten Rhein-Hochwasserszenarien ergaumlnzen
Arbeitsziel unterstuumltzt durch Studienarbeiten Erstellung von Niederschlags- Abfluss Modellen fuumlr die Rheingaubaumlche Erbach Kisselbach Pfingstbach Stegbach Blaubach
Bei der Erstellung der Starkregen-Hinweiskarten und Starkregen-Gefahrenkarten fuumlr die Pilot-Einzugsgebiete sollen die in Abschnitt 6 weiterentwickelten Ansaumltze erprobt und die Karteninhalte mit den spaumlteren Nutzern diskutiert werden Dabei sollen insbesondere die Kartendarstellung und deren Inhalte den jeweiligen fachlichen Beduumlrfnissen entsprechen
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8 Literatur und Quellen
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9 Allgemeine Informationen Zeitplan und Ressourcen
91 Allgemeine Informationen
Antragsteller Prof Dr-Ing Ernesto Ruiz Rodriguez Wasserbaulaboratorium am Fachbereich Architektur und Bauingenieurwesen Hochschule RheinMain Kurt-Schumacher-Ring 18 65197 Wiesbaden
Projektbearbeiter Arbeitsgruppe bdquoStarkregen und Sturzflutenldquo am Wasserbaulaboratorium Prof Dr-Ing Ernesto Ruiz Rodriguez (Projektleitung) BEng Lisa Trost (Projektbearbeitung) Frank Salffner (Vermessungstechniker Laborant am Wasserbaulaboratorium und in der EDV- Arbeitsgruppe des Fachbereichs) Die Arbeitsziele werden durch Studienarbeiten des Master- Studienganges bdquoUmweltmanagement und Stadtplanung in Ballungsraumlumenldquo (UMSB) unterstuumltzt
Partnerschaften Kooperationspartner Prof Dr Ralf Doumlrner Hochschule RheinMain
FG Graphische Datenverarbeitung und Virtuelle Realitaumlt Prof Dr Robert Seuszlig Fachhochschule Frankfurt FG Geoinformation und Kommunaltechnik Berufsfeuerwehr Wiesbaden Dr Andreacute Assmann Fa Geomer Heidelberg
gewuumlnschte Zusammenarbeit Deutscher Wetterdienst Abt Hydrometeorologie Projektdauer 4 Jahre (vgl 92 Zeitplan) Eigenmittel Projektleitung durch Prof Dr E Ruiz Rodriguez
Nutzung der Einrichtungen des Wasserbaulaboratoriums der Hochschule RheinMain Unterstuumltzung bei Laborarbeiten und EDV Infrastruktur durch Frank Salffner
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92 Zeitplan
1
Jah
r
2
Jah
r
3
Jah
r
4
Jah
r Bemerkung
Arbeitspaket 1 Verwendung von Radardaten zur Simulation von Starkregen Sturzfluten fuumlr kleine Einzugsgebiete
Beginn der Arbeiten
Klaumlrung der Verfuumlgbarkeit von Radarniederschlagsdaten (fuumlr Modellierer Ingenieurbuumlros)
Aufwand zur Nutzung und Aufbereitung von Radarniederschlagsdaten fuumlr Modellierer Ingenieurbuumlros Erstellung eines Werkzeugs zur Visualisierung der archivierten und aktuellen Radarniederschlagsdaten Erstellung eines Werkzeugs zur Transformation und Projektion der DWD-RADOLAN-RW und RY-Komposit-Radarniederschlagsdaten in Gauszlig-Kruumlger undoder UTM-Projektion Erstellung eines GIS Werkzeugs zur Aufbereitung der DWD-RADOLAN-Komposit-Raster zur Simulation von Starkregen in kleinen Einzugsgebieten
1 Berichterstattung Arbeitspaket 1 (Teil 1)
Auswertung der RADOLAN Radarniederschlagsdaten des DWD
Praxisseminar Kolloquium bdquoVerwendung von Radardaten zur Simulation von Starkregen Sturzfluten in Hessenldquo
Arbeitspaket 2 Uumlberpruumlfung und Anpassung von Modellansaumltze zur Ermittlung des abflusswirksamen Niederschlages bei Starkregen
Uumlberpruumlfung und Anpassung der Modellansaumltze zur Ermittlung des abflusswirksamen Niederschlages bei Starkniederschlaumlgen unter besonderer Beruumlcksichtigung von Bodenfeuchte und Bodenluftkompressionseffekten
Arbeitspaket 3 Uumlberpruumlfung und Anpassung der hydraulischen Ansaumltze zur Berechnung des Oberflaumlchenabflusses bei Starkregen Sturzfluten an steilen Haumlngen
Bau der Versuchsrinne am Wasserbaulaboratorium Durchfuumlhrung und Auswertung der Versuche Uumlberpruumlfung und Anpassung der hydraulischen Ansaumltze zur Berechnung des Oberflaumlchenabflusses
2 Berichterstattung Arbeitspaket 2 und Arbeitspaket 3 (Teil1)
Arbeitspaket 4 Instationaumlre 2ndashdimensionale Modellierung des Oberflaumlchenabflusses bei Starkniederschlaumlgen
Anpassen des 2-dimensionallen Modelles auf instationaumlre Niederschlagsfronten Schnittstelle zu DWD RADOLAN Komposite Einarbeiten der verbesserten Ansaumltze zu Berechnung des abflusswirksamen Niederschlages bei Starkniederschlaumlgen Einarbeiten der verbesserten hydraulischen Ansaumltze
wird fortgesetzt
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1
Jah
r
2
Jah
r
3
Jah
r
4
Jah
r Bemerkung
Arbeitspaket 5 Erarbeitung von Starkregen Gefahrenkarten fuumlr das Land Hessen
Uumlberpruumlfen und Anpassung von fachlichen Kriterien fuumlr die Erstellung von Starkregen-Karten Definition der Inhalte von Starkregen-Hinweiskarten Definition der Inhalte von Starkregen- Gefahrenkarten
3 Berichterstattung Arbeitspaket 3 (Teil 2) Arbeitspaket 4 und Arbeitspaket 5 (Teil1)
Arbeitspaket 6 Modell- Pilotprojekt bdquoUmgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessenldquo
Erarbeitung von Starkregen-Hinweiskarten fuumlr die ausgewaumlhlten Pilot-Einzugsgebiete Erarbeitung von Starkregen-Gefahrenkarten fuumlr die ausgewaumlhlten Pilot-Einzugsgebiete Uumlberpruumlfen der fachlichen Kriterien und Ansaumltze (Arbeitspaket 5) fuumlr die Erstellung von Starkregen-Karten Diskussion uumlber die Starkregen-Karteninhalte und Starkregen-Kartendarstellung mit den Nutzern
4 Berichterstattung Arbeitspaket 5 (Teil 2) und Arbeitspaket 6 (Abschlussbericht)
93 Beantragte Mittel
Zur Durchfuumlhrung und Erreichung der im Antrag beschriebenen Arbeitsziele werden fuumlr das
1 Projektjahr 35000 Euro
2 Projektjahr 35000 Euro
3 Projektjahr 35000 Euro
4 Projektjahr 35000 Euro
beantragt
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1160 cm
280 cm
260 cm
1000 cm
1080 cm
6300 cm280 cm
3000 cm3000 cm
3000 cm 3000 cm
1000 cm624 cm
1500deg
Kipprinne zur Simulation des Oberflaumlchenabflusses an steilen HaumlngenLaumlnge= 630 mBreite= 10 mHoumlhe= 026 mmax Neigungswinkel 45deg
variableBeregnungslaumlnge
Maszligstab 120
1000 cm
260 cm
Sohlsubstrat zur Aufnahmevon kuumlnstlichen Bewuchsstrukturen
Beregnungsanlage mit schwenkbaren Duumlsen zurvertikalen Regensimulation
Wasserkoumlrper desOberflaumlchenabflusses
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Projektskizze Umgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessen (Arbeitstitel) Januar 2015 Anlage 1
1830 cm
2625 cm
Drehpunkt
1330 cm
6300 cm
280 cm
1500deg
Maszligstab 120
Kipprinne zur Simulation des Oberflaumlchenabflusses an steilen HaumlngenLaumlnge= 630 mBreite= 10 mHoumlhe= 026 mmax Neigungswinkel 45deg
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Projektskizze Umgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessen (Arbeitstitel) Januar 2015 Seite 19
Alle diese Ansaumltze beruumlcksichtigen nicht die bei Starkregen beobachteten und in [17] beschriebenen Effekte der Bodenluftkompression die die Infiltrationsfaumlhigkeit des Porenraumes bei hohen Niederschlagsintensitaumlten mindert und somit den Anteil des Oberflaumlchenabflusses erhoumlht
Arbeitsziel unterstuumltzt durch Studienarbeit Uumlberpruumlfung und Anpassung der Modelansaumltze zur Ermittlung des abflusswirksamen Niederschlages bei Starkniederschlaumlgen unter besonderer Beruumlcksichtigung von Bodenfeuchte und Bodenluftkompressionseffekten
Die Verwendung der Radarniederschlagsdaten macht es moumlglich die zeitliche und raumlumliche Niederschlagsverteilung im Einzugsgebiet zu betrachten Da die Niederschlagsintensitaumlten und -mengen im Einzugsgebiet variieren werden sich demzufolge raumlumlich verteilte Abflussbeiwerte ergeben Die oben beschriebenen Ansaumltze zur Ermittlung des abflusswirksamen Oberflaumlchenabflusses muumlssen daraufhin angepasst und ggf weiterentwickelt werden
Arbeitsziel unterstuumltzt durch Studienarbeit Uumlberpruumlfung und Anpassung der Modelansaumltze zur Ermittlung des abflusswirksamen Niederschlages bei raumlumlich und zeitlich sich veraumlndernden Starkniederschlaumlgen
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Projektskizze Umgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessen (Arbeitstitel) Januar 2015 Seite 20
4 Arbeitspaket 3 Uumlberpruumlfung und Anpassung der hydraulischen Ansaumltze zur Berechnung des Oberflaumlchenabflusses bei Starkregen Sturzfluten an steilen Haumlngen
Beim Oberflaumlchenabfluss muss zwischen dem klassischen Oberflaumlchenabfluss nach Horton (1933) und dem Saumlttigungsoberflaumlchenabfluss unterschieden werden
Der Oberflaumlchenabfluss nach Horton entsteht durch einen Infiltrationsuumlberschuss Die Niederschlagsintensitaumlt ist houmlher als die Infiltrationskapazitaumlt der Boumlden und das nicht infiltrierte Niederschlagswasser flieszligt dann in Fallrichtung auf der Hangoberflaumlche ab
Der Saumlttigungsoberflaumlchenabfluss setzt dann ein wenn der Boden seine maximale Wassersaumlttigung erreicht hat dh das Porenvolumen vollstaumlndig mit Wasser gesaumlttigt ist Bei diesem Abfluss tritt haumlufig Wasser aus einem vergangenen Ereignis wieder aus dem Boden aus (Exfiltration) und vermischt sich mit dem Niederschlag des aktuellen Ereignisses
Im Folgenden wird zunaumlchst nur die Einphasenstroumlmung des Oberflaumlchenwassers betrachtet der Bewegungsbeginn und der Transport von Teilen der Bodenmatrix (Erosion) werden nicht analysiert Der Massentransport koumlnnte nachdem die Bewegungsgleichungen der Einphasenstroumlmung in steilen Haumlngen verifiziert oder korrigiert wurden in spaumlteren Arbeitsschritten betrachtet werden
Fuumlr die Simulation des Oberflaumlchenabflusses an Steilhaumlngen werden aktuell dieselben Ansaumltze verwendet wie zur Berechnung des Oberflaumlchenabflusses auf flachen Uumlberflutungsflaumlchen in Gewaumlssern und auf Auen Die dabei erzielten Ergebnisse scheinen so plausibel sodass die verwendeten Modelle bislang noch nicht hinterfragt wurden Und das obwohl die geometrischen und hydraulischen Randbedingungen an steilen Hanglagen sich von denen auf flachen Uumlberflutungsflaumlchen stark unterscheiden
In diesem Zusammenhang verglich beispielsweise Herr Dipl-Ing Klaus Schmalzl des Wasserwirtschaftsamtes Rosenheim in seinem Vortrag bdquoSturzfluten hydrodynamisch numerisch mit HYDRO_AS-2D berechnenldquo [38] den er im Rahmen des Treffens der Anwender des 2D-Hydrodynamik-Programms HYDRO_AS-2D der Fa Hydrotec am 11Okt 2014 in Muumlnchen hielt das Programm HYDRO_AS-2D welches eigentlich fuumlr die 2-Dimensionale Simulation in Gewaumlssern entwickelt worden ist mit einem bdquoSchweizer Messerldquo welches als Symbol fuumlr einen vielseitigen Einsatz steht
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Projektskizze Umgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessen (Arbeitstitel) Januar 2015 Seite 21
In Kongress INTERPRAEVENT 2012 in Grenoble [25] wurde bdquoEin neuer Ansatz zur Modellierung von Oberflaumlchenabflussldquo vorgestellt In der Zusammenfassung
bdquoOberflaumlchenabfluss wird als der Teil des Niederschlags verstanden welcher einem Vorfluter uumlber die Bodenoberflaumlche unmittelbar zufliesst Auswertungen von Unwetterereignissen in den letzten Jahren in der Schweiz haben gezeigt dass bis zu 50 der durch Wassergefahren verursachten Schadenfaumllle durch Oberflaumlchenabfluss verursacht worden sind Dennoch ist Oberflaumlchenabfluss in der Schweiz kaum in den Gefahrenkartierungsprozess integriert Um diese Luumlcke zu fuumlllen wurde auf der Basis der Software FloodArea eine Methode entwickelt welche eine Modellierung von Oberflaumlchenabfluss mit einheitlichen Kriterien uumlber grosse Gebiete erlaubt In dieser Studie werden die Methodenentwicklung und zwei Fallstudien vorgestellt Die Resultate zeigen dass an den Raumlndern von Siedlungsflaumlchen und im Landwirtschaftsland gute Ergebnisse erzielt werden Potenziell gefaumlhrdete Gebaumlude oder Bauparzellen werden erkannt Innerhalb von Siedlungsgebieten sind die Differenzen zu realen Ereignissen groumlsser Daher liegt der Fokus von Folgearbeiten auf einer weiteren Verbesserung der Genauigkeit des Gelaumlndemodells und der Integration von zusaumltzlichen Strukturen (zB Kleinbauten) welche Fliesswege entscheidend beeinflussen koumlnnenldquo aus [25]
wird auf die Software FloodArea der Fa Geomer Heidelberg verwiesen
FloodArea und auch HYDRO_AS-2D sind Beispiele von in der Praxis verwendeten Programmen zur Berechnung von Wasserspiegellagen in Gewaumlssern und zur 2-D Uumlberflutungssimulation auf Auen Wie das nachfolgende Bild zeigt sind die mit FloodArea erzielten Simulationsergebnisse plausibel
Oberflaumlchenabflussmodellierung in Busswil (Kanton Bern Schweiz) aus [25]
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Projektskizze Umgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessen (Arbeitstitel) Januar 2015 Seite 22
Der Verfasser dieser Projektskizze selbst hat in Zusammenarbeit mit der Fa Geomer in Heidelberg die hydraulischen Kernroutinen fuumlr das Programm FloodArea entwickelt und ist daher in der Lage deren Einsatzgrenzen gut beurteilen zu koumlnnen
41 Korrektur der Flieszligformeln zur Simulation des Oberflaumlchenabflusses an steilen Haumlngen
Die nachfolgende Tabelle zeigt die unterschiedlichen Auspraumlgungen von wichtigen hydraulischen und geometrischen Randbedingungen fuumlr den steilen Oberflaumlchenabfluss und fuumlr die Wasserausbreitung auf den vergleichsweise flachen Gewaumlsserauen
Parameter Auspraumlgung
Gewaumlsser und Aue Steile Hanglage
Gefaumllle klein permil bis 10
groszlig 5 bis uumlber 100
Wassertiefe groszlig Dezimeter bis mehrere Meter
klein Duumlnnfilmabfluss bis Dezimeter
Betrachten wir zunaumlchst ein Fluidelement 119889119909 times ℎ times 119880 auf einer steilen Hangflaumlche mit dem Hangneigungswinkel β und formulieren in x- Richtung das Kraumlftegleichgewicht zwischen der hangabwaumlrts treibenden Kraft
119866 times sin 120573 = 119889119909 times ℎ times 119880 times 120588 times 119892 times sin 120573 und der Hangreibungskraft T
119879 = 120591 times 119880 times 119889119909 Man erhaumllt so den bekannten Ansatz fuumlr die Schleppspannung
120591 auf einer Hangflaumlche
120591 = 120588 times 119892 times119860
119880times sin 120573 [
119873
1198982]
dx
Q
vdx cosszlig
h
G
G sinszlig
T
U
Ah
szlig
x
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Mit dem in der turbulenten Hydraulik uumlblich verwendeten Ansatz
120591 =120582
81199072 [
119873
1198982]
ergibt sich die Flieszligformel fuumlr den Oberflaumlchenabfluss
119907 =1
radic120582times radic8 times 119892 times
119860
119880times 119904119894119899 120573 [
119898
119904]
mit
v - mittl Flieszliggeschwindigkeit [ms]
1
radic120582 - Reibungskoeffizient [-]
g - Erdbeschleunigung [mssup2]
A - Abflussquerschnitt [msup2]
U - benetzte Sohle [m]
β - Hangneigungswinkel [Grad]
Da in der Flusshydraulik die Neigungswinkel der Gewaumlssersohlen deutlich kleiner sind als die Neigungswinkel steiler Hanglagen werden die Flieszligformeln vereinfach
119907 =1
radic120582times radic8 times 119892 times
119860
119880times 119868119864
Anstelle des 119904119894119899 120573 wird das Gefaumllle IE verwendet Dh
119904119894119899 120573 = 120573 oder 119904119894119899 120573 = 119905119886119899 120573 = 119868119864
mit
IE - Sohlgefaumllle [minuspermil]
Fuumlr Gefaumllle bis 20 oder 113 Grad Neigung ist diese Vereinfachung vertretbar und liefert gute Ergebnisse Ab Neigungen groumlszliger 20 darf diese Vereinfachung nicht mehr angesetzt werden Bei einer Hangneigung mit 45 Grad oder IE=1=100 Gefaumllle weichen die Ergebnisse fuumlr die Flieszliggeschwindigkeit um 16 ab
radic1 = 1 radic119904119894119899 45 = 07071 = 084 119865119890ℎ119897119890119903 =1minus084
1times 100 = 16
Bei aktuellen Simulationen werden diese Fehler manchmal auch aus Unkenntnis hingenommen oder mit Hilfe des Reibungskoeffizienten der Oberflaumlchen versucht zu korrigieren
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42 Versuchseinrichtung zur Uumlberpruumlfung und Anpassung der Flieszligformeln zur Simulation des Oberflaumlchenabflusses an steilen Haumlngen
Auf dem Gelaumlnde des Wasserbaulaboratoriums der Hochschule RheinMain soll im naumlchsten Sommersemester 2015 eine Versuchseinrichtung zur Simulation von Oberflaumlchenabfluss auf Hanglagen bis 45deg (11 100) errichtet werden
Es soll eine kippbare Versuchsrinne mit einer Breite von 10 m einer Houmlhe von 026 m und einer Laumlnge von 63 m errichtet werden (vgl auch Anlage 1) Zur vertikalen Regensimulation soll uumlber der Versuchsrinne eine Beregnungsanlage mit schwenkbaren Duumlsen angebracht werden
Kipprinne zur Simulation von Oberflaumlchenabfluumlssen an steilen Haumlngen vgl Anlage 1
In einer ersten Phase sollen die in Abschnitt 41 diskutierten hydraulischen Ansaumltze in Versuchen verifiziert werden Hierbei gilt es besonders zu uumlberpruumlfen ob bei sehr kleinen Abflusstiefen (Duumlnnfilmabfluss) die Oberflaumlchenspannung der Wassers bei den Bewegungsgleichungen von Bedeutung ist
Fuumlr die Versuchsreihen koumlnnen die Beregnungslaumlnge die Niederschlagsintensitaumlt und der Neigungswinkel der Versuchsrinne variiert werden
Arbeitsziel unterstuumltzt durch Studienarbeit Uumlberpruumlfung und Anpassung der Flieszligformeln zur Simulation des Oberflaumlchenabflusses an steilen Haumlngen
In einer spaumlteren Versuchsphase soll SohlsubstratBoden eingebracht werden um mit oder ohne kuumlnstlichen Bewuchsstrukturen verschiedene Hangrauheiten simulieren zu koumlnnen Dies soll zur Klaumlrung des Erosionsbeginns der Bodenmatrix beitragen
1000 cm
260 cm
Sohlsubstrat zur Aufnahmevon kuumlnstlichen Bewuchsstrukturen
Beregnungsanlage mit schwenkbaren Duumlsen zurvertikalen Regensimulation
Wasserkoumlrper desOberflaumlchenabflusses
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5 Arbeitspaket 4 Instationaumlre 2ndashdimensionale Modellierung des Oberflaumlchenabflusses bei Starkniederschlaumlgen
Um dem Programmieraufwand im Rahmen des Projektes so gering wie moumlglich zu halten wird vorgeschlagen das Programm Floodarea der Fa Geomer Heidelberg welches sich bisher in der Praxis bewaumlhrt hat als Basis fuumlr die Simulationen zu verwenden FloodArea ist ein vollstaumlndig in ArcGISreg integriertes 2D-Modell zur Berechnung von Uumlberschwemmungsflaumlchen Wie in Abschnitt 4 bereits erwaumlhnt war der Verfasser dieser Skizze in die Erarbeitung der hydraulischen Kernroutinen dieser Software involviert und kann insofern ihre Einsatz- und Anpassungsmoumlglichkeiten sehr gut abschaumltzen Eine Abstimmung mit Herrn Dr Assmann von der Fa Geomer erfolgte vor dem Verfassen dieser Projektskizze
Folgende Anpassungen bzw Erweiterungen des Programms sollen realisiert werden
Schnittstelle zu den DWD-Radarniederschlagsdaten um die 5-minuumltigen RADOLAN RY-Komposite fuumlr eine instationaumlre 2-dimensionale Modellierung des Oberflaumlchenabflusses verwenden zu koumlnnen(vgl Abschnitt 2)
Einarbeitung der angepassten und erweiterten Ansaumltze zur Ermittlung des abflusswirksamen Niederschlages bei Starkregen
Einarbeitung der uumlberarbeiteten hydraulischen Ansaumltze fuumlr den Oberflaumlchenabfluss in steilen Hanglagen
Fuumlr die in Abschnitt 7 vorgeschlagenen Pilot-Einzugsgebiete sollen fuumlr ausgesuchte Starkregenereignisse (Regensammlung vgl Abschnitt 22) Simulationen des Oberflaumlchenabflusses durchgefuumlhrt werden
Die Ergebnisse dieser Simulationen sollen die hydraulische Grundlage fuumlr die in Abschnitt 6 beschriebenen Starkregen-Gefahrenkarten bilden
Folgende Datengrundlagen sind in die Simulationen des Oberflaumlchenabflusses zu intergrieren
Radarniederschlagsdaten (vgl Abschnitt 2)
ein hoch aufgeloumlstes digitales Gelaumlndemodell aus Laserscandaten Bereits durchgefuumlhrte Simulationen des Landes Baden Wuumlrttemberg im Einzugsgebiet der Starzel und [25] zeigen dass der Einfluss von Kleinstrukturen und Hindernissen (Mauern Graumlben Strassendammprofile) auf den Verlauf des Abflussgeschehens einen groszligen Einfluss haben koumlnnen
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Diese Kleinstrukturen werden allerdings durch das digitale Gelaumlndemodell nicht immer vollstaumlndig abgebildet Ggf muumlssen die Kleinstrukturen nachdigitalisiert werden um das digitale Gelaumlndemodell bdquohydraulischldquo zu vervollstaumlndigen
Gewaumlssernetz
Nutzungsmodell (zB ATKIS ALKIS CORINE LAND COVER) ggf mit Luftbildaufnahmen zur Verifizierung und Praumlzisierung der Nutzung und zur Ermittlung der Bearbeitungsrichtung bei landwirtschaftlichen Flaumlchen Hydraulisch nicht aktive Gebaumludeflaumlchen muumlssen bdquomarkiertldquo werden damit die Simulation an einer moumlglichst reellen Oberflaumlchengeometrie durchgefuumlhrt werden kann
Bodenkarte
Informationen uumlber die Bodenfeuchte oder Betrachtung der Regenmengen in den letzten 30 Tagen
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6 Arbeitspaket 5 Erarbeitung von Starkregen Gefahrenkarten fuumlr das Land Hessen
Wie im einfuumlhrenden Abschnitt 1 erlaumlutert muumlssen aufgrund der zu kurzen Vorwarnzeiten in kleinen Einzugsgebieten die Flaumlchen- und Bauvorsorge intensiviert werden um Schaumlden durch Starkregen und Sturzfluten mindern zu koumlnnen Die dazu notwendigen Informationen uumlber die in dieser Hinsicht gefaumlhrdeten Flaumlchen und deren Nutzung muumlssen bei der angepassten kommunalen Planung beruumlcksichtigt werden Flaumlchennutzungs- und Bebauungsplaumlne sind auf die topographischen Gegebenheiten und auf die Abflusseigenschaften des Gebietes bei Starkregen abzustimmen
Starkregen Hinweis- oder Starkregen Gefahrenkarten koumlnnen als Ergaumlnzung zu den mittlerweile bundesweit eingefuumlhrten Hochwassergefahrenkarten diese Informationen bereitstellen
Die im Folgenden verwendeten Begriffe
Starkregen-Hinweiskarte
Starkregen-Gefahrenkarten oder Flieszligpfadkarten
sind vorlaumlufige Benennungen Wie auch bei den Hochwassergefahrenkarten muss die LAWA fuumlr eine bundesweit einheitliche Benennung Sorge tragen
Aus der Sicht der Verfasser wird ein zweistufiges Vorgehen empfohlen
1 Identifikation der potentiell gefaumlhrdeten Hangflaumlchen und die Erstellung von Starkregen Hinweiskarten
2 Simulation des Oberflaumlchenabflusses der potentiell gefaumlhrdeten Flaumlchen und Erstellung von Starkregen Gefahrenkarten oder Flieszligpfadkarten
Eine flaumlchendeckende Simulation des Oberflaumlchenabflusses im betrachteten Projektraum sollte aufgrund der dabei entstehenden Projekt- bzw Ingenieurkosten uumlberdacht werden
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(Stufe 1) Identifikation der potentiell gefaumlhrdeten Hangflaumlchen und die Erstellung von Starkregen Hinweiskarten
Es wird vorgeschlagen in einem ersten Schritt den betrachteten Projektraum flaumlchendeckend auf potentiell gefaumlhrdete Hangflaumlchen zu untersuchen
Dazu sollen die Gelaumlndeneigung die Bodennutzung sowie die Lage der steilen Hangflaumlchen zu den schadensempfindlichen Flaumlchen (zB Siedlungsgebiete) fachlich miteinander verknuumlpft werden
Beispielsweise lassen sich auf Grundlage der folgenden fachlich begruumlndeten Matrix mit Hilfe der GIS Werkzeuge die potentiell gefaumlhrdeten Hangflaumlchen leicht identifizieren
Gruumlnland Ackerland
Gelaumlndenutzung Gelaumlndeneigung
Be
arb
eitu
ng
que
r zur
Fallr
ich
tun
g
Be
arb
eitu
ng
in
Fallr
ich
tun
g
kleiner 5 nicht
gefaumlhrdet wenig
gefaumlhrdet
5 bis 10 maumlszligig
gefaumlhrdet
10 bis 20 maumlszligig
gefaumlhrdet
groszliger 20 stark
gefaumlhrdet sehr stark gefaumlhrdet
sehr stark gefaumlhrdet
Liegen unterhalb stark oder maumlszligig gefaumlhrdeter Flaumlchen Siedlungsgebiete oder sind in den gefaumlhrdeten Flaumlchen Siedlungsentwicklungen geplant ist eine detaillierte Untersuchung des Oberflaumlchenabflusses erforderlich (Stufe 2)
Die bislang verwendeten Kriterien zur Einschaumltzung den potentiell betroffenen Flaumlchen sollten uumlberpruumlft und weiterentwickelt werden
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Beispiel fuumlr eine Starkregen-Hinweiskarte Stadt Nidderau
(Stufe 2) Simulation des Oberflaumlchenabflusses der potentiell gefaumlhrdeten Flaumlchen und Erstellung von Starkregen Gefahrenkarten oder Flieszligpfadkarten
Fuumlr die in Stufe 1 identifizierten gefaumlhrdeten Flaumlchen ist in der zweiten Stufe der Oberflaumlchenabfluss zu simulieren Je nach Groumlszlige des zu betrachtenden Niederschlagseinzugsgebietes oberhalb der gefaumlhrdeten Siedlungsflaumlchen und Infrastrukturen muumlssen aus der Regensammlung (vgl Abschnitt 22) konvektive Ereignisse geeigneter Dauer ausgewaumlhlt werden
Aus der instationaumlren 2D-Simulation erhaumllt man fuumlr definierte Zeitpunkte nach dem Beginn des Niederschlages folgende fuumlr das gewaumlhlte Berechnungsraster raumlumlich aufgeloumlste hydraulisch relevante Grundinformationen
Ist die Flaumlche benetzt (janein)
Wasserstand (bdquoUumlberflutungshoumlheldquo) auf der Flaumlche
Flieszligrichtung und Flieszliggeschwindigkeit auf der Flaumlche
Diese hydraulischen Grundinformationen muumlssen aufbereitet fachlich interpretiert und auf geeignete Weise dargestellt werden
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Letztlich geht es darum die Frage zu klaumlren welche Fachinformationen eine Starkregen-Gefahrenkarte beinhalten sollte
Aus der Sicht der Verfasser sollten in den Gefahrenkarten folgende hydraulische Informationen enthalten sein
Abflussrinnen und Flieszligpfade auf den Hangflaumlchen (Vervollstaumlndigung des Gewaumlssernetzes gegen Flieszligrichtung vgl auch Bild Abschnitt 4 Seite 21)
Starkregen-Gefahrenkarte mit Flieszligpfaden und Flieszligrichtung aus BWK [1]
Wassertiefenentwicklung entlang der Flieszligpfade
Flieszliggeschwindigkeiten entlang der Flieszligpfade
Diese Fachinformationen sollten zusammen mit einem fuumlr den Nutzer geeigneten Kartenhintergrund (Luftbildaufnahmen ALK topographische Karte etc) visualisiert werden
Im Rahmen der Bearbeitung der vorgeschlagenen Pilot-Einzugsgebiete (siehe Abschnitt 7) sind geeignete Inhalte und Darstellungsmoumlglichkeiten fuumlr Starkregen-Gefahrenkarten zu entwickeln
Wie auch bei den Hochwassergefahrenkarten sollte die LAWA fuumlr bundesweit einheitliche Standards der Starkregen-Gefahrenkarten Sorge tragen
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7 Arbeitspaket 6 Modell- Pilotprojekt bdquoUmgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessenldquo
In einem letzten Arbeitsabschnitt sollen anhand ausgesuchter Einzugsgebiete mit Hilfe des in Abschnitt 6 vorgeschlagenen Vorgehens Starkregen-Hinweiskarten und Starkregen-Gefahrenkarten erstellt werden
Die Verwendung von Niederschlagsdaten aus Radarbeobachtungen (vgl Abschnitt 1) und der Einsatz des verbesserten Simulationsmodells (vgl Abschnitte 3 und 4) werden gegenuumlber der heutigen Praxis bessere fachliche Informationen zur Bewaumlltigung von Starkregen-Gefahrenlagen bereitstellen koumlnnen
Folgende Pilot-Einzugsgebiete in hessischen Rheingau werden zur Auswahl gestellt
Walluf (AE=281 kmsup2) Die Walluf besitzt einen Pegel (Martinsthal AE=245 kmsup2 36 km oberhalb der Muumlndung) im Einzugsgebiet An der Hochschule RheinMain steht ein Niederschlags-Abfluss Modell der Walluf zur Verfuumlgung
Erbbach Kisselbach (AE= 106 kmsup2)
Pfingstbach (AE= 84 kmsup2)
Stegbach Blaubach (AE= 127 kmsup2)
Der Hochwasserrisikomanagementplan Rheingau steht zurzeit in der oumlffentlichen Abstimmung und wird im Laufe 2015 fertig gestellt werden Nach Aussage von Frau Tremper des Regierungspraumlsidiums Darmstadt Abteilung IVWi 412 waumlre eine Ergaumlnzung des HWRM-PL Rheingau durch Starkregen-Hinweis- und -Gefahrenkarten der Rheingaubaumlche hilfreich Diese wuumlrden die im HWRM-PL Rheingau betrachteten Rhein-Hochwasserszenarien ergaumlnzen
Arbeitsziel unterstuumltzt durch Studienarbeiten Erstellung von Niederschlags- Abfluss Modellen fuumlr die Rheingaubaumlche Erbach Kisselbach Pfingstbach Stegbach Blaubach
Bei der Erstellung der Starkregen-Hinweiskarten und Starkregen-Gefahrenkarten fuumlr die Pilot-Einzugsgebiete sollen die in Abschnitt 6 weiterentwickelten Ansaumltze erprobt und die Karteninhalte mit den spaumlteren Nutzern diskutiert werden Dabei sollen insbesondere die Kartendarstellung und deren Inhalte den jeweiligen fachlichen Beduumlrfnissen entsprechen
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8 Literatur und Quellen
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[6] Deutscher Wetterdienst (DWD) (Hrsg)(2008) Radarniederschlag-Prinzip der Niederschlagsbestimmung mit Radar inklusive Umrechnung der Radarreflektivitaumlten in Momentanwerte des Niederschlages Version 10
[7] Deutscher Wetterdienst (DWD) Abteilung Hydrometeorologie (Hrsg)(2005) Projekt RADVOR-OP
[8] Deutscher Wetterdienst (DWD) Abteilung Hydrometeorologie (Hrsg)(2012) Projekt RADVOR-OP
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[11] DWA Regelwerk Merkblatt DWA-M 153 (2007) Handlungsempfehlungen zum Umgang mit Regenwasser
[12] DWA Kommentar zum DWA Regelwerk (2008) Planung Bau und Betrieb von Anlagen zur Versickerung von Niederschlagswasser
[13] DWA Themen (2010) Abfluumlsse aus extremen Niederschlaumlgen Ergebnisse einer Bestandsaufnahme Hochwasserereignisse und Modellansaumltze zu ihrer Abbildung
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9 Allgemeine Informationen Zeitplan und Ressourcen
91 Allgemeine Informationen
Antragsteller Prof Dr-Ing Ernesto Ruiz Rodriguez Wasserbaulaboratorium am Fachbereich Architektur und Bauingenieurwesen Hochschule RheinMain Kurt-Schumacher-Ring 18 65197 Wiesbaden
Projektbearbeiter Arbeitsgruppe bdquoStarkregen und Sturzflutenldquo am Wasserbaulaboratorium Prof Dr-Ing Ernesto Ruiz Rodriguez (Projektleitung) BEng Lisa Trost (Projektbearbeitung) Frank Salffner (Vermessungstechniker Laborant am Wasserbaulaboratorium und in der EDV- Arbeitsgruppe des Fachbereichs) Die Arbeitsziele werden durch Studienarbeiten des Master- Studienganges bdquoUmweltmanagement und Stadtplanung in Ballungsraumlumenldquo (UMSB) unterstuumltzt
Partnerschaften Kooperationspartner Prof Dr Ralf Doumlrner Hochschule RheinMain
FG Graphische Datenverarbeitung und Virtuelle Realitaumlt Prof Dr Robert Seuszlig Fachhochschule Frankfurt FG Geoinformation und Kommunaltechnik Berufsfeuerwehr Wiesbaden Dr Andreacute Assmann Fa Geomer Heidelberg
gewuumlnschte Zusammenarbeit Deutscher Wetterdienst Abt Hydrometeorologie Projektdauer 4 Jahre (vgl 92 Zeitplan) Eigenmittel Projektleitung durch Prof Dr E Ruiz Rodriguez
Nutzung der Einrichtungen des Wasserbaulaboratoriums der Hochschule RheinMain Unterstuumltzung bei Laborarbeiten und EDV Infrastruktur durch Frank Salffner
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92 Zeitplan
1
Jah
r
2
Jah
r
3
Jah
r
4
Jah
r Bemerkung
Arbeitspaket 1 Verwendung von Radardaten zur Simulation von Starkregen Sturzfluten fuumlr kleine Einzugsgebiete
Beginn der Arbeiten
Klaumlrung der Verfuumlgbarkeit von Radarniederschlagsdaten (fuumlr Modellierer Ingenieurbuumlros)
Aufwand zur Nutzung und Aufbereitung von Radarniederschlagsdaten fuumlr Modellierer Ingenieurbuumlros Erstellung eines Werkzeugs zur Visualisierung der archivierten und aktuellen Radarniederschlagsdaten Erstellung eines Werkzeugs zur Transformation und Projektion der DWD-RADOLAN-RW und RY-Komposit-Radarniederschlagsdaten in Gauszlig-Kruumlger undoder UTM-Projektion Erstellung eines GIS Werkzeugs zur Aufbereitung der DWD-RADOLAN-Komposit-Raster zur Simulation von Starkregen in kleinen Einzugsgebieten
1 Berichterstattung Arbeitspaket 1 (Teil 1)
Auswertung der RADOLAN Radarniederschlagsdaten des DWD
Praxisseminar Kolloquium bdquoVerwendung von Radardaten zur Simulation von Starkregen Sturzfluten in Hessenldquo
Arbeitspaket 2 Uumlberpruumlfung und Anpassung von Modellansaumltze zur Ermittlung des abflusswirksamen Niederschlages bei Starkregen
Uumlberpruumlfung und Anpassung der Modellansaumltze zur Ermittlung des abflusswirksamen Niederschlages bei Starkniederschlaumlgen unter besonderer Beruumlcksichtigung von Bodenfeuchte und Bodenluftkompressionseffekten
Arbeitspaket 3 Uumlberpruumlfung und Anpassung der hydraulischen Ansaumltze zur Berechnung des Oberflaumlchenabflusses bei Starkregen Sturzfluten an steilen Haumlngen
Bau der Versuchsrinne am Wasserbaulaboratorium Durchfuumlhrung und Auswertung der Versuche Uumlberpruumlfung und Anpassung der hydraulischen Ansaumltze zur Berechnung des Oberflaumlchenabflusses
2 Berichterstattung Arbeitspaket 2 und Arbeitspaket 3 (Teil1)
Arbeitspaket 4 Instationaumlre 2ndashdimensionale Modellierung des Oberflaumlchenabflusses bei Starkniederschlaumlgen
Anpassen des 2-dimensionallen Modelles auf instationaumlre Niederschlagsfronten Schnittstelle zu DWD RADOLAN Komposite Einarbeiten der verbesserten Ansaumltze zu Berechnung des abflusswirksamen Niederschlages bei Starkniederschlaumlgen Einarbeiten der verbesserten hydraulischen Ansaumltze
wird fortgesetzt
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1
Jah
r
2
Jah
r
3
Jah
r
4
Jah
r Bemerkung
Arbeitspaket 5 Erarbeitung von Starkregen Gefahrenkarten fuumlr das Land Hessen
Uumlberpruumlfen und Anpassung von fachlichen Kriterien fuumlr die Erstellung von Starkregen-Karten Definition der Inhalte von Starkregen-Hinweiskarten Definition der Inhalte von Starkregen- Gefahrenkarten
3 Berichterstattung Arbeitspaket 3 (Teil 2) Arbeitspaket 4 und Arbeitspaket 5 (Teil1)
Arbeitspaket 6 Modell- Pilotprojekt bdquoUmgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessenldquo
Erarbeitung von Starkregen-Hinweiskarten fuumlr die ausgewaumlhlten Pilot-Einzugsgebiete Erarbeitung von Starkregen-Gefahrenkarten fuumlr die ausgewaumlhlten Pilot-Einzugsgebiete Uumlberpruumlfen der fachlichen Kriterien und Ansaumltze (Arbeitspaket 5) fuumlr die Erstellung von Starkregen-Karten Diskussion uumlber die Starkregen-Karteninhalte und Starkregen-Kartendarstellung mit den Nutzern
4 Berichterstattung Arbeitspaket 5 (Teil 2) und Arbeitspaket 6 (Abschlussbericht)
93 Beantragte Mittel
Zur Durchfuumlhrung und Erreichung der im Antrag beschriebenen Arbeitsziele werden fuumlr das
1 Projektjahr 35000 Euro
2 Projektjahr 35000 Euro
3 Projektjahr 35000 Euro
4 Projektjahr 35000 Euro
beantragt
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Projektskizze Umgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessen (Arbeitstitel) Januar 2015 Anlage 1
1160 cm
280 cm
260 cm
1000 cm
1080 cm
6300 cm280 cm
3000 cm3000 cm
3000 cm 3000 cm
1000 cm624 cm
1500deg
Kipprinne zur Simulation des Oberflaumlchenabflusses an steilen HaumlngenLaumlnge= 630 mBreite= 10 mHoumlhe= 026 mmax Neigungswinkel 45deg
variableBeregnungslaumlnge
Maszligstab 120
1000 cm
260 cm
Sohlsubstrat zur Aufnahmevon kuumlnstlichen Bewuchsstrukturen
Beregnungsanlage mit schwenkbaren Duumlsen zurvertikalen Regensimulation
Wasserkoumlrper desOberflaumlchenabflusses
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Projektskizze Umgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessen (Arbeitstitel) Januar 2015 Anlage 1
1830 cm
2625 cm
Drehpunkt
1330 cm
6300 cm
280 cm
1500deg
Maszligstab 120
Kipprinne zur Simulation des Oberflaumlchenabflusses an steilen HaumlngenLaumlnge= 630 mBreite= 10 mHoumlhe= 026 mmax Neigungswinkel 45deg
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Projektskizze Umgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessen (Arbeitstitel) Januar 2015 Seite 20
4 Arbeitspaket 3 Uumlberpruumlfung und Anpassung der hydraulischen Ansaumltze zur Berechnung des Oberflaumlchenabflusses bei Starkregen Sturzfluten an steilen Haumlngen
Beim Oberflaumlchenabfluss muss zwischen dem klassischen Oberflaumlchenabfluss nach Horton (1933) und dem Saumlttigungsoberflaumlchenabfluss unterschieden werden
Der Oberflaumlchenabfluss nach Horton entsteht durch einen Infiltrationsuumlberschuss Die Niederschlagsintensitaumlt ist houmlher als die Infiltrationskapazitaumlt der Boumlden und das nicht infiltrierte Niederschlagswasser flieszligt dann in Fallrichtung auf der Hangoberflaumlche ab
Der Saumlttigungsoberflaumlchenabfluss setzt dann ein wenn der Boden seine maximale Wassersaumlttigung erreicht hat dh das Porenvolumen vollstaumlndig mit Wasser gesaumlttigt ist Bei diesem Abfluss tritt haumlufig Wasser aus einem vergangenen Ereignis wieder aus dem Boden aus (Exfiltration) und vermischt sich mit dem Niederschlag des aktuellen Ereignisses
Im Folgenden wird zunaumlchst nur die Einphasenstroumlmung des Oberflaumlchenwassers betrachtet der Bewegungsbeginn und der Transport von Teilen der Bodenmatrix (Erosion) werden nicht analysiert Der Massentransport koumlnnte nachdem die Bewegungsgleichungen der Einphasenstroumlmung in steilen Haumlngen verifiziert oder korrigiert wurden in spaumlteren Arbeitsschritten betrachtet werden
Fuumlr die Simulation des Oberflaumlchenabflusses an Steilhaumlngen werden aktuell dieselben Ansaumltze verwendet wie zur Berechnung des Oberflaumlchenabflusses auf flachen Uumlberflutungsflaumlchen in Gewaumlssern und auf Auen Die dabei erzielten Ergebnisse scheinen so plausibel sodass die verwendeten Modelle bislang noch nicht hinterfragt wurden Und das obwohl die geometrischen und hydraulischen Randbedingungen an steilen Hanglagen sich von denen auf flachen Uumlberflutungsflaumlchen stark unterscheiden
In diesem Zusammenhang verglich beispielsweise Herr Dipl-Ing Klaus Schmalzl des Wasserwirtschaftsamtes Rosenheim in seinem Vortrag bdquoSturzfluten hydrodynamisch numerisch mit HYDRO_AS-2D berechnenldquo [38] den er im Rahmen des Treffens der Anwender des 2D-Hydrodynamik-Programms HYDRO_AS-2D der Fa Hydrotec am 11Okt 2014 in Muumlnchen hielt das Programm HYDRO_AS-2D welches eigentlich fuumlr die 2-Dimensionale Simulation in Gewaumlssern entwickelt worden ist mit einem bdquoSchweizer Messerldquo welches als Symbol fuumlr einen vielseitigen Einsatz steht
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In Kongress INTERPRAEVENT 2012 in Grenoble [25] wurde bdquoEin neuer Ansatz zur Modellierung von Oberflaumlchenabflussldquo vorgestellt In der Zusammenfassung
bdquoOberflaumlchenabfluss wird als der Teil des Niederschlags verstanden welcher einem Vorfluter uumlber die Bodenoberflaumlche unmittelbar zufliesst Auswertungen von Unwetterereignissen in den letzten Jahren in der Schweiz haben gezeigt dass bis zu 50 der durch Wassergefahren verursachten Schadenfaumllle durch Oberflaumlchenabfluss verursacht worden sind Dennoch ist Oberflaumlchenabfluss in der Schweiz kaum in den Gefahrenkartierungsprozess integriert Um diese Luumlcke zu fuumlllen wurde auf der Basis der Software FloodArea eine Methode entwickelt welche eine Modellierung von Oberflaumlchenabfluss mit einheitlichen Kriterien uumlber grosse Gebiete erlaubt In dieser Studie werden die Methodenentwicklung und zwei Fallstudien vorgestellt Die Resultate zeigen dass an den Raumlndern von Siedlungsflaumlchen und im Landwirtschaftsland gute Ergebnisse erzielt werden Potenziell gefaumlhrdete Gebaumlude oder Bauparzellen werden erkannt Innerhalb von Siedlungsgebieten sind die Differenzen zu realen Ereignissen groumlsser Daher liegt der Fokus von Folgearbeiten auf einer weiteren Verbesserung der Genauigkeit des Gelaumlndemodells und der Integration von zusaumltzlichen Strukturen (zB Kleinbauten) welche Fliesswege entscheidend beeinflussen koumlnnenldquo aus [25]
wird auf die Software FloodArea der Fa Geomer Heidelberg verwiesen
FloodArea und auch HYDRO_AS-2D sind Beispiele von in der Praxis verwendeten Programmen zur Berechnung von Wasserspiegellagen in Gewaumlssern und zur 2-D Uumlberflutungssimulation auf Auen Wie das nachfolgende Bild zeigt sind die mit FloodArea erzielten Simulationsergebnisse plausibel
Oberflaumlchenabflussmodellierung in Busswil (Kanton Bern Schweiz) aus [25]
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Der Verfasser dieser Projektskizze selbst hat in Zusammenarbeit mit der Fa Geomer in Heidelberg die hydraulischen Kernroutinen fuumlr das Programm FloodArea entwickelt und ist daher in der Lage deren Einsatzgrenzen gut beurteilen zu koumlnnen
41 Korrektur der Flieszligformeln zur Simulation des Oberflaumlchenabflusses an steilen Haumlngen
Die nachfolgende Tabelle zeigt die unterschiedlichen Auspraumlgungen von wichtigen hydraulischen und geometrischen Randbedingungen fuumlr den steilen Oberflaumlchenabfluss und fuumlr die Wasserausbreitung auf den vergleichsweise flachen Gewaumlsserauen
Parameter Auspraumlgung
Gewaumlsser und Aue Steile Hanglage
Gefaumllle klein permil bis 10
groszlig 5 bis uumlber 100
Wassertiefe groszlig Dezimeter bis mehrere Meter
klein Duumlnnfilmabfluss bis Dezimeter
Betrachten wir zunaumlchst ein Fluidelement 119889119909 times ℎ times 119880 auf einer steilen Hangflaumlche mit dem Hangneigungswinkel β und formulieren in x- Richtung das Kraumlftegleichgewicht zwischen der hangabwaumlrts treibenden Kraft
119866 times sin 120573 = 119889119909 times ℎ times 119880 times 120588 times 119892 times sin 120573 und der Hangreibungskraft T
119879 = 120591 times 119880 times 119889119909 Man erhaumllt so den bekannten Ansatz fuumlr die Schleppspannung
120591 auf einer Hangflaumlche
120591 = 120588 times 119892 times119860
119880times sin 120573 [
119873
1198982]
dx
Q
vdx cosszlig
h
G
G sinszlig
T
U
Ah
szlig
x
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Mit dem in der turbulenten Hydraulik uumlblich verwendeten Ansatz
120591 =120582
81199072 [
119873
1198982]
ergibt sich die Flieszligformel fuumlr den Oberflaumlchenabfluss
119907 =1
radic120582times radic8 times 119892 times
119860
119880times 119904119894119899 120573 [
119898
119904]
mit
v - mittl Flieszliggeschwindigkeit [ms]
1
radic120582 - Reibungskoeffizient [-]
g - Erdbeschleunigung [mssup2]
A - Abflussquerschnitt [msup2]
U - benetzte Sohle [m]
β - Hangneigungswinkel [Grad]
Da in der Flusshydraulik die Neigungswinkel der Gewaumlssersohlen deutlich kleiner sind als die Neigungswinkel steiler Hanglagen werden die Flieszligformeln vereinfach
119907 =1
radic120582times radic8 times 119892 times
119860
119880times 119868119864
Anstelle des 119904119894119899 120573 wird das Gefaumllle IE verwendet Dh
119904119894119899 120573 = 120573 oder 119904119894119899 120573 = 119905119886119899 120573 = 119868119864
mit
IE - Sohlgefaumllle [minuspermil]
Fuumlr Gefaumllle bis 20 oder 113 Grad Neigung ist diese Vereinfachung vertretbar und liefert gute Ergebnisse Ab Neigungen groumlszliger 20 darf diese Vereinfachung nicht mehr angesetzt werden Bei einer Hangneigung mit 45 Grad oder IE=1=100 Gefaumllle weichen die Ergebnisse fuumlr die Flieszliggeschwindigkeit um 16 ab
radic1 = 1 radic119904119894119899 45 = 07071 = 084 119865119890ℎ119897119890119903 =1minus084
1times 100 = 16
Bei aktuellen Simulationen werden diese Fehler manchmal auch aus Unkenntnis hingenommen oder mit Hilfe des Reibungskoeffizienten der Oberflaumlchen versucht zu korrigieren
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42 Versuchseinrichtung zur Uumlberpruumlfung und Anpassung der Flieszligformeln zur Simulation des Oberflaumlchenabflusses an steilen Haumlngen
Auf dem Gelaumlnde des Wasserbaulaboratoriums der Hochschule RheinMain soll im naumlchsten Sommersemester 2015 eine Versuchseinrichtung zur Simulation von Oberflaumlchenabfluss auf Hanglagen bis 45deg (11 100) errichtet werden
Es soll eine kippbare Versuchsrinne mit einer Breite von 10 m einer Houmlhe von 026 m und einer Laumlnge von 63 m errichtet werden (vgl auch Anlage 1) Zur vertikalen Regensimulation soll uumlber der Versuchsrinne eine Beregnungsanlage mit schwenkbaren Duumlsen angebracht werden
Kipprinne zur Simulation von Oberflaumlchenabfluumlssen an steilen Haumlngen vgl Anlage 1
In einer ersten Phase sollen die in Abschnitt 41 diskutierten hydraulischen Ansaumltze in Versuchen verifiziert werden Hierbei gilt es besonders zu uumlberpruumlfen ob bei sehr kleinen Abflusstiefen (Duumlnnfilmabfluss) die Oberflaumlchenspannung der Wassers bei den Bewegungsgleichungen von Bedeutung ist
Fuumlr die Versuchsreihen koumlnnen die Beregnungslaumlnge die Niederschlagsintensitaumlt und der Neigungswinkel der Versuchsrinne variiert werden
Arbeitsziel unterstuumltzt durch Studienarbeit Uumlberpruumlfung und Anpassung der Flieszligformeln zur Simulation des Oberflaumlchenabflusses an steilen Haumlngen
In einer spaumlteren Versuchsphase soll SohlsubstratBoden eingebracht werden um mit oder ohne kuumlnstlichen Bewuchsstrukturen verschiedene Hangrauheiten simulieren zu koumlnnen Dies soll zur Klaumlrung des Erosionsbeginns der Bodenmatrix beitragen
1000 cm
260 cm
Sohlsubstrat zur Aufnahmevon kuumlnstlichen Bewuchsstrukturen
Beregnungsanlage mit schwenkbaren Duumlsen zurvertikalen Regensimulation
Wasserkoumlrper desOberflaumlchenabflusses
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5 Arbeitspaket 4 Instationaumlre 2ndashdimensionale Modellierung des Oberflaumlchenabflusses bei Starkniederschlaumlgen
Um dem Programmieraufwand im Rahmen des Projektes so gering wie moumlglich zu halten wird vorgeschlagen das Programm Floodarea der Fa Geomer Heidelberg welches sich bisher in der Praxis bewaumlhrt hat als Basis fuumlr die Simulationen zu verwenden FloodArea ist ein vollstaumlndig in ArcGISreg integriertes 2D-Modell zur Berechnung von Uumlberschwemmungsflaumlchen Wie in Abschnitt 4 bereits erwaumlhnt war der Verfasser dieser Skizze in die Erarbeitung der hydraulischen Kernroutinen dieser Software involviert und kann insofern ihre Einsatz- und Anpassungsmoumlglichkeiten sehr gut abschaumltzen Eine Abstimmung mit Herrn Dr Assmann von der Fa Geomer erfolgte vor dem Verfassen dieser Projektskizze
Folgende Anpassungen bzw Erweiterungen des Programms sollen realisiert werden
Schnittstelle zu den DWD-Radarniederschlagsdaten um die 5-minuumltigen RADOLAN RY-Komposite fuumlr eine instationaumlre 2-dimensionale Modellierung des Oberflaumlchenabflusses verwenden zu koumlnnen(vgl Abschnitt 2)
Einarbeitung der angepassten und erweiterten Ansaumltze zur Ermittlung des abflusswirksamen Niederschlages bei Starkregen
Einarbeitung der uumlberarbeiteten hydraulischen Ansaumltze fuumlr den Oberflaumlchenabfluss in steilen Hanglagen
Fuumlr die in Abschnitt 7 vorgeschlagenen Pilot-Einzugsgebiete sollen fuumlr ausgesuchte Starkregenereignisse (Regensammlung vgl Abschnitt 22) Simulationen des Oberflaumlchenabflusses durchgefuumlhrt werden
Die Ergebnisse dieser Simulationen sollen die hydraulische Grundlage fuumlr die in Abschnitt 6 beschriebenen Starkregen-Gefahrenkarten bilden
Folgende Datengrundlagen sind in die Simulationen des Oberflaumlchenabflusses zu intergrieren
Radarniederschlagsdaten (vgl Abschnitt 2)
ein hoch aufgeloumlstes digitales Gelaumlndemodell aus Laserscandaten Bereits durchgefuumlhrte Simulationen des Landes Baden Wuumlrttemberg im Einzugsgebiet der Starzel und [25] zeigen dass der Einfluss von Kleinstrukturen und Hindernissen (Mauern Graumlben Strassendammprofile) auf den Verlauf des Abflussgeschehens einen groszligen Einfluss haben koumlnnen
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Diese Kleinstrukturen werden allerdings durch das digitale Gelaumlndemodell nicht immer vollstaumlndig abgebildet Ggf muumlssen die Kleinstrukturen nachdigitalisiert werden um das digitale Gelaumlndemodell bdquohydraulischldquo zu vervollstaumlndigen
Gewaumlssernetz
Nutzungsmodell (zB ATKIS ALKIS CORINE LAND COVER) ggf mit Luftbildaufnahmen zur Verifizierung und Praumlzisierung der Nutzung und zur Ermittlung der Bearbeitungsrichtung bei landwirtschaftlichen Flaumlchen Hydraulisch nicht aktive Gebaumludeflaumlchen muumlssen bdquomarkiertldquo werden damit die Simulation an einer moumlglichst reellen Oberflaumlchengeometrie durchgefuumlhrt werden kann
Bodenkarte
Informationen uumlber die Bodenfeuchte oder Betrachtung der Regenmengen in den letzten 30 Tagen
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6 Arbeitspaket 5 Erarbeitung von Starkregen Gefahrenkarten fuumlr das Land Hessen
Wie im einfuumlhrenden Abschnitt 1 erlaumlutert muumlssen aufgrund der zu kurzen Vorwarnzeiten in kleinen Einzugsgebieten die Flaumlchen- und Bauvorsorge intensiviert werden um Schaumlden durch Starkregen und Sturzfluten mindern zu koumlnnen Die dazu notwendigen Informationen uumlber die in dieser Hinsicht gefaumlhrdeten Flaumlchen und deren Nutzung muumlssen bei der angepassten kommunalen Planung beruumlcksichtigt werden Flaumlchennutzungs- und Bebauungsplaumlne sind auf die topographischen Gegebenheiten und auf die Abflusseigenschaften des Gebietes bei Starkregen abzustimmen
Starkregen Hinweis- oder Starkregen Gefahrenkarten koumlnnen als Ergaumlnzung zu den mittlerweile bundesweit eingefuumlhrten Hochwassergefahrenkarten diese Informationen bereitstellen
Die im Folgenden verwendeten Begriffe
Starkregen-Hinweiskarte
Starkregen-Gefahrenkarten oder Flieszligpfadkarten
sind vorlaumlufige Benennungen Wie auch bei den Hochwassergefahrenkarten muss die LAWA fuumlr eine bundesweit einheitliche Benennung Sorge tragen
Aus der Sicht der Verfasser wird ein zweistufiges Vorgehen empfohlen
1 Identifikation der potentiell gefaumlhrdeten Hangflaumlchen und die Erstellung von Starkregen Hinweiskarten
2 Simulation des Oberflaumlchenabflusses der potentiell gefaumlhrdeten Flaumlchen und Erstellung von Starkregen Gefahrenkarten oder Flieszligpfadkarten
Eine flaumlchendeckende Simulation des Oberflaumlchenabflusses im betrachteten Projektraum sollte aufgrund der dabei entstehenden Projekt- bzw Ingenieurkosten uumlberdacht werden
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(Stufe 1) Identifikation der potentiell gefaumlhrdeten Hangflaumlchen und die Erstellung von Starkregen Hinweiskarten
Es wird vorgeschlagen in einem ersten Schritt den betrachteten Projektraum flaumlchendeckend auf potentiell gefaumlhrdete Hangflaumlchen zu untersuchen
Dazu sollen die Gelaumlndeneigung die Bodennutzung sowie die Lage der steilen Hangflaumlchen zu den schadensempfindlichen Flaumlchen (zB Siedlungsgebiete) fachlich miteinander verknuumlpft werden
Beispielsweise lassen sich auf Grundlage der folgenden fachlich begruumlndeten Matrix mit Hilfe der GIS Werkzeuge die potentiell gefaumlhrdeten Hangflaumlchen leicht identifizieren
Gruumlnland Ackerland
Gelaumlndenutzung Gelaumlndeneigung
Be
arb
eitu
ng
que
r zur
Fallr
ich
tun
g
Be
arb
eitu
ng
in
Fallr
ich
tun
g
kleiner 5 nicht
gefaumlhrdet wenig
gefaumlhrdet
5 bis 10 maumlszligig
gefaumlhrdet
10 bis 20 maumlszligig
gefaumlhrdet
groszliger 20 stark
gefaumlhrdet sehr stark gefaumlhrdet
sehr stark gefaumlhrdet
Liegen unterhalb stark oder maumlszligig gefaumlhrdeter Flaumlchen Siedlungsgebiete oder sind in den gefaumlhrdeten Flaumlchen Siedlungsentwicklungen geplant ist eine detaillierte Untersuchung des Oberflaumlchenabflusses erforderlich (Stufe 2)
Die bislang verwendeten Kriterien zur Einschaumltzung den potentiell betroffenen Flaumlchen sollten uumlberpruumlft und weiterentwickelt werden
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Beispiel fuumlr eine Starkregen-Hinweiskarte Stadt Nidderau
(Stufe 2) Simulation des Oberflaumlchenabflusses der potentiell gefaumlhrdeten Flaumlchen und Erstellung von Starkregen Gefahrenkarten oder Flieszligpfadkarten
Fuumlr die in Stufe 1 identifizierten gefaumlhrdeten Flaumlchen ist in der zweiten Stufe der Oberflaumlchenabfluss zu simulieren Je nach Groumlszlige des zu betrachtenden Niederschlagseinzugsgebietes oberhalb der gefaumlhrdeten Siedlungsflaumlchen und Infrastrukturen muumlssen aus der Regensammlung (vgl Abschnitt 22) konvektive Ereignisse geeigneter Dauer ausgewaumlhlt werden
Aus der instationaumlren 2D-Simulation erhaumllt man fuumlr definierte Zeitpunkte nach dem Beginn des Niederschlages folgende fuumlr das gewaumlhlte Berechnungsraster raumlumlich aufgeloumlste hydraulisch relevante Grundinformationen
Ist die Flaumlche benetzt (janein)
Wasserstand (bdquoUumlberflutungshoumlheldquo) auf der Flaumlche
Flieszligrichtung und Flieszliggeschwindigkeit auf der Flaumlche
Diese hydraulischen Grundinformationen muumlssen aufbereitet fachlich interpretiert und auf geeignete Weise dargestellt werden
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Letztlich geht es darum die Frage zu klaumlren welche Fachinformationen eine Starkregen-Gefahrenkarte beinhalten sollte
Aus der Sicht der Verfasser sollten in den Gefahrenkarten folgende hydraulische Informationen enthalten sein
Abflussrinnen und Flieszligpfade auf den Hangflaumlchen (Vervollstaumlndigung des Gewaumlssernetzes gegen Flieszligrichtung vgl auch Bild Abschnitt 4 Seite 21)
Starkregen-Gefahrenkarte mit Flieszligpfaden und Flieszligrichtung aus BWK [1]
Wassertiefenentwicklung entlang der Flieszligpfade
Flieszliggeschwindigkeiten entlang der Flieszligpfade
Diese Fachinformationen sollten zusammen mit einem fuumlr den Nutzer geeigneten Kartenhintergrund (Luftbildaufnahmen ALK topographische Karte etc) visualisiert werden
Im Rahmen der Bearbeitung der vorgeschlagenen Pilot-Einzugsgebiete (siehe Abschnitt 7) sind geeignete Inhalte und Darstellungsmoumlglichkeiten fuumlr Starkregen-Gefahrenkarten zu entwickeln
Wie auch bei den Hochwassergefahrenkarten sollte die LAWA fuumlr bundesweit einheitliche Standards der Starkregen-Gefahrenkarten Sorge tragen
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7 Arbeitspaket 6 Modell- Pilotprojekt bdquoUmgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessenldquo
In einem letzten Arbeitsabschnitt sollen anhand ausgesuchter Einzugsgebiete mit Hilfe des in Abschnitt 6 vorgeschlagenen Vorgehens Starkregen-Hinweiskarten und Starkregen-Gefahrenkarten erstellt werden
Die Verwendung von Niederschlagsdaten aus Radarbeobachtungen (vgl Abschnitt 1) und der Einsatz des verbesserten Simulationsmodells (vgl Abschnitte 3 und 4) werden gegenuumlber der heutigen Praxis bessere fachliche Informationen zur Bewaumlltigung von Starkregen-Gefahrenlagen bereitstellen koumlnnen
Folgende Pilot-Einzugsgebiete in hessischen Rheingau werden zur Auswahl gestellt
Walluf (AE=281 kmsup2) Die Walluf besitzt einen Pegel (Martinsthal AE=245 kmsup2 36 km oberhalb der Muumlndung) im Einzugsgebiet An der Hochschule RheinMain steht ein Niederschlags-Abfluss Modell der Walluf zur Verfuumlgung
Erbbach Kisselbach (AE= 106 kmsup2)
Pfingstbach (AE= 84 kmsup2)
Stegbach Blaubach (AE= 127 kmsup2)
Der Hochwasserrisikomanagementplan Rheingau steht zurzeit in der oumlffentlichen Abstimmung und wird im Laufe 2015 fertig gestellt werden Nach Aussage von Frau Tremper des Regierungspraumlsidiums Darmstadt Abteilung IVWi 412 waumlre eine Ergaumlnzung des HWRM-PL Rheingau durch Starkregen-Hinweis- und -Gefahrenkarten der Rheingaubaumlche hilfreich Diese wuumlrden die im HWRM-PL Rheingau betrachteten Rhein-Hochwasserszenarien ergaumlnzen
Arbeitsziel unterstuumltzt durch Studienarbeiten Erstellung von Niederschlags- Abfluss Modellen fuumlr die Rheingaubaumlche Erbach Kisselbach Pfingstbach Stegbach Blaubach
Bei der Erstellung der Starkregen-Hinweiskarten und Starkregen-Gefahrenkarten fuumlr die Pilot-Einzugsgebiete sollen die in Abschnitt 6 weiterentwickelten Ansaumltze erprobt und die Karteninhalte mit den spaumlteren Nutzern diskutiert werden Dabei sollen insbesondere die Kartendarstellung und deren Inhalte den jeweiligen fachlichen Beduumlrfnissen entsprechen
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[40] THUNIG S (2004) Berechnung der Hochwasserscheitelminderung der Windach am Auslass des Windachspeichers durch den Bau zweier geplanter Retentionsbecken Diplomarbeit Institut fuumlr Wasserwesen Universitaumlt der Bundeswehr Muumlnchen
[41] Verein Deutscher Ingenieure (2014) Umweltmeteorologie Bodengebundene Fernmessung des Niederschlags Wetterradar In VDI-Richtlinien
[42] WETZEL M (2005) Modellierung der Hangwasserdynamik eines Untersuchungsgebietes im Nationalpark Hainich mit dem Modell HYDRUS-2D Diplomarbeit Universitaumlt Jena
[43] WINTERRATH T Dr WEIGL E (2012) RADOLAN RADVOR-OP und die RADOLAN-Klimatologie Status und Plaumlne In DWD (Hrsg) DWD-Kundenforum Hydrometeorologie Offenbach
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9 Allgemeine Informationen Zeitplan und Ressourcen
91 Allgemeine Informationen
Antragsteller Prof Dr-Ing Ernesto Ruiz Rodriguez Wasserbaulaboratorium am Fachbereich Architektur und Bauingenieurwesen Hochschule RheinMain Kurt-Schumacher-Ring 18 65197 Wiesbaden
Projektbearbeiter Arbeitsgruppe bdquoStarkregen und Sturzflutenldquo am Wasserbaulaboratorium Prof Dr-Ing Ernesto Ruiz Rodriguez (Projektleitung) BEng Lisa Trost (Projektbearbeitung) Frank Salffner (Vermessungstechniker Laborant am Wasserbaulaboratorium und in der EDV- Arbeitsgruppe des Fachbereichs) Die Arbeitsziele werden durch Studienarbeiten des Master- Studienganges bdquoUmweltmanagement und Stadtplanung in Ballungsraumlumenldquo (UMSB) unterstuumltzt
Partnerschaften Kooperationspartner Prof Dr Ralf Doumlrner Hochschule RheinMain
FG Graphische Datenverarbeitung und Virtuelle Realitaumlt Prof Dr Robert Seuszlig Fachhochschule Frankfurt FG Geoinformation und Kommunaltechnik Berufsfeuerwehr Wiesbaden Dr Andreacute Assmann Fa Geomer Heidelberg
gewuumlnschte Zusammenarbeit Deutscher Wetterdienst Abt Hydrometeorologie Projektdauer 4 Jahre (vgl 92 Zeitplan) Eigenmittel Projektleitung durch Prof Dr E Ruiz Rodriguez
Nutzung der Einrichtungen des Wasserbaulaboratoriums der Hochschule RheinMain Unterstuumltzung bei Laborarbeiten und EDV Infrastruktur durch Frank Salffner
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92 Zeitplan
1
Jah
r
2
Jah
r
3
Jah
r
4
Jah
r Bemerkung
Arbeitspaket 1 Verwendung von Radardaten zur Simulation von Starkregen Sturzfluten fuumlr kleine Einzugsgebiete
Beginn der Arbeiten
Klaumlrung der Verfuumlgbarkeit von Radarniederschlagsdaten (fuumlr Modellierer Ingenieurbuumlros)
Aufwand zur Nutzung und Aufbereitung von Radarniederschlagsdaten fuumlr Modellierer Ingenieurbuumlros Erstellung eines Werkzeugs zur Visualisierung der archivierten und aktuellen Radarniederschlagsdaten Erstellung eines Werkzeugs zur Transformation und Projektion der DWD-RADOLAN-RW und RY-Komposit-Radarniederschlagsdaten in Gauszlig-Kruumlger undoder UTM-Projektion Erstellung eines GIS Werkzeugs zur Aufbereitung der DWD-RADOLAN-Komposit-Raster zur Simulation von Starkregen in kleinen Einzugsgebieten
1 Berichterstattung Arbeitspaket 1 (Teil 1)
Auswertung der RADOLAN Radarniederschlagsdaten des DWD
Praxisseminar Kolloquium bdquoVerwendung von Radardaten zur Simulation von Starkregen Sturzfluten in Hessenldquo
Arbeitspaket 2 Uumlberpruumlfung und Anpassung von Modellansaumltze zur Ermittlung des abflusswirksamen Niederschlages bei Starkregen
Uumlberpruumlfung und Anpassung der Modellansaumltze zur Ermittlung des abflusswirksamen Niederschlages bei Starkniederschlaumlgen unter besonderer Beruumlcksichtigung von Bodenfeuchte und Bodenluftkompressionseffekten
Arbeitspaket 3 Uumlberpruumlfung und Anpassung der hydraulischen Ansaumltze zur Berechnung des Oberflaumlchenabflusses bei Starkregen Sturzfluten an steilen Haumlngen
Bau der Versuchsrinne am Wasserbaulaboratorium Durchfuumlhrung und Auswertung der Versuche Uumlberpruumlfung und Anpassung der hydraulischen Ansaumltze zur Berechnung des Oberflaumlchenabflusses
2 Berichterstattung Arbeitspaket 2 und Arbeitspaket 3 (Teil1)
Arbeitspaket 4 Instationaumlre 2ndashdimensionale Modellierung des Oberflaumlchenabflusses bei Starkniederschlaumlgen
Anpassen des 2-dimensionallen Modelles auf instationaumlre Niederschlagsfronten Schnittstelle zu DWD RADOLAN Komposite Einarbeiten der verbesserten Ansaumltze zu Berechnung des abflusswirksamen Niederschlages bei Starkniederschlaumlgen Einarbeiten der verbesserten hydraulischen Ansaumltze
wird fortgesetzt
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1
Jah
r
2
Jah
r
3
Jah
r
4
Jah
r Bemerkung
Arbeitspaket 5 Erarbeitung von Starkregen Gefahrenkarten fuumlr das Land Hessen
Uumlberpruumlfen und Anpassung von fachlichen Kriterien fuumlr die Erstellung von Starkregen-Karten Definition der Inhalte von Starkregen-Hinweiskarten Definition der Inhalte von Starkregen- Gefahrenkarten
3 Berichterstattung Arbeitspaket 3 (Teil 2) Arbeitspaket 4 und Arbeitspaket 5 (Teil1)
Arbeitspaket 6 Modell- Pilotprojekt bdquoUmgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessenldquo
Erarbeitung von Starkregen-Hinweiskarten fuumlr die ausgewaumlhlten Pilot-Einzugsgebiete Erarbeitung von Starkregen-Gefahrenkarten fuumlr die ausgewaumlhlten Pilot-Einzugsgebiete Uumlberpruumlfen der fachlichen Kriterien und Ansaumltze (Arbeitspaket 5) fuumlr die Erstellung von Starkregen-Karten Diskussion uumlber die Starkregen-Karteninhalte und Starkregen-Kartendarstellung mit den Nutzern
4 Berichterstattung Arbeitspaket 5 (Teil 2) und Arbeitspaket 6 (Abschlussbericht)
93 Beantragte Mittel
Zur Durchfuumlhrung und Erreichung der im Antrag beschriebenen Arbeitsziele werden fuumlr das
1 Projektjahr 35000 Euro
2 Projektjahr 35000 Euro
3 Projektjahr 35000 Euro
4 Projektjahr 35000 Euro
beantragt
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Projektskizze Umgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessen (Arbeitstitel) Januar 2015 Anlage 1
1160 cm
280 cm
260 cm
1000 cm
1080 cm
6300 cm280 cm
3000 cm3000 cm
3000 cm 3000 cm
1000 cm624 cm
1500deg
Kipprinne zur Simulation des Oberflaumlchenabflusses an steilen HaumlngenLaumlnge= 630 mBreite= 10 mHoumlhe= 026 mmax Neigungswinkel 45deg
variableBeregnungslaumlnge
Maszligstab 120
1000 cm
260 cm
Sohlsubstrat zur Aufnahmevon kuumlnstlichen Bewuchsstrukturen
Beregnungsanlage mit schwenkbaren Duumlsen zurvertikalen Regensimulation
Wasserkoumlrper desOberflaumlchenabflusses
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Projektskizze Umgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessen (Arbeitstitel) Januar 2015 Anlage 1
1830 cm
2625 cm
Drehpunkt
1330 cm
6300 cm
280 cm
1500deg
Maszligstab 120
Kipprinne zur Simulation des Oberflaumlchenabflusses an steilen HaumlngenLaumlnge= 630 mBreite= 10 mHoumlhe= 026 mmax Neigungswinkel 45deg
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In Kongress INTERPRAEVENT 2012 in Grenoble [25] wurde bdquoEin neuer Ansatz zur Modellierung von Oberflaumlchenabflussldquo vorgestellt In der Zusammenfassung
bdquoOberflaumlchenabfluss wird als der Teil des Niederschlags verstanden welcher einem Vorfluter uumlber die Bodenoberflaumlche unmittelbar zufliesst Auswertungen von Unwetterereignissen in den letzten Jahren in der Schweiz haben gezeigt dass bis zu 50 der durch Wassergefahren verursachten Schadenfaumllle durch Oberflaumlchenabfluss verursacht worden sind Dennoch ist Oberflaumlchenabfluss in der Schweiz kaum in den Gefahrenkartierungsprozess integriert Um diese Luumlcke zu fuumlllen wurde auf der Basis der Software FloodArea eine Methode entwickelt welche eine Modellierung von Oberflaumlchenabfluss mit einheitlichen Kriterien uumlber grosse Gebiete erlaubt In dieser Studie werden die Methodenentwicklung und zwei Fallstudien vorgestellt Die Resultate zeigen dass an den Raumlndern von Siedlungsflaumlchen und im Landwirtschaftsland gute Ergebnisse erzielt werden Potenziell gefaumlhrdete Gebaumlude oder Bauparzellen werden erkannt Innerhalb von Siedlungsgebieten sind die Differenzen zu realen Ereignissen groumlsser Daher liegt der Fokus von Folgearbeiten auf einer weiteren Verbesserung der Genauigkeit des Gelaumlndemodells und der Integration von zusaumltzlichen Strukturen (zB Kleinbauten) welche Fliesswege entscheidend beeinflussen koumlnnenldquo aus [25]
wird auf die Software FloodArea der Fa Geomer Heidelberg verwiesen
FloodArea und auch HYDRO_AS-2D sind Beispiele von in der Praxis verwendeten Programmen zur Berechnung von Wasserspiegellagen in Gewaumlssern und zur 2-D Uumlberflutungssimulation auf Auen Wie das nachfolgende Bild zeigt sind die mit FloodArea erzielten Simulationsergebnisse plausibel
Oberflaumlchenabflussmodellierung in Busswil (Kanton Bern Schweiz) aus [25]
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Der Verfasser dieser Projektskizze selbst hat in Zusammenarbeit mit der Fa Geomer in Heidelberg die hydraulischen Kernroutinen fuumlr das Programm FloodArea entwickelt und ist daher in der Lage deren Einsatzgrenzen gut beurteilen zu koumlnnen
41 Korrektur der Flieszligformeln zur Simulation des Oberflaumlchenabflusses an steilen Haumlngen
Die nachfolgende Tabelle zeigt die unterschiedlichen Auspraumlgungen von wichtigen hydraulischen und geometrischen Randbedingungen fuumlr den steilen Oberflaumlchenabfluss und fuumlr die Wasserausbreitung auf den vergleichsweise flachen Gewaumlsserauen
Parameter Auspraumlgung
Gewaumlsser und Aue Steile Hanglage
Gefaumllle klein permil bis 10
groszlig 5 bis uumlber 100
Wassertiefe groszlig Dezimeter bis mehrere Meter
klein Duumlnnfilmabfluss bis Dezimeter
Betrachten wir zunaumlchst ein Fluidelement 119889119909 times ℎ times 119880 auf einer steilen Hangflaumlche mit dem Hangneigungswinkel β und formulieren in x- Richtung das Kraumlftegleichgewicht zwischen der hangabwaumlrts treibenden Kraft
119866 times sin 120573 = 119889119909 times ℎ times 119880 times 120588 times 119892 times sin 120573 und der Hangreibungskraft T
119879 = 120591 times 119880 times 119889119909 Man erhaumllt so den bekannten Ansatz fuumlr die Schleppspannung
120591 auf einer Hangflaumlche
120591 = 120588 times 119892 times119860
119880times sin 120573 [
119873
1198982]
dx
Q
vdx cosszlig
h
G
G sinszlig
T
U
Ah
szlig
x
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Mit dem in der turbulenten Hydraulik uumlblich verwendeten Ansatz
120591 =120582
81199072 [
119873
1198982]
ergibt sich die Flieszligformel fuumlr den Oberflaumlchenabfluss
119907 =1
radic120582times radic8 times 119892 times
119860
119880times 119904119894119899 120573 [
119898
119904]
mit
v - mittl Flieszliggeschwindigkeit [ms]
1
radic120582 - Reibungskoeffizient [-]
g - Erdbeschleunigung [mssup2]
A - Abflussquerschnitt [msup2]
U - benetzte Sohle [m]
β - Hangneigungswinkel [Grad]
Da in der Flusshydraulik die Neigungswinkel der Gewaumlssersohlen deutlich kleiner sind als die Neigungswinkel steiler Hanglagen werden die Flieszligformeln vereinfach
119907 =1
radic120582times radic8 times 119892 times
119860
119880times 119868119864
Anstelle des 119904119894119899 120573 wird das Gefaumllle IE verwendet Dh
119904119894119899 120573 = 120573 oder 119904119894119899 120573 = 119905119886119899 120573 = 119868119864
mit
IE - Sohlgefaumllle [minuspermil]
Fuumlr Gefaumllle bis 20 oder 113 Grad Neigung ist diese Vereinfachung vertretbar und liefert gute Ergebnisse Ab Neigungen groumlszliger 20 darf diese Vereinfachung nicht mehr angesetzt werden Bei einer Hangneigung mit 45 Grad oder IE=1=100 Gefaumllle weichen die Ergebnisse fuumlr die Flieszliggeschwindigkeit um 16 ab
radic1 = 1 radic119904119894119899 45 = 07071 = 084 119865119890ℎ119897119890119903 =1minus084
1times 100 = 16
Bei aktuellen Simulationen werden diese Fehler manchmal auch aus Unkenntnis hingenommen oder mit Hilfe des Reibungskoeffizienten der Oberflaumlchen versucht zu korrigieren
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42 Versuchseinrichtung zur Uumlberpruumlfung und Anpassung der Flieszligformeln zur Simulation des Oberflaumlchenabflusses an steilen Haumlngen
Auf dem Gelaumlnde des Wasserbaulaboratoriums der Hochschule RheinMain soll im naumlchsten Sommersemester 2015 eine Versuchseinrichtung zur Simulation von Oberflaumlchenabfluss auf Hanglagen bis 45deg (11 100) errichtet werden
Es soll eine kippbare Versuchsrinne mit einer Breite von 10 m einer Houmlhe von 026 m und einer Laumlnge von 63 m errichtet werden (vgl auch Anlage 1) Zur vertikalen Regensimulation soll uumlber der Versuchsrinne eine Beregnungsanlage mit schwenkbaren Duumlsen angebracht werden
Kipprinne zur Simulation von Oberflaumlchenabfluumlssen an steilen Haumlngen vgl Anlage 1
In einer ersten Phase sollen die in Abschnitt 41 diskutierten hydraulischen Ansaumltze in Versuchen verifiziert werden Hierbei gilt es besonders zu uumlberpruumlfen ob bei sehr kleinen Abflusstiefen (Duumlnnfilmabfluss) die Oberflaumlchenspannung der Wassers bei den Bewegungsgleichungen von Bedeutung ist
Fuumlr die Versuchsreihen koumlnnen die Beregnungslaumlnge die Niederschlagsintensitaumlt und der Neigungswinkel der Versuchsrinne variiert werden
Arbeitsziel unterstuumltzt durch Studienarbeit Uumlberpruumlfung und Anpassung der Flieszligformeln zur Simulation des Oberflaumlchenabflusses an steilen Haumlngen
In einer spaumlteren Versuchsphase soll SohlsubstratBoden eingebracht werden um mit oder ohne kuumlnstlichen Bewuchsstrukturen verschiedene Hangrauheiten simulieren zu koumlnnen Dies soll zur Klaumlrung des Erosionsbeginns der Bodenmatrix beitragen
1000 cm
260 cm
Sohlsubstrat zur Aufnahmevon kuumlnstlichen Bewuchsstrukturen
Beregnungsanlage mit schwenkbaren Duumlsen zurvertikalen Regensimulation
Wasserkoumlrper desOberflaumlchenabflusses
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5 Arbeitspaket 4 Instationaumlre 2ndashdimensionale Modellierung des Oberflaumlchenabflusses bei Starkniederschlaumlgen
Um dem Programmieraufwand im Rahmen des Projektes so gering wie moumlglich zu halten wird vorgeschlagen das Programm Floodarea der Fa Geomer Heidelberg welches sich bisher in der Praxis bewaumlhrt hat als Basis fuumlr die Simulationen zu verwenden FloodArea ist ein vollstaumlndig in ArcGISreg integriertes 2D-Modell zur Berechnung von Uumlberschwemmungsflaumlchen Wie in Abschnitt 4 bereits erwaumlhnt war der Verfasser dieser Skizze in die Erarbeitung der hydraulischen Kernroutinen dieser Software involviert und kann insofern ihre Einsatz- und Anpassungsmoumlglichkeiten sehr gut abschaumltzen Eine Abstimmung mit Herrn Dr Assmann von der Fa Geomer erfolgte vor dem Verfassen dieser Projektskizze
Folgende Anpassungen bzw Erweiterungen des Programms sollen realisiert werden
Schnittstelle zu den DWD-Radarniederschlagsdaten um die 5-minuumltigen RADOLAN RY-Komposite fuumlr eine instationaumlre 2-dimensionale Modellierung des Oberflaumlchenabflusses verwenden zu koumlnnen(vgl Abschnitt 2)
Einarbeitung der angepassten und erweiterten Ansaumltze zur Ermittlung des abflusswirksamen Niederschlages bei Starkregen
Einarbeitung der uumlberarbeiteten hydraulischen Ansaumltze fuumlr den Oberflaumlchenabfluss in steilen Hanglagen
Fuumlr die in Abschnitt 7 vorgeschlagenen Pilot-Einzugsgebiete sollen fuumlr ausgesuchte Starkregenereignisse (Regensammlung vgl Abschnitt 22) Simulationen des Oberflaumlchenabflusses durchgefuumlhrt werden
Die Ergebnisse dieser Simulationen sollen die hydraulische Grundlage fuumlr die in Abschnitt 6 beschriebenen Starkregen-Gefahrenkarten bilden
Folgende Datengrundlagen sind in die Simulationen des Oberflaumlchenabflusses zu intergrieren
Radarniederschlagsdaten (vgl Abschnitt 2)
ein hoch aufgeloumlstes digitales Gelaumlndemodell aus Laserscandaten Bereits durchgefuumlhrte Simulationen des Landes Baden Wuumlrttemberg im Einzugsgebiet der Starzel und [25] zeigen dass der Einfluss von Kleinstrukturen und Hindernissen (Mauern Graumlben Strassendammprofile) auf den Verlauf des Abflussgeschehens einen groszligen Einfluss haben koumlnnen
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Diese Kleinstrukturen werden allerdings durch das digitale Gelaumlndemodell nicht immer vollstaumlndig abgebildet Ggf muumlssen die Kleinstrukturen nachdigitalisiert werden um das digitale Gelaumlndemodell bdquohydraulischldquo zu vervollstaumlndigen
Gewaumlssernetz
Nutzungsmodell (zB ATKIS ALKIS CORINE LAND COVER) ggf mit Luftbildaufnahmen zur Verifizierung und Praumlzisierung der Nutzung und zur Ermittlung der Bearbeitungsrichtung bei landwirtschaftlichen Flaumlchen Hydraulisch nicht aktive Gebaumludeflaumlchen muumlssen bdquomarkiertldquo werden damit die Simulation an einer moumlglichst reellen Oberflaumlchengeometrie durchgefuumlhrt werden kann
Bodenkarte
Informationen uumlber die Bodenfeuchte oder Betrachtung der Regenmengen in den letzten 30 Tagen
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6 Arbeitspaket 5 Erarbeitung von Starkregen Gefahrenkarten fuumlr das Land Hessen
Wie im einfuumlhrenden Abschnitt 1 erlaumlutert muumlssen aufgrund der zu kurzen Vorwarnzeiten in kleinen Einzugsgebieten die Flaumlchen- und Bauvorsorge intensiviert werden um Schaumlden durch Starkregen und Sturzfluten mindern zu koumlnnen Die dazu notwendigen Informationen uumlber die in dieser Hinsicht gefaumlhrdeten Flaumlchen und deren Nutzung muumlssen bei der angepassten kommunalen Planung beruumlcksichtigt werden Flaumlchennutzungs- und Bebauungsplaumlne sind auf die topographischen Gegebenheiten und auf die Abflusseigenschaften des Gebietes bei Starkregen abzustimmen
Starkregen Hinweis- oder Starkregen Gefahrenkarten koumlnnen als Ergaumlnzung zu den mittlerweile bundesweit eingefuumlhrten Hochwassergefahrenkarten diese Informationen bereitstellen
Die im Folgenden verwendeten Begriffe
Starkregen-Hinweiskarte
Starkregen-Gefahrenkarten oder Flieszligpfadkarten
sind vorlaumlufige Benennungen Wie auch bei den Hochwassergefahrenkarten muss die LAWA fuumlr eine bundesweit einheitliche Benennung Sorge tragen
Aus der Sicht der Verfasser wird ein zweistufiges Vorgehen empfohlen
1 Identifikation der potentiell gefaumlhrdeten Hangflaumlchen und die Erstellung von Starkregen Hinweiskarten
2 Simulation des Oberflaumlchenabflusses der potentiell gefaumlhrdeten Flaumlchen und Erstellung von Starkregen Gefahrenkarten oder Flieszligpfadkarten
Eine flaumlchendeckende Simulation des Oberflaumlchenabflusses im betrachteten Projektraum sollte aufgrund der dabei entstehenden Projekt- bzw Ingenieurkosten uumlberdacht werden
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(Stufe 1) Identifikation der potentiell gefaumlhrdeten Hangflaumlchen und die Erstellung von Starkregen Hinweiskarten
Es wird vorgeschlagen in einem ersten Schritt den betrachteten Projektraum flaumlchendeckend auf potentiell gefaumlhrdete Hangflaumlchen zu untersuchen
Dazu sollen die Gelaumlndeneigung die Bodennutzung sowie die Lage der steilen Hangflaumlchen zu den schadensempfindlichen Flaumlchen (zB Siedlungsgebiete) fachlich miteinander verknuumlpft werden
Beispielsweise lassen sich auf Grundlage der folgenden fachlich begruumlndeten Matrix mit Hilfe der GIS Werkzeuge die potentiell gefaumlhrdeten Hangflaumlchen leicht identifizieren
Gruumlnland Ackerland
Gelaumlndenutzung Gelaumlndeneigung
Be
arb
eitu
ng
que
r zur
Fallr
ich
tun
g
Be
arb
eitu
ng
in
Fallr
ich
tun
g
kleiner 5 nicht
gefaumlhrdet wenig
gefaumlhrdet
5 bis 10 maumlszligig
gefaumlhrdet
10 bis 20 maumlszligig
gefaumlhrdet
groszliger 20 stark
gefaumlhrdet sehr stark gefaumlhrdet
sehr stark gefaumlhrdet
Liegen unterhalb stark oder maumlszligig gefaumlhrdeter Flaumlchen Siedlungsgebiete oder sind in den gefaumlhrdeten Flaumlchen Siedlungsentwicklungen geplant ist eine detaillierte Untersuchung des Oberflaumlchenabflusses erforderlich (Stufe 2)
Die bislang verwendeten Kriterien zur Einschaumltzung den potentiell betroffenen Flaumlchen sollten uumlberpruumlft und weiterentwickelt werden
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Beispiel fuumlr eine Starkregen-Hinweiskarte Stadt Nidderau
(Stufe 2) Simulation des Oberflaumlchenabflusses der potentiell gefaumlhrdeten Flaumlchen und Erstellung von Starkregen Gefahrenkarten oder Flieszligpfadkarten
Fuumlr die in Stufe 1 identifizierten gefaumlhrdeten Flaumlchen ist in der zweiten Stufe der Oberflaumlchenabfluss zu simulieren Je nach Groumlszlige des zu betrachtenden Niederschlagseinzugsgebietes oberhalb der gefaumlhrdeten Siedlungsflaumlchen und Infrastrukturen muumlssen aus der Regensammlung (vgl Abschnitt 22) konvektive Ereignisse geeigneter Dauer ausgewaumlhlt werden
Aus der instationaumlren 2D-Simulation erhaumllt man fuumlr definierte Zeitpunkte nach dem Beginn des Niederschlages folgende fuumlr das gewaumlhlte Berechnungsraster raumlumlich aufgeloumlste hydraulisch relevante Grundinformationen
Ist die Flaumlche benetzt (janein)
Wasserstand (bdquoUumlberflutungshoumlheldquo) auf der Flaumlche
Flieszligrichtung und Flieszliggeschwindigkeit auf der Flaumlche
Diese hydraulischen Grundinformationen muumlssen aufbereitet fachlich interpretiert und auf geeignete Weise dargestellt werden
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Letztlich geht es darum die Frage zu klaumlren welche Fachinformationen eine Starkregen-Gefahrenkarte beinhalten sollte
Aus der Sicht der Verfasser sollten in den Gefahrenkarten folgende hydraulische Informationen enthalten sein
Abflussrinnen und Flieszligpfade auf den Hangflaumlchen (Vervollstaumlndigung des Gewaumlssernetzes gegen Flieszligrichtung vgl auch Bild Abschnitt 4 Seite 21)
Starkregen-Gefahrenkarte mit Flieszligpfaden und Flieszligrichtung aus BWK [1]
Wassertiefenentwicklung entlang der Flieszligpfade
Flieszliggeschwindigkeiten entlang der Flieszligpfade
Diese Fachinformationen sollten zusammen mit einem fuumlr den Nutzer geeigneten Kartenhintergrund (Luftbildaufnahmen ALK topographische Karte etc) visualisiert werden
Im Rahmen der Bearbeitung der vorgeschlagenen Pilot-Einzugsgebiete (siehe Abschnitt 7) sind geeignete Inhalte und Darstellungsmoumlglichkeiten fuumlr Starkregen-Gefahrenkarten zu entwickeln
Wie auch bei den Hochwassergefahrenkarten sollte die LAWA fuumlr bundesweit einheitliche Standards der Starkregen-Gefahrenkarten Sorge tragen
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7 Arbeitspaket 6 Modell- Pilotprojekt bdquoUmgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessenldquo
In einem letzten Arbeitsabschnitt sollen anhand ausgesuchter Einzugsgebiete mit Hilfe des in Abschnitt 6 vorgeschlagenen Vorgehens Starkregen-Hinweiskarten und Starkregen-Gefahrenkarten erstellt werden
Die Verwendung von Niederschlagsdaten aus Radarbeobachtungen (vgl Abschnitt 1) und der Einsatz des verbesserten Simulationsmodells (vgl Abschnitte 3 und 4) werden gegenuumlber der heutigen Praxis bessere fachliche Informationen zur Bewaumlltigung von Starkregen-Gefahrenlagen bereitstellen koumlnnen
Folgende Pilot-Einzugsgebiete in hessischen Rheingau werden zur Auswahl gestellt
Walluf (AE=281 kmsup2) Die Walluf besitzt einen Pegel (Martinsthal AE=245 kmsup2 36 km oberhalb der Muumlndung) im Einzugsgebiet An der Hochschule RheinMain steht ein Niederschlags-Abfluss Modell der Walluf zur Verfuumlgung
Erbbach Kisselbach (AE= 106 kmsup2)
Pfingstbach (AE= 84 kmsup2)
Stegbach Blaubach (AE= 127 kmsup2)
Der Hochwasserrisikomanagementplan Rheingau steht zurzeit in der oumlffentlichen Abstimmung und wird im Laufe 2015 fertig gestellt werden Nach Aussage von Frau Tremper des Regierungspraumlsidiums Darmstadt Abteilung IVWi 412 waumlre eine Ergaumlnzung des HWRM-PL Rheingau durch Starkregen-Hinweis- und -Gefahrenkarten der Rheingaubaumlche hilfreich Diese wuumlrden die im HWRM-PL Rheingau betrachteten Rhein-Hochwasserszenarien ergaumlnzen
Arbeitsziel unterstuumltzt durch Studienarbeiten Erstellung von Niederschlags- Abfluss Modellen fuumlr die Rheingaubaumlche Erbach Kisselbach Pfingstbach Stegbach Blaubach
Bei der Erstellung der Starkregen-Hinweiskarten und Starkregen-Gefahrenkarten fuumlr die Pilot-Einzugsgebiete sollen die in Abschnitt 6 weiterentwickelten Ansaumltze erprobt und die Karteninhalte mit den spaumlteren Nutzern diskutiert werden Dabei sollen insbesondere die Kartendarstellung und deren Inhalte den jeweiligen fachlichen Beduumlrfnissen entsprechen
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8 Literatur und Quellen
[1] Bund der Ingenieure fuumlr Wasserwirtschaft Abfallwirtschaft und Kulturbau (BWK) eV (Hrsg)(2013) Starkregen und urbane Sturzfluten Praxisleitfaden zur Uumlberflutungsvorsorge BWK-Fachinformation Ausgabe Juli 2013 Band 12013 Sindelfingen
[2] BUREK P THIELEN-DEL POZO J THIEMIG V SALAMON P DE ROO A (2011) Das Europaumlische Hochwasserfruumlhwarnsystem (EFAS) In DWA (Hrsg) Fachbeitraumlge Korrespondenz Wasserwirtschaft Ispra (Italien)
[3] Deutsche Bundesstiftung Umwelt (Hrsg)(2002) Innovativer Ansatz eines vorbeugenden Hochwasserschutzes durch dezentrale Maszlignahmen im Bereich der Siedlungswasserwirtschaft sowie der Landwirtschaft im Einzugsgebiet der Lausitzer Neiszlige Endbericht Universitaumlt Hannover
[4] Deutscher Wetterdienst (DWD) Abteilung Hydrometeorologie (Hrsg)(2004) Projekt RADOLAN Routineverfahren zur Online-Aneichung der Radarniederschlagsdaten mit Hilfe von automatisierten Bodenniederschlagsstationen (Ombrometer)
[5] Deutscher Wetterdienst (DWD) Abteilung Hydrometeorologie (Hrsg)(2011) RADOLANRADVOR-OP Beschreibung des Kompositformats Version 222
[6] Deutscher Wetterdienst (DWD) (Hrsg)(2008) Radarniederschlag-Prinzip der Niederschlagsbestimmung mit Radar inklusive Umrechnung der Radarreflektivitaumlten in Momentanwerte des Niederschlages Version 10
[7] Deutscher Wetterdienst (DWD) Abteilung Hydrometeorologie (Hrsg)(2005) Projekt RADVOR-OP
[8] Deutscher Wetterdienst (DWD) Abteilung Hydrometeorologie (Hrsg)(2012) Projekt RADVOR-OP
[9] DWA Regelwerk Arbeitsblatt DWA-A 531(2012) Starkregen in Abhaumlngigkeit von Wiederkehrintervall und Dauer
[10] DWA Regelwerk Arbeitsblatt DWA-A 118 (2006) Hydraulische Bemessung und Nachweis von Entwaumlsserungssystemen
[11] DWA Regelwerk Merkblatt DWA-M 153 (2007) Handlungsempfehlungen zum Umgang mit Regenwasser
[12] DWA Kommentar zum DWA Regelwerk (2008) Planung Bau und Betrieb von Anlagen zur Versickerung von Niederschlagswasser
[13] DWA Themen (2010) Abfluumlsse aus extremen Niederschlaumlgen Ergebnisse einer Bestandsaufnahme Hochwasserereignisse und Modellansaumltze zu ihrer Abbildung
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Projektskizze Umgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessen (Arbeitstitel) Januar 2015 Seite 33
[14] DWA-Arbeitsgruppe ES-26 (2008) Abfluumlsse aus Auszligengebieten der Kanalisation Arbeitsbericht
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9 Allgemeine Informationen Zeitplan und Ressourcen
91 Allgemeine Informationen
Antragsteller Prof Dr-Ing Ernesto Ruiz Rodriguez Wasserbaulaboratorium am Fachbereich Architektur und Bauingenieurwesen Hochschule RheinMain Kurt-Schumacher-Ring 18 65197 Wiesbaden
Projektbearbeiter Arbeitsgruppe bdquoStarkregen und Sturzflutenldquo am Wasserbaulaboratorium Prof Dr-Ing Ernesto Ruiz Rodriguez (Projektleitung) BEng Lisa Trost (Projektbearbeitung) Frank Salffner (Vermessungstechniker Laborant am Wasserbaulaboratorium und in der EDV- Arbeitsgruppe des Fachbereichs) Die Arbeitsziele werden durch Studienarbeiten des Master- Studienganges bdquoUmweltmanagement und Stadtplanung in Ballungsraumlumenldquo (UMSB) unterstuumltzt
Partnerschaften Kooperationspartner Prof Dr Ralf Doumlrner Hochschule RheinMain
FG Graphische Datenverarbeitung und Virtuelle Realitaumlt Prof Dr Robert Seuszlig Fachhochschule Frankfurt FG Geoinformation und Kommunaltechnik Berufsfeuerwehr Wiesbaden Dr Andreacute Assmann Fa Geomer Heidelberg
gewuumlnschte Zusammenarbeit Deutscher Wetterdienst Abt Hydrometeorologie Projektdauer 4 Jahre (vgl 92 Zeitplan) Eigenmittel Projektleitung durch Prof Dr E Ruiz Rodriguez
Nutzung der Einrichtungen des Wasserbaulaboratoriums der Hochschule RheinMain Unterstuumltzung bei Laborarbeiten und EDV Infrastruktur durch Frank Salffner
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92 Zeitplan
1
Jah
r
2
Jah
r
3
Jah
r
4
Jah
r Bemerkung
Arbeitspaket 1 Verwendung von Radardaten zur Simulation von Starkregen Sturzfluten fuumlr kleine Einzugsgebiete
Beginn der Arbeiten
Klaumlrung der Verfuumlgbarkeit von Radarniederschlagsdaten (fuumlr Modellierer Ingenieurbuumlros)
Aufwand zur Nutzung und Aufbereitung von Radarniederschlagsdaten fuumlr Modellierer Ingenieurbuumlros Erstellung eines Werkzeugs zur Visualisierung der archivierten und aktuellen Radarniederschlagsdaten Erstellung eines Werkzeugs zur Transformation und Projektion der DWD-RADOLAN-RW und RY-Komposit-Radarniederschlagsdaten in Gauszlig-Kruumlger undoder UTM-Projektion Erstellung eines GIS Werkzeugs zur Aufbereitung der DWD-RADOLAN-Komposit-Raster zur Simulation von Starkregen in kleinen Einzugsgebieten
1 Berichterstattung Arbeitspaket 1 (Teil 1)
Auswertung der RADOLAN Radarniederschlagsdaten des DWD
Praxisseminar Kolloquium bdquoVerwendung von Radardaten zur Simulation von Starkregen Sturzfluten in Hessenldquo
Arbeitspaket 2 Uumlberpruumlfung und Anpassung von Modellansaumltze zur Ermittlung des abflusswirksamen Niederschlages bei Starkregen
Uumlberpruumlfung und Anpassung der Modellansaumltze zur Ermittlung des abflusswirksamen Niederschlages bei Starkniederschlaumlgen unter besonderer Beruumlcksichtigung von Bodenfeuchte und Bodenluftkompressionseffekten
Arbeitspaket 3 Uumlberpruumlfung und Anpassung der hydraulischen Ansaumltze zur Berechnung des Oberflaumlchenabflusses bei Starkregen Sturzfluten an steilen Haumlngen
Bau der Versuchsrinne am Wasserbaulaboratorium Durchfuumlhrung und Auswertung der Versuche Uumlberpruumlfung und Anpassung der hydraulischen Ansaumltze zur Berechnung des Oberflaumlchenabflusses
2 Berichterstattung Arbeitspaket 2 und Arbeitspaket 3 (Teil1)
Arbeitspaket 4 Instationaumlre 2ndashdimensionale Modellierung des Oberflaumlchenabflusses bei Starkniederschlaumlgen
Anpassen des 2-dimensionallen Modelles auf instationaumlre Niederschlagsfronten Schnittstelle zu DWD RADOLAN Komposite Einarbeiten der verbesserten Ansaumltze zu Berechnung des abflusswirksamen Niederschlages bei Starkniederschlaumlgen Einarbeiten der verbesserten hydraulischen Ansaumltze
wird fortgesetzt
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1
Jah
r
2
Jah
r
3
Jah
r
4
Jah
r Bemerkung
Arbeitspaket 5 Erarbeitung von Starkregen Gefahrenkarten fuumlr das Land Hessen
Uumlberpruumlfen und Anpassung von fachlichen Kriterien fuumlr die Erstellung von Starkregen-Karten Definition der Inhalte von Starkregen-Hinweiskarten Definition der Inhalte von Starkregen- Gefahrenkarten
3 Berichterstattung Arbeitspaket 3 (Teil 2) Arbeitspaket 4 und Arbeitspaket 5 (Teil1)
Arbeitspaket 6 Modell- Pilotprojekt bdquoUmgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessenldquo
Erarbeitung von Starkregen-Hinweiskarten fuumlr die ausgewaumlhlten Pilot-Einzugsgebiete Erarbeitung von Starkregen-Gefahrenkarten fuumlr die ausgewaumlhlten Pilot-Einzugsgebiete Uumlberpruumlfen der fachlichen Kriterien und Ansaumltze (Arbeitspaket 5) fuumlr die Erstellung von Starkregen-Karten Diskussion uumlber die Starkregen-Karteninhalte und Starkregen-Kartendarstellung mit den Nutzern
4 Berichterstattung Arbeitspaket 5 (Teil 2) und Arbeitspaket 6 (Abschlussbericht)
93 Beantragte Mittel
Zur Durchfuumlhrung und Erreichung der im Antrag beschriebenen Arbeitsziele werden fuumlr das
1 Projektjahr 35000 Euro
2 Projektjahr 35000 Euro
3 Projektjahr 35000 Euro
4 Projektjahr 35000 Euro
beantragt
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Projektskizze Umgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessen (Arbeitstitel) Januar 2015 Anlage 1
1160 cm
280 cm
260 cm
1000 cm
1080 cm
6300 cm280 cm
3000 cm3000 cm
3000 cm 3000 cm
1000 cm624 cm
1500deg
Kipprinne zur Simulation des Oberflaumlchenabflusses an steilen HaumlngenLaumlnge= 630 mBreite= 10 mHoumlhe= 026 mmax Neigungswinkel 45deg
variableBeregnungslaumlnge
Maszligstab 120
1000 cm
260 cm
Sohlsubstrat zur Aufnahmevon kuumlnstlichen Bewuchsstrukturen
Beregnungsanlage mit schwenkbaren Duumlsen zurvertikalen Regensimulation
Wasserkoumlrper desOberflaumlchenabflusses
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Projektskizze Umgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessen (Arbeitstitel) Januar 2015 Anlage 1
1830 cm
2625 cm
Drehpunkt
1330 cm
6300 cm
280 cm
1500deg
Maszligstab 120
Kipprinne zur Simulation des Oberflaumlchenabflusses an steilen HaumlngenLaumlnge= 630 mBreite= 10 mHoumlhe= 026 mmax Neigungswinkel 45deg
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Projektskizze Umgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessen (Arbeitstitel) Januar 2015 Seite 22
Der Verfasser dieser Projektskizze selbst hat in Zusammenarbeit mit der Fa Geomer in Heidelberg die hydraulischen Kernroutinen fuumlr das Programm FloodArea entwickelt und ist daher in der Lage deren Einsatzgrenzen gut beurteilen zu koumlnnen
41 Korrektur der Flieszligformeln zur Simulation des Oberflaumlchenabflusses an steilen Haumlngen
Die nachfolgende Tabelle zeigt die unterschiedlichen Auspraumlgungen von wichtigen hydraulischen und geometrischen Randbedingungen fuumlr den steilen Oberflaumlchenabfluss und fuumlr die Wasserausbreitung auf den vergleichsweise flachen Gewaumlsserauen
Parameter Auspraumlgung
Gewaumlsser und Aue Steile Hanglage
Gefaumllle klein permil bis 10
groszlig 5 bis uumlber 100
Wassertiefe groszlig Dezimeter bis mehrere Meter
klein Duumlnnfilmabfluss bis Dezimeter
Betrachten wir zunaumlchst ein Fluidelement 119889119909 times ℎ times 119880 auf einer steilen Hangflaumlche mit dem Hangneigungswinkel β und formulieren in x- Richtung das Kraumlftegleichgewicht zwischen der hangabwaumlrts treibenden Kraft
119866 times sin 120573 = 119889119909 times ℎ times 119880 times 120588 times 119892 times sin 120573 und der Hangreibungskraft T
119879 = 120591 times 119880 times 119889119909 Man erhaumllt so den bekannten Ansatz fuumlr die Schleppspannung
120591 auf einer Hangflaumlche
120591 = 120588 times 119892 times119860
119880times sin 120573 [
119873
1198982]
dx
Q
vdx cosszlig
h
G
G sinszlig
T
U
Ah
szlig
x
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Projektskizze Umgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessen (Arbeitstitel) Januar 2015 Seite 23
Mit dem in der turbulenten Hydraulik uumlblich verwendeten Ansatz
120591 =120582
81199072 [
119873
1198982]
ergibt sich die Flieszligformel fuumlr den Oberflaumlchenabfluss
119907 =1
radic120582times radic8 times 119892 times
119860
119880times 119904119894119899 120573 [
119898
119904]
mit
v - mittl Flieszliggeschwindigkeit [ms]
1
radic120582 - Reibungskoeffizient [-]
g - Erdbeschleunigung [mssup2]
A - Abflussquerschnitt [msup2]
U - benetzte Sohle [m]
β - Hangneigungswinkel [Grad]
Da in der Flusshydraulik die Neigungswinkel der Gewaumlssersohlen deutlich kleiner sind als die Neigungswinkel steiler Hanglagen werden die Flieszligformeln vereinfach
119907 =1
radic120582times radic8 times 119892 times
119860
119880times 119868119864
Anstelle des 119904119894119899 120573 wird das Gefaumllle IE verwendet Dh
119904119894119899 120573 = 120573 oder 119904119894119899 120573 = 119905119886119899 120573 = 119868119864
mit
IE - Sohlgefaumllle [minuspermil]
Fuumlr Gefaumllle bis 20 oder 113 Grad Neigung ist diese Vereinfachung vertretbar und liefert gute Ergebnisse Ab Neigungen groumlszliger 20 darf diese Vereinfachung nicht mehr angesetzt werden Bei einer Hangneigung mit 45 Grad oder IE=1=100 Gefaumllle weichen die Ergebnisse fuumlr die Flieszliggeschwindigkeit um 16 ab
radic1 = 1 radic119904119894119899 45 = 07071 = 084 119865119890ℎ119897119890119903 =1minus084
1times 100 = 16
Bei aktuellen Simulationen werden diese Fehler manchmal auch aus Unkenntnis hingenommen oder mit Hilfe des Reibungskoeffizienten der Oberflaumlchen versucht zu korrigieren
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42 Versuchseinrichtung zur Uumlberpruumlfung und Anpassung der Flieszligformeln zur Simulation des Oberflaumlchenabflusses an steilen Haumlngen
Auf dem Gelaumlnde des Wasserbaulaboratoriums der Hochschule RheinMain soll im naumlchsten Sommersemester 2015 eine Versuchseinrichtung zur Simulation von Oberflaumlchenabfluss auf Hanglagen bis 45deg (11 100) errichtet werden
Es soll eine kippbare Versuchsrinne mit einer Breite von 10 m einer Houmlhe von 026 m und einer Laumlnge von 63 m errichtet werden (vgl auch Anlage 1) Zur vertikalen Regensimulation soll uumlber der Versuchsrinne eine Beregnungsanlage mit schwenkbaren Duumlsen angebracht werden
Kipprinne zur Simulation von Oberflaumlchenabfluumlssen an steilen Haumlngen vgl Anlage 1
In einer ersten Phase sollen die in Abschnitt 41 diskutierten hydraulischen Ansaumltze in Versuchen verifiziert werden Hierbei gilt es besonders zu uumlberpruumlfen ob bei sehr kleinen Abflusstiefen (Duumlnnfilmabfluss) die Oberflaumlchenspannung der Wassers bei den Bewegungsgleichungen von Bedeutung ist
Fuumlr die Versuchsreihen koumlnnen die Beregnungslaumlnge die Niederschlagsintensitaumlt und der Neigungswinkel der Versuchsrinne variiert werden
Arbeitsziel unterstuumltzt durch Studienarbeit Uumlberpruumlfung und Anpassung der Flieszligformeln zur Simulation des Oberflaumlchenabflusses an steilen Haumlngen
In einer spaumlteren Versuchsphase soll SohlsubstratBoden eingebracht werden um mit oder ohne kuumlnstlichen Bewuchsstrukturen verschiedene Hangrauheiten simulieren zu koumlnnen Dies soll zur Klaumlrung des Erosionsbeginns der Bodenmatrix beitragen
1000 cm
260 cm
Sohlsubstrat zur Aufnahmevon kuumlnstlichen Bewuchsstrukturen
Beregnungsanlage mit schwenkbaren Duumlsen zurvertikalen Regensimulation
Wasserkoumlrper desOberflaumlchenabflusses
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5 Arbeitspaket 4 Instationaumlre 2ndashdimensionale Modellierung des Oberflaumlchenabflusses bei Starkniederschlaumlgen
Um dem Programmieraufwand im Rahmen des Projektes so gering wie moumlglich zu halten wird vorgeschlagen das Programm Floodarea der Fa Geomer Heidelberg welches sich bisher in der Praxis bewaumlhrt hat als Basis fuumlr die Simulationen zu verwenden FloodArea ist ein vollstaumlndig in ArcGISreg integriertes 2D-Modell zur Berechnung von Uumlberschwemmungsflaumlchen Wie in Abschnitt 4 bereits erwaumlhnt war der Verfasser dieser Skizze in die Erarbeitung der hydraulischen Kernroutinen dieser Software involviert und kann insofern ihre Einsatz- und Anpassungsmoumlglichkeiten sehr gut abschaumltzen Eine Abstimmung mit Herrn Dr Assmann von der Fa Geomer erfolgte vor dem Verfassen dieser Projektskizze
Folgende Anpassungen bzw Erweiterungen des Programms sollen realisiert werden
Schnittstelle zu den DWD-Radarniederschlagsdaten um die 5-minuumltigen RADOLAN RY-Komposite fuumlr eine instationaumlre 2-dimensionale Modellierung des Oberflaumlchenabflusses verwenden zu koumlnnen(vgl Abschnitt 2)
Einarbeitung der angepassten und erweiterten Ansaumltze zur Ermittlung des abflusswirksamen Niederschlages bei Starkregen
Einarbeitung der uumlberarbeiteten hydraulischen Ansaumltze fuumlr den Oberflaumlchenabfluss in steilen Hanglagen
Fuumlr die in Abschnitt 7 vorgeschlagenen Pilot-Einzugsgebiete sollen fuumlr ausgesuchte Starkregenereignisse (Regensammlung vgl Abschnitt 22) Simulationen des Oberflaumlchenabflusses durchgefuumlhrt werden
Die Ergebnisse dieser Simulationen sollen die hydraulische Grundlage fuumlr die in Abschnitt 6 beschriebenen Starkregen-Gefahrenkarten bilden
Folgende Datengrundlagen sind in die Simulationen des Oberflaumlchenabflusses zu intergrieren
Radarniederschlagsdaten (vgl Abschnitt 2)
ein hoch aufgeloumlstes digitales Gelaumlndemodell aus Laserscandaten Bereits durchgefuumlhrte Simulationen des Landes Baden Wuumlrttemberg im Einzugsgebiet der Starzel und [25] zeigen dass der Einfluss von Kleinstrukturen und Hindernissen (Mauern Graumlben Strassendammprofile) auf den Verlauf des Abflussgeschehens einen groszligen Einfluss haben koumlnnen
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Projektskizze Umgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessen (Arbeitstitel) Januar 2015 Seite 26
Diese Kleinstrukturen werden allerdings durch das digitale Gelaumlndemodell nicht immer vollstaumlndig abgebildet Ggf muumlssen die Kleinstrukturen nachdigitalisiert werden um das digitale Gelaumlndemodell bdquohydraulischldquo zu vervollstaumlndigen
Gewaumlssernetz
Nutzungsmodell (zB ATKIS ALKIS CORINE LAND COVER) ggf mit Luftbildaufnahmen zur Verifizierung und Praumlzisierung der Nutzung und zur Ermittlung der Bearbeitungsrichtung bei landwirtschaftlichen Flaumlchen Hydraulisch nicht aktive Gebaumludeflaumlchen muumlssen bdquomarkiertldquo werden damit die Simulation an einer moumlglichst reellen Oberflaumlchengeometrie durchgefuumlhrt werden kann
Bodenkarte
Informationen uumlber die Bodenfeuchte oder Betrachtung der Regenmengen in den letzten 30 Tagen
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6 Arbeitspaket 5 Erarbeitung von Starkregen Gefahrenkarten fuumlr das Land Hessen
Wie im einfuumlhrenden Abschnitt 1 erlaumlutert muumlssen aufgrund der zu kurzen Vorwarnzeiten in kleinen Einzugsgebieten die Flaumlchen- und Bauvorsorge intensiviert werden um Schaumlden durch Starkregen und Sturzfluten mindern zu koumlnnen Die dazu notwendigen Informationen uumlber die in dieser Hinsicht gefaumlhrdeten Flaumlchen und deren Nutzung muumlssen bei der angepassten kommunalen Planung beruumlcksichtigt werden Flaumlchennutzungs- und Bebauungsplaumlne sind auf die topographischen Gegebenheiten und auf die Abflusseigenschaften des Gebietes bei Starkregen abzustimmen
Starkregen Hinweis- oder Starkregen Gefahrenkarten koumlnnen als Ergaumlnzung zu den mittlerweile bundesweit eingefuumlhrten Hochwassergefahrenkarten diese Informationen bereitstellen
Die im Folgenden verwendeten Begriffe
Starkregen-Hinweiskarte
Starkregen-Gefahrenkarten oder Flieszligpfadkarten
sind vorlaumlufige Benennungen Wie auch bei den Hochwassergefahrenkarten muss die LAWA fuumlr eine bundesweit einheitliche Benennung Sorge tragen
Aus der Sicht der Verfasser wird ein zweistufiges Vorgehen empfohlen
1 Identifikation der potentiell gefaumlhrdeten Hangflaumlchen und die Erstellung von Starkregen Hinweiskarten
2 Simulation des Oberflaumlchenabflusses der potentiell gefaumlhrdeten Flaumlchen und Erstellung von Starkregen Gefahrenkarten oder Flieszligpfadkarten
Eine flaumlchendeckende Simulation des Oberflaumlchenabflusses im betrachteten Projektraum sollte aufgrund der dabei entstehenden Projekt- bzw Ingenieurkosten uumlberdacht werden
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(Stufe 1) Identifikation der potentiell gefaumlhrdeten Hangflaumlchen und die Erstellung von Starkregen Hinweiskarten
Es wird vorgeschlagen in einem ersten Schritt den betrachteten Projektraum flaumlchendeckend auf potentiell gefaumlhrdete Hangflaumlchen zu untersuchen
Dazu sollen die Gelaumlndeneigung die Bodennutzung sowie die Lage der steilen Hangflaumlchen zu den schadensempfindlichen Flaumlchen (zB Siedlungsgebiete) fachlich miteinander verknuumlpft werden
Beispielsweise lassen sich auf Grundlage der folgenden fachlich begruumlndeten Matrix mit Hilfe der GIS Werkzeuge die potentiell gefaumlhrdeten Hangflaumlchen leicht identifizieren
Gruumlnland Ackerland
Gelaumlndenutzung Gelaumlndeneigung
Be
arb
eitu
ng
que
r zur
Fallr
ich
tun
g
Be
arb
eitu
ng
in
Fallr
ich
tun
g
kleiner 5 nicht
gefaumlhrdet wenig
gefaumlhrdet
5 bis 10 maumlszligig
gefaumlhrdet
10 bis 20 maumlszligig
gefaumlhrdet
groszliger 20 stark
gefaumlhrdet sehr stark gefaumlhrdet
sehr stark gefaumlhrdet
Liegen unterhalb stark oder maumlszligig gefaumlhrdeter Flaumlchen Siedlungsgebiete oder sind in den gefaumlhrdeten Flaumlchen Siedlungsentwicklungen geplant ist eine detaillierte Untersuchung des Oberflaumlchenabflusses erforderlich (Stufe 2)
Die bislang verwendeten Kriterien zur Einschaumltzung den potentiell betroffenen Flaumlchen sollten uumlberpruumlft und weiterentwickelt werden
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Beispiel fuumlr eine Starkregen-Hinweiskarte Stadt Nidderau
(Stufe 2) Simulation des Oberflaumlchenabflusses der potentiell gefaumlhrdeten Flaumlchen und Erstellung von Starkregen Gefahrenkarten oder Flieszligpfadkarten
Fuumlr die in Stufe 1 identifizierten gefaumlhrdeten Flaumlchen ist in der zweiten Stufe der Oberflaumlchenabfluss zu simulieren Je nach Groumlszlige des zu betrachtenden Niederschlagseinzugsgebietes oberhalb der gefaumlhrdeten Siedlungsflaumlchen und Infrastrukturen muumlssen aus der Regensammlung (vgl Abschnitt 22) konvektive Ereignisse geeigneter Dauer ausgewaumlhlt werden
Aus der instationaumlren 2D-Simulation erhaumllt man fuumlr definierte Zeitpunkte nach dem Beginn des Niederschlages folgende fuumlr das gewaumlhlte Berechnungsraster raumlumlich aufgeloumlste hydraulisch relevante Grundinformationen
Ist die Flaumlche benetzt (janein)
Wasserstand (bdquoUumlberflutungshoumlheldquo) auf der Flaumlche
Flieszligrichtung und Flieszliggeschwindigkeit auf der Flaumlche
Diese hydraulischen Grundinformationen muumlssen aufbereitet fachlich interpretiert und auf geeignete Weise dargestellt werden
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Projektskizze Umgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessen (Arbeitstitel) Januar 2015 Seite 30
Letztlich geht es darum die Frage zu klaumlren welche Fachinformationen eine Starkregen-Gefahrenkarte beinhalten sollte
Aus der Sicht der Verfasser sollten in den Gefahrenkarten folgende hydraulische Informationen enthalten sein
Abflussrinnen und Flieszligpfade auf den Hangflaumlchen (Vervollstaumlndigung des Gewaumlssernetzes gegen Flieszligrichtung vgl auch Bild Abschnitt 4 Seite 21)
Starkregen-Gefahrenkarte mit Flieszligpfaden und Flieszligrichtung aus BWK [1]
Wassertiefenentwicklung entlang der Flieszligpfade
Flieszliggeschwindigkeiten entlang der Flieszligpfade
Diese Fachinformationen sollten zusammen mit einem fuumlr den Nutzer geeigneten Kartenhintergrund (Luftbildaufnahmen ALK topographische Karte etc) visualisiert werden
Im Rahmen der Bearbeitung der vorgeschlagenen Pilot-Einzugsgebiete (siehe Abschnitt 7) sind geeignete Inhalte und Darstellungsmoumlglichkeiten fuumlr Starkregen-Gefahrenkarten zu entwickeln
Wie auch bei den Hochwassergefahrenkarten sollte die LAWA fuumlr bundesweit einheitliche Standards der Starkregen-Gefahrenkarten Sorge tragen
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Projektskizze Umgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessen (Arbeitstitel) Januar 2015 Seite 31
7 Arbeitspaket 6 Modell- Pilotprojekt bdquoUmgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessenldquo
In einem letzten Arbeitsabschnitt sollen anhand ausgesuchter Einzugsgebiete mit Hilfe des in Abschnitt 6 vorgeschlagenen Vorgehens Starkregen-Hinweiskarten und Starkregen-Gefahrenkarten erstellt werden
Die Verwendung von Niederschlagsdaten aus Radarbeobachtungen (vgl Abschnitt 1) und der Einsatz des verbesserten Simulationsmodells (vgl Abschnitte 3 und 4) werden gegenuumlber der heutigen Praxis bessere fachliche Informationen zur Bewaumlltigung von Starkregen-Gefahrenlagen bereitstellen koumlnnen
Folgende Pilot-Einzugsgebiete in hessischen Rheingau werden zur Auswahl gestellt
Walluf (AE=281 kmsup2) Die Walluf besitzt einen Pegel (Martinsthal AE=245 kmsup2 36 km oberhalb der Muumlndung) im Einzugsgebiet An der Hochschule RheinMain steht ein Niederschlags-Abfluss Modell der Walluf zur Verfuumlgung
Erbbach Kisselbach (AE= 106 kmsup2)
Pfingstbach (AE= 84 kmsup2)
Stegbach Blaubach (AE= 127 kmsup2)
Der Hochwasserrisikomanagementplan Rheingau steht zurzeit in der oumlffentlichen Abstimmung und wird im Laufe 2015 fertig gestellt werden Nach Aussage von Frau Tremper des Regierungspraumlsidiums Darmstadt Abteilung IVWi 412 waumlre eine Ergaumlnzung des HWRM-PL Rheingau durch Starkregen-Hinweis- und -Gefahrenkarten der Rheingaubaumlche hilfreich Diese wuumlrden die im HWRM-PL Rheingau betrachteten Rhein-Hochwasserszenarien ergaumlnzen
Arbeitsziel unterstuumltzt durch Studienarbeiten Erstellung von Niederschlags- Abfluss Modellen fuumlr die Rheingaubaumlche Erbach Kisselbach Pfingstbach Stegbach Blaubach
Bei der Erstellung der Starkregen-Hinweiskarten und Starkregen-Gefahrenkarten fuumlr die Pilot-Einzugsgebiete sollen die in Abschnitt 6 weiterentwickelten Ansaumltze erprobt und die Karteninhalte mit den spaumlteren Nutzern diskutiert werden Dabei sollen insbesondere die Kartendarstellung und deren Inhalte den jeweiligen fachlichen Beduumlrfnissen entsprechen
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8 Literatur und Quellen
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Projektskizze Umgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessen (Arbeitstitel) Januar 2015 Seite 34
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9 Allgemeine Informationen Zeitplan und Ressourcen
91 Allgemeine Informationen
Antragsteller Prof Dr-Ing Ernesto Ruiz Rodriguez Wasserbaulaboratorium am Fachbereich Architektur und Bauingenieurwesen Hochschule RheinMain Kurt-Schumacher-Ring 18 65197 Wiesbaden
Projektbearbeiter Arbeitsgruppe bdquoStarkregen und Sturzflutenldquo am Wasserbaulaboratorium Prof Dr-Ing Ernesto Ruiz Rodriguez (Projektleitung) BEng Lisa Trost (Projektbearbeitung) Frank Salffner (Vermessungstechniker Laborant am Wasserbaulaboratorium und in der EDV- Arbeitsgruppe des Fachbereichs) Die Arbeitsziele werden durch Studienarbeiten des Master- Studienganges bdquoUmweltmanagement und Stadtplanung in Ballungsraumlumenldquo (UMSB) unterstuumltzt
Partnerschaften Kooperationspartner Prof Dr Ralf Doumlrner Hochschule RheinMain
FG Graphische Datenverarbeitung und Virtuelle Realitaumlt Prof Dr Robert Seuszlig Fachhochschule Frankfurt FG Geoinformation und Kommunaltechnik Berufsfeuerwehr Wiesbaden Dr Andreacute Assmann Fa Geomer Heidelberg
gewuumlnschte Zusammenarbeit Deutscher Wetterdienst Abt Hydrometeorologie Projektdauer 4 Jahre (vgl 92 Zeitplan) Eigenmittel Projektleitung durch Prof Dr E Ruiz Rodriguez
Nutzung der Einrichtungen des Wasserbaulaboratoriums der Hochschule RheinMain Unterstuumltzung bei Laborarbeiten und EDV Infrastruktur durch Frank Salffner
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92 Zeitplan
1
Jah
r
2
Jah
r
3
Jah
r
4
Jah
r Bemerkung
Arbeitspaket 1 Verwendung von Radardaten zur Simulation von Starkregen Sturzfluten fuumlr kleine Einzugsgebiete
Beginn der Arbeiten
Klaumlrung der Verfuumlgbarkeit von Radarniederschlagsdaten (fuumlr Modellierer Ingenieurbuumlros)
Aufwand zur Nutzung und Aufbereitung von Radarniederschlagsdaten fuumlr Modellierer Ingenieurbuumlros Erstellung eines Werkzeugs zur Visualisierung der archivierten und aktuellen Radarniederschlagsdaten Erstellung eines Werkzeugs zur Transformation und Projektion der DWD-RADOLAN-RW und RY-Komposit-Radarniederschlagsdaten in Gauszlig-Kruumlger undoder UTM-Projektion Erstellung eines GIS Werkzeugs zur Aufbereitung der DWD-RADOLAN-Komposit-Raster zur Simulation von Starkregen in kleinen Einzugsgebieten
1 Berichterstattung Arbeitspaket 1 (Teil 1)
Auswertung der RADOLAN Radarniederschlagsdaten des DWD
Praxisseminar Kolloquium bdquoVerwendung von Radardaten zur Simulation von Starkregen Sturzfluten in Hessenldquo
Arbeitspaket 2 Uumlberpruumlfung und Anpassung von Modellansaumltze zur Ermittlung des abflusswirksamen Niederschlages bei Starkregen
Uumlberpruumlfung und Anpassung der Modellansaumltze zur Ermittlung des abflusswirksamen Niederschlages bei Starkniederschlaumlgen unter besonderer Beruumlcksichtigung von Bodenfeuchte und Bodenluftkompressionseffekten
Arbeitspaket 3 Uumlberpruumlfung und Anpassung der hydraulischen Ansaumltze zur Berechnung des Oberflaumlchenabflusses bei Starkregen Sturzfluten an steilen Haumlngen
Bau der Versuchsrinne am Wasserbaulaboratorium Durchfuumlhrung und Auswertung der Versuche Uumlberpruumlfung und Anpassung der hydraulischen Ansaumltze zur Berechnung des Oberflaumlchenabflusses
2 Berichterstattung Arbeitspaket 2 und Arbeitspaket 3 (Teil1)
Arbeitspaket 4 Instationaumlre 2ndashdimensionale Modellierung des Oberflaumlchenabflusses bei Starkniederschlaumlgen
Anpassen des 2-dimensionallen Modelles auf instationaumlre Niederschlagsfronten Schnittstelle zu DWD RADOLAN Komposite Einarbeiten der verbesserten Ansaumltze zu Berechnung des abflusswirksamen Niederschlages bei Starkniederschlaumlgen Einarbeiten der verbesserten hydraulischen Ansaumltze
wird fortgesetzt
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1
Jah
r
2
Jah
r
3
Jah
r
4
Jah
r Bemerkung
Arbeitspaket 5 Erarbeitung von Starkregen Gefahrenkarten fuumlr das Land Hessen
Uumlberpruumlfen und Anpassung von fachlichen Kriterien fuumlr die Erstellung von Starkregen-Karten Definition der Inhalte von Starkregen-Hinweiskarten Definition der Inhalte von Starkregen- Gefahrenkarten
3 Berichterstattung Arbeitspaket 3 (Teil 2) Arbeitspaket 4 und Arbeitspaket 5 (Teil1)
Arbeitspaket 6 Modell- Pilotprojekt bdquoUmgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessenldquo
Erarbeitung von Starkregen-Hinweiskarten fuumlr die ausgewaumlhlten Pilot-Einzugsgebiete Erarbeitung von Starkregen-Gefahrenkarten fuumlr die ausgewaumlhlten Pilot-Einzugsgebiete Uumlberpruumlfen der fachlichen Kriterien und Ansaumltze (Arbeitspaket 5) fuumlr die Erstellung von Starkregen-Karten Diskussion uumlber die Starkregen-Karteninhalte und Starkregen-Kartendarstellung mit den Nutzern
4 Berichterstattung Arbeitspaket 5 (Teil 2) und Arbeitspaket 6 (Abschlussbericht)
93 Beantragte Mittel
Zur Durchfuumlhrung und Erreichung der im Antrag beschriebenen Arbeitsziele werden fuumlr das
1 Projektjahr 35000 Euro
2 Projektjahr 35000 Euro
3 Projektjahr 35000 Euro
4 Projektjahr 35000 Euro
beantragt
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Projektskizze Umgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessen (Arbeitstitel) Januar 2015 Anlage 1
1160 cm
280 cm
260 cm
1000 cm
1080 cm
6300 cm280 cm
3000 cm3000 cm
3000 cm 3000 cm
1000 cm624 cm
1500deg
Kipprinne zur Simulation des Oberflaumlchenabflusses an steilen HaumlngenLaumlnge= 630 mBreite= 10 mHoumlhe= 026 mmax Neigungswinkel 45deg
variableBeregnungslaumlnge
Maszligstab 120
1000 cm
260 cm
Sohlsubstrat zur Aufnahmevon kuumlnstlichen Bewuchsstrukturen
Beregnungsanlage mit schwenkbaren Duumlsen zurvertikalen Regensimulation
Wasserkoumlrper desOberflaumlchenabflusses
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Projektskizze Umgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessen (Arbeitstitel) Januar 2015 Anlage 1
1830 cm
2625 cm
Drehpunkt
1330 cm
6300 cm
280 cm
1500deg
Maszligstab 120
Kipprinne zur Simulation des Oberflaumlchenabflusses an steilen HaumlngenLaumlnge= 630 mBreite= 10 mHoumlhe= 026 mmax Neigungswinkel 45deg
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Projektskizze Umgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessen (Arbeitstitel) Januar 2015 Seite 23
Mit dem in der turbulenten Hydraulik uumlblich verwendeten Ansatz
120591 =120582
81199072 [
119873
1198982]
ergibt sich die Flieszligformel fuumlr den Oberflaumlchenabfluss
119907 =1
radic120582times radic8 times 119892 times
119860
119880times 119904119894119899 120573 [
119898
119904]
mit
v - mittl Flieszliggeschwindigkeit [ms]
1
radic120582 - Reibungskoeffizient [-]
g - Erdbeschleunigung [mssup2]
A - Abflussquerschnitt [msup2]
U - benetzte Sohle [m]
β - Hangneigungswinkel [Grad]
Da in der Flusshydraulik die Neigungswinkel der Gewaumlssersohlen deutlich kleiner sind als die Neigungswinkel steiler Hanglagen werden die Flieszligformeln vereinfach
119907 =1
radic120582times radic8 times 119892 times
119860
119880times 119868119864
Anstelle des 119904119894119899 120573 wird das Gefaumllle IE verwendet Dh
119904119894119899 120573 = 120573 oder 119904119894119899 120573 = 119905119886119899 120573 = 119868119864
mit
IE - Sohlgefaumllle [minuspermil]
Fuumlr Gefaumllle bis 20 oder 113 Grad Neigung ist diese Vereinfachung vertretbar und liefert gute Ergebnisse Ab Neigungen groumlszliger 20 darf diese Vereinfachung nicht mehr angesetzt werden Bei einer Hangneigung mit 45 Grad oder IE=1=100 Gefaumllle weichen die Ergebnisse fuumlr die Flieszliggeschwindigkeit um 16 ab
radic1 = 1 radic119904119894119899 45 = 07071 = 084 119865119890ℎ119897119890119903 =1minus084
1times 100 = 16
Bei aktuellen Simulationen werden diese Fehler manchmal auch aus Unkenntnis hingenommen oder mit Hilfe des Reibungskoeffizienten der Oberflaumlchen versucht zu korrigieren
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42 Versuchseinrichtung zur Uumlberpruumlfung und Anpassung der Flieszligformeln zur Simulation des Oberflaumlchenabflusses an steilen Haumlngen
Auf dem Gelaumlnde des Wasserbaulaboratoriums der Hochschule RheinMain soll im naumlchsten Sommersemester 2015 eine Versuchseinrichtung zur Simulation von Oberflaumlchenabfluss auf Hanglagen bis 45deg (11 100) errichtet werden
Es soll eine kippbare Versuchsrinne mit einer Breite von 10 m einer Houmlhe von 026 m und einer Laumlnge von 63 m errichtet werden (vgl auch Anlage 1) Zur vertikalen Regensimulation soll uumlber der Versuchsrinne eine Beregnungsanlage mit schwenkbaren Duumlsen angebracht werden
Kipprinne zur Simulation von Oberflaumlchenabfluumlssen an steilen Haumlngen vgl Anlage 1
In einer ersten Phase sollen die in Abschnitt 41 diskutierten hydraulischen Ansaumltze in Versuchen verifiziert werden Hierbei gilt es besonders zu uumlberpruumlfen ob bei sehr kleinen Abflusstiefen (Duumlnnfilmabfluss) die Oberflaumlchenspannung der Wassers bei den Bewegungsgleichungen von Bedeutung ist
Fuumlr die Versuchsreihen koumlnnen die Beregnungslaumlnge die Niederschlagsintensitaumlt und der Neigungswinkel der Versuchsrinne variiert werden
Arbeitsziel unterstuumltzt durch Studienarbeit Uumlberpruumlfung und Anpassung der Flieszligformeln zur Simulation des Oberflaumlchenabflusses an steilen Haumlngen
In einer spaumlteren Versuchsphase soll SohlsubstratBoden eingebracht werden um mit oder ohne kuumlnstlichen Bewuchsstrukturen verschiedene Hangrauheiten simulieren zu koumlnnen Dies soll zur Klaumlrung des Erosionsbeginns der Bodenmatrix beitragen
1000 cm
260 cm
Sohlsubstrat zur Aufnahmevon kuumlnstlichen Bewuchsstrukturen
Beregnungsanlage mit schwenkbaren Duumlsen zurvertikalen Regensimulation
Wasserkoumlrper desOberflaumlchenabflusses
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Projektskizze Umgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessen (Arbeitstitel) Januar 2015 Seite 25
5 Arbeitspaket 4 Instationaumlre 2ndashdimensionale Modellierung des Oberflaumlchenabflusses bei Starkniederschlaumlgen
Um dem Programmieraufwand im Rahmen des Projektes so gering wie moumlglich zu halten wird vorgeschlagen das Programm Floodarea der Fa Geomer Heidelberg welches sich bisher in der Praxis bewaumlhrt hat als Basis fuumlr die Simulationen zu verwenden FloodArea ist ein vollstaumlndig in ArcGISreg integriertes 2D-Modell zur Berechnung von Uumlberschwemmungsflaumlchen Wie in Abschnitt 4 bereits erwaumlhnt war der Verfasser dieser Skizze in die Erarbeitung der hydraulischen Kernroutinen dieser Software involviert und kann insofern ihre Einsatz- und Anpassungsmoumlglichkeiten sehr gut abschaumltzen Eine Abstimmung mit Herrn Dr Assmann von der Fa Geomer erfolgte vor dem Verfassen dieser Projektskizze
Folgende Anpassungen bzw Erweiterungen des Programms sollen realisiert werden
Schnittstelle zu den DWD-Radarniederschlagsdaten um die 5-minuumltigen RADOLAN RY-Komposite fuumlr eine instationaumlre 2-dimensionale Modellierung des Oberflaumlchenabflusses verwenden zu koumlnnen(vgl Abschnitt 2)
Einarbeitung der angepassten und erweiterten Ansaumltze zur Ermittlung des abflusswirksamen Niederschlages bei Starkregen
Einarbeitung der uumlberarbeiteten hydraulischen Ansaumltze fuumlr den Oberflaumlchenabfluss in steilen Hanglagen
Fuumlr die in Abschnitt 7 vorgeschlagenen Pilot-Einzugsgebiete sollen fuumlr ausgesuchte Starkregenereignisse (Regensammlung vgl Abschnitt 22) Simulationen des Oberflaumlchenabflusses durchgefuumlhrt werden
Die Ergebnisse dieser Simulationen sollen die hydraulische Grundlage fuumlr die in Abschnitt 6 beschriebenen Starkregen-Gefahrenkarten bilden
Folgende Datengrundlagen sind in die Simulationen des Oberflaumlchenabflusses zu intergrieren
Radarniederschlagsdaten (vgl Abschnitt 2)
ein hoch aufgeloumlstes digitales Gelaumlndemodell aus Laserscandaten Bereits durchgefuumlhrte Simulationen des Landes Baden Wuumlrttemberg im Einzugsgebiet der Starzel und [25] zeigen dass der Einfluss von Kleinstrukturen und Hindernissen (Mauern Graumlben Strassendammprofile) auf den Verlauf des Abflussgeschehens einen groszligen Einfluss haben koumlnnen
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Projektskizze Umgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessen (Arbeitstitel) Januar 2015 Seite 26
Diese Kleinstrukturen werden allerdings durch das digitale Gelaumlndemodell nicht immer vollstaumlndig abgebildet Ggf muumlssen die Kleinstrukturen nachdigitalisiert werden um das digitale Gelaumlndemodell bdquohydraulischldquo zu vervollstaumlndigen
Gewaumlssernetz
Nutzungsmodell (zB ATKIS ALKIS CORINE LAND COVER) ggf mit Luftbildaufnahmen zur Verifizierung und Praumlzisierung der Nutzung und zur Ermittlung der Bearbeitungsrichtung bei landwirtschaftlichen Flaumlchen Hydraulisch nicht aktive Gebaumludeflaumlchen muumlssen bdquomarkiertldquo werden damit die Simulation an einer moumlglichst reellen Oberflaumlchengeometrie durchgefuumlhrt werden kann
Bodenkarte
Informationen uumlber die Bodenfeuchte oder Betrachtung der Regenmengen in den letzten 30 Tagen
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Projektskizze Umgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessen (Arbeitstitel) Januar 2015 Seite 27
6 Arbeitspaket 5 Erarbeitung von Starkregen Gefahrenkarten fuumlr das Land Hessen
Wie im einfuumlhrenden Abschnitt 1 erlaumlutert muumlssen aufgrund der zu kurzen Vorwarnzeiten in kleinen Einzugsgebieten die Flaumlchen- und Bauvorsorge intensiviert werden um Schaumlden durch Starkregen und Sturzfluten mindern zu koumlnnen Die dazu notwendigen Informationen uumlber die in dieser Hinsicht gefaumlhrdeten Flaumlchen und deren Nutzung muumlssen bei der angepassten kommunalen Planung beruumlcksichtigt werden Flaumlchennutzungs- und Bebauungsplaumlne sind auf die topographischen Gegebenheiten und auf die Abflusseigenschaften des Gebietes bei Starkregen abzustimmen
Starkregen Hinweis- oder Starkregen Gefahrenkarten koumlnnen als Ergaumlnzung zu den mittlerweile bundesweit eingefuumlhrten Hochwassergefahrenkarten diese Informationen bereitstellen
Die im Folgenden verwendeten Begriffe
Starkregen-Hinweiskarte
Starkregen-Gefahrenkarten oder Flieszligpfadkarten
sind vorlaumlufige Benennungen Wie auch bei den Hochwassergefahrenkarten muss die LAWA fuumlr eine bundesweit einheitliche Benennung Sorge tragen
Aus der Sicht der Verfasser wird ein zweistufiges Vorgehen empfohlen
1 Identifikation der potentiell gefaumlhrdeten Hangflaumlchen und die Erstellung von Starkregen Hinweiskarten
2 Simulation des Oberflaumlchenabflusses der potentiell gefaumlhrdeten Flaumlchen und Erstellung von Starkregen Gefahrenkarten oder Flieszligpfadkarten
Eine flaumlchendeckende Simulation des Oberflaumlchenabflusses im betrachteten Projektraum sollte aufgrund der dabei entstehenden Projekt- bzw Ingenieurkosten uumlberdacht werden
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Projektskizze Umgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessen (Arbeitstitel) Januar 2015 Seite 28
(Stufe 1) Identifikation der potentiell gefaumlhrdeten Hangflaumlchen und die Erstellung von Starkregen Hinweiskarten
Es wird vorgeschlagen in einem ersten Schritt den betrachteten Projektraum flaumlchendeckend auf potentiell gefaumlhrdete Hangflaumlchen zu untersuchen
Dazu sollen die Gelaumlndeneigung die Bodennutzung sowie die Lage der steilen Hangflaumlchen zu den schadensempfindlichen Flaumlchen (zB Siedlungsgebiete) fachlich miteinander verknuumlpft werden
Beispielsweise lassen sich auf Grundlage der folgenden fachlich begruumlndeten Matrix mit Hilfe der GIS Werkzeuge die potentiell gefaumlhrdeten Hangflaumlchen leicht identifizieren
Gruumlnland Ackerland
Gelaumlndenutzung Gelaumlndeneigung
Be
arb
eitu
ng
que
r zur
Fallr
ich
tun
g
Be
arb
eitu
ng
in
Fallr
ich
tun
g
kleiner 5 nicht
gefaumlhrdet wenig
gefaumlhrdet
5 bis 10 maumlszligig
gefaumlhrdet
10 bis 20 maumlszligig
gefaumlhrdet
groszliger 20 stark
gefaumlhrdet sehr stark gefaumlhrdet
sehr stark gefaumlhrdet
Liegen unterhalb stark oder maumlszligig gefaumlhrdeter Flaumlchen Siedlungsgebiete oder sind in den gefaumlhrdeten Flaumlchen Siedlungsentwicklungen geplant ist eine detaillierte Untersuchung des Oberflaumlchenabflusses erforderlich (Stufe 2)
Die bislang verwendeten Kriterien zur Einschaumltzung den potentiell betroffenen Flaumlchen sollten uumlberpruumlft und weiterentwickelt werden
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Projektskizze Umgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessen (Arbeitstitel) Januar 2015 Seite 29
Beispiel fuumlr eine Starkregen-Hinweiskarte Stadt Nidderau
(Stufe 2) Simulation des Oberflaumlchenabflusses der potentiell gefaumlhrdeten Flaumlchen und Erstellung von Starkregen Gefahrenkarten oder Flieszligpfadkarten
Fuumlr die in Stufe 1 identifizierten gefaumlhrdeten Flaumlchen ist in der zweiten Stufe der Oberflaumlchenabfluss zu simulieren Je nach Groumlszlige des zu betrachtenden Niederschlagseinzugsgebietes oberhalb der gefaumlhrdeten Siedlungsflaumlchen und Infrastrukturen muumlssen aus der Regensammlung (vgl Abschnitt 22) konvektive Ereignisse geeigneter Dauer ausgewaumlhlt werden
Aus der instationaumlren 2D-Simulation erhaumllt man fuumlr definierte Zeitpunkte nach dem Beginn des Niederschlages folgende fuumlr das gewaumlhlte Berechnungsraster raumlumlich aufgeloumlste hydraulisch relevante Grundinformationen
Ist die Flaumlche benetzt (janein)
Wasserstand (bdquoUumlberflutungshoumlheldquo) auf der Flaumlche
Flieszligrichtung und Flieszliggeschwindigkeit auf der Flaumlche
Diese hydraulischen Grundinformationen muumlssen aufbereitet fachlich interpretiert und auf geeignete Weise dargestellt werden
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Projektskizze Umgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessen (Arbeitstitel) Januar 2015 Seite 30
Letztlich geht es darum die Frage zu klaumlren welche Fachinformationen eine Starkregen-Gefahrenkarte beinhalten sollte
Aus der Sicht der Verfasser sollten in den Gefahrenkarten folgende hydraulische Informationen enthalten sein
Abflussrinnen und Flieszligpfade auf den Hangflaumlchen (Vervollstaumlndigung des Gewaumlssernetzes gegen Flieszligrichtung vgl auch Bild Abschnitt 4 Seite 21)
Starkregen-Gefahrenkarte mit Flieszligpfaden und Flieszligrichtung aus BWK [1]
Wassertiefenentwicklung entlang der Flieszligpfade
Flieszliggeschwindigkeiten entlang der Flieszligpfade
Diese Fachinformationen sollten zusammen mit einem fuumlr den Nutzer geeigneten Kartenhintergrund (Luftbildaufnahmen ALK topographische Karte etc) visualisiert werden
Im Rahmen der Bearbeitung der vorgeschlagenen Pilot-Einzugsgebiete (siehe Abschnitt 7) sind geeignete Inhalte und Darstellungsmoumlglichkeiten fuumlr Starkregen-Gefahrenkarten zu entwickeln
Wie auch bei den Hochwassergefahrenkarten sollte die LAWA fuumlr bundesweit einheitliche Standards der Starkregen-Gefahrenkarten Sorge tragen
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7 Arbeitspaket 6 Modell- Pilotprojekt bdquoUmgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessenldquo
In einem letzten Arbeitsabschnitt sollen anhand ausgesuchter Einzugsgebiete mit Hilfe des in Abschnitt 6 vorgeschlagenen Vorgehens Starkregen-Hinweiskarten und Starkregen-Gefahrenkarten erstellt werden
Die Verwendung von Niederschlagsdaten aus Radarbeobachtungen (vgl Abschnitt 1) und der Einsatz des verbesserten Simulationsmodells (vgl Abschnitte 3 und 4) werden gegenuumlber der heutigen Praxis bessere fachliche Informationen zur Bewaumlltigung von Starkregen-Gefahrenlagen bereitstellen koumlnnen
Folgende Pilot-Einzugsgebiete in hessischen Rheingau werden zur Auswahl gestellt
Walluf (AE=281 kmsup2) Die Walluf besitzt einen Pegel (Martinsthal AE=245 kmsup2 36 km oberhalb der Muumlndung) im Einzugsgebiet An der Hochschule RheinMain steht ein Niederschlags-Abfluss Modell der Walluf zur Verfuumlgung
Erbbach Kisselbach (AE= 106 kmsup2)
Pfingstbach (AE= 84 kmsup2)
Stegbach Blaubach (AE= 127 kmsup2)
Der Hochwasserrisikomanagementplan Rheingau steht zurzeit in der oumlffentlichen Abstimmung und wird im Laufe 2015 fertig gestellt werden Nach Aussage von Frau Tremper des Regierungspraumlsidiums Darmstadt Abteilung IVWi 412 waumlre eine Ergaumlnzung des HWRM-PL Rheingau durch Starkregen-Hinweis- und -Gefahrenkarten der Rheingaubaumlche hilfreich Diese wuumlrden die im HWRM-PL Rheingau betrachteten Rhein-Hochwasserszenarien ergaumlnzen
Arbeitsziel unterstuumltzt durch Studienarbeiten Erstellung von Niederschlags- Abfluss Modellen fuumlr die Rheingaubaumlche Erbach Kisselbach Pfingstbach Stegbach Blaubach
Bei der Erstellung der Starkregen-Hinweiskarten und Starkregen-Gefahrenkarten fuumlr die Pilot-Einzugsgebiete sollen die in Abschnitt 6 weiterentwickelten Ansaumltze erprobt und die Karteninhalte mit den spaumlteren Nutzern diskutiert werden Dabei sollen insbesondere die Kartendarstellung und deren Inhalte den jeweiligen fachlichen Beduumlrfnissen entsprechen
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8 Literatur und Quellen
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[6] Deutscher Wetterdienst (DWD) (Hrsg)(2008) Radarniederschlag-Prinzip der Niederschlagsbestimmung mit Radar inklusive Umrechnung der Radarreflektivitaumlten in Momentanwerte des Niederschlages Version 10
[7] Deutscher Wetterdienst (DWD) Abteilung Hydrometeorologie (Hrsg)(2005) Projekt RADVOR-OP
[8] Deutscher Wetterdienst (DWD) Abteilung Hydrometeorologie (Hrsg)(2012) Projekt RADVOR-OP
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[12] DWA Kommentar zum DWA Regelwerk (2008) Planung Bau und Betrieb von Anlagen zur Versickerung von Niederschlagswasser
[13] DWA Themen (2010) Abfluumlsse aus extremen Niederschlaumlgen Ergebnisse einer Bestandsaufnahme Hochwasserereignisse und Modellansaumltze zu ihrer Abbildung
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[22] Hydrotec Ingenieurgesellschaft fuumlr Wasser und Umwelt mbH Fachhochschule Aachen DWD (2008) Ergebnisse des Forschungsvorhabens In Bundesministerium fuumlr Bildung und Forschung (Hrsg) Foumlrderprogramm des BMBF Aachen
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9 Allgemeine Informationen Zeitplan und Ressourcen
91 Allgemeine Informationen
Antragsteller Prof Dr-Ing Ernesto Ruiz Rodriguez Wasserbaulaboratorium am Fachbereich Architektur und Bauingenieurwesen Hochschule RheinMain Kurt-Schumacher-Ring 18 65197 Wiesbaden
Projektbearbeiter Arbeitsgruppe bdquoStarkregen und Sturzflutenldquo am Wasserbaulaboratorium Prof Dr-Ing Ernesto Ruiz Rodriguez (Projektleitung) BEng Lisa Trost (Projektbearbeitung) Frank Salffner (Vermessungstechniker Laborant am Wasserbaulaboratorium und in der EDV- Arbeitsgruppe des Fachbereichs) Die Arbeitsziele werden durch Studienarbeiten des Master- Studienganges bdquoUmweltmanagement und Stadtplanung in Ballungsraumlumenldquo (UMSB) unterstuumltzt
Partnerschaften Kooperationspartner Prof Dr Ralf Doumlrner Hochschule RheinMain
FG Graphische Datenverarbeitung und Virtuelle Realitaumlt Prof Dr Robert Seuszlig Fachhochschule Frankfurt FG Geoinformation und Kommunaltechnik Berufsfeuerwehr Wiesbaden Dr Andreacute Assmann Fa Geomer Heidelberg
gewuumlnschte Zusammenarbeit Deutscher Wetterdienst Abt Hydrometeorologie Projektdauer 4 Jahre (vgl 92 Zeitplan) Eigenmittel Projektleitung durch Prof Dr E Ruiz Rodriguez
Nutzung der Einrichtungen des Wasserbaulaboratoriums der Hochschule RheinMain Unterstuumltzung bei Laborarbeiten und EDV Infrastruktur durch Frank Salffner
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92 Zeitplan
1
Jah
r
2
Jah
r
3
Jah
r
4
Jah
r Bemerkung
Arbeitspaket 1 Verwendung von Radardaten zur Simulation von Starkregen Sturzfluten fuumlr kleine Einzugsgebiete
Beginn der Arbeiten
Klaumlrung der Verfuumlgbarkeit von Radarniederschlagsdaten (fuumlr Modellierer Ingenieurbuumlros)
Aufwand zur Nutzung und Aufbereitung von Radarniederschlagsdaten fuumlr Modellierer Ingenieurbuumlros Erstellung eines Werkzeugs zur Visualisierung der archivierten und aktuellen Radarniederschlagsdaten Erstellung eines Werkzeugs zur Transformation und Projektion der DWD-RADOLAN-RW und RY-Komposit-Radarniederschlagsdaten in Gauszlig-Kruumlger undoder UTM-Projektion Erstellung eines GIS Werkzeugs zur Aufbereitung der DWD-RADOLAN-Komposit-Raster zur Simulation von Starkregen in kleinen Einzugsgebieten
1 Berichterstattung Arbeitspaket 1 (Teil 1)
Auswertung der RADOLAN Radarniederschlagsdaten des DWD
Praxisseminar Kolloquium bdquoVerwendung von Radardaten zur Simulation von Starkregen Sturzfluten in Hessenldquo
Arbeitspaket 2 Uumlberpruumlfung und Anpassung von Modellansaumltze zur Ermittlung des abflusswirksamen Niederschlages bei Starkregen
Uumlberpruumlfung und Anpassung der Modellansaumltze zur Ermittlung des abflusswirksamen Niederschlages bei Starkniederschlaumlgen unter besonderer Beruumlcksichtigung von Bodenfeuchte und Bodenluftkompressionseffekten
Arbeitspaket 3 Uumlberpruumlfung und Anpassung der hydraulischen Ansaumltze zur Berechnung des Oberflaumlchenabflusses bei Starkregen Sturzfluten an steilen Haumlngen
Bau der Versuchsrinne am Wasserbaulaboratorium Durchfuumlhrung und Auswertung der Versuche Uumlberpruumlfung und Anpassung der hydraulischen Ansaumltze zur Berechnung des Oberflaumlchenabflusses
2 Berichterstattung Arbeitspaket 2 und Arbeitspaket 3 (Teil1)
Arbeitspaket 4 Instationaumlre 2ndashdimensionale Modellierung des Oberflaumlchenabflusses bei Starkniederschlaumlgen
Anpassen des 2-dimensionallen Modelles auf instationaumlre Niederschlagsfronten Schnittstelle zu DWD RADOLAN Komposite Einarbeiten der verbesserten Ansaumltze zu Berechnung des abflusswirksamen Niederschlages bei Starkniederschlaumlgen Einarbeiten der verbesserten hydraulischen Ansaumltze
wird fortgesetzt
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1
Jah
r
2
Jah
r
3
Jah
r
4
Jah
r Bemerkung
Arbeitspaket 5 Erarbeitung von Starkregen Gefahrenkarten fuumlr das Land Hessen
Uumlberpruumlfen und Anpassung von fachlichen Kriterien fuumlr die Erstellung von Starkregen-Karten Definition der Inhalte von Starkregen-Hinweiskarten Definition der Inhalte von Starkregen- Gefahrenkarten
3 Berichterstattung Arbeitspaket 3 (Teil 2) Arbeitspaket 4 und Arbeitspaket 5 (Teil1)
Arbeitspaket 6 Modell- Pilotprojekt bdquoUmgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessenldquo
Erarbeitung von Starkregen-Hinweiskarten fuumlr die ausgewaumlhlten Pilot-Einzugsgebiete Erarbeitung von Starkregen-Gefahrenkarten fuumlr die ausgewaumlhlten Pilot-Einzugsgebiete Uumlberpruumlfen der fachlichen Kriterien und Ansaumltze (Arbeitspaket 5) fuumlr die Erstellung von Starkregen-Karten Diskussion uumlber die Starkregen-Karteninhalte und Starkregen-Kartendarstellung mit den Nutzern
4 Berichterstattung Arbeitspaket 5 (Teil 2) und Arbeitspaket 6 (Abschlussbericht)
93 Beantragte Mittel
Zur Durchfuumlhrung und Erreichung der im Antrag beschriebenen Arbeitsziele werden fuumlr das
1 Projektjahr 35000 Euro
2 Projektjahr 35000 Euro
3 Projektjahr 35000 Euro
4 Projektjahr 35000 Euro
beantragt
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Projektskizze Umgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessen (Arbeitstitel) Januar 2015 Anlage 1
1160 cm
280 cm
260 cm
1000 cm
1080 cm
6300 cm280 cm
3000 cm3000 cm
3000 cm 3000 cm
1000 cm624 cm
1500deg
Kipprinne zur Simulation des Oberflaumlchenabflusses an steilen HaumlngenLaumlnge= 630 mBreite= 10 mHoumlhe= 026 mmax Neigungswinkel 45deg
variableBeregnungslaumlnge
Maszligstab 120
1000 cm
260 cm
Sohlsubstrat zur Aufnahmevon kuumlnstlichen Bewuchsstrukturen
Beregnungsanlage mit schwenkbaren Duumlsen zurvertikalen Regensimulation
Wasserkoumlrper desOberflaumlchenabflusses
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Projektskizze Umgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessen (Arbeitstitel) Januar 2015 Anlage 1
1830 cm
2625 cm
Drehpunkt
1330 cm
6300 cm
280 cm
1500deg
Maszligstab 120
Kipprinne zur Simulation des Oberflaumlchenabflusses an steilen HaumlngenLaumlnge= 630 mBreite= 10 mHoumlhe= 026 mmax Neigungswinkel 45deg
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42 Versuchseinrichtung zur Uumlberpruumlfung und Anpassung der Flieszligformeln zur Simulation des Oberflaumlchenabflusses an steilen Haumlngen
Auf dem Gelaumlnde des Wasserbaulaboratoriums der Hochschule RheinMain soll im naumlchsten Sommersemester 2015 eine Versuchseinrichtung zur Simulation von Oberflaumlchenabfluss auf Hanglagen bis 45deg (11 100) errichtet werden
Es soll eine kippbare Versuchsrinne mit einer Breite von 10 m einer Houmlhe von 026 m und einer Laumlnge von 63 m errichtet werden (vgl auch Anlage 1) Zur vertikalen Regensimulation soll uumlber der Versuchsrinne eine Beregnungsanlage mit schwenkbaren Duumlsen angebracht werden
Kipprinne zur Simulation von Oberflaumlchenabfluumlssen an steilen Haumlngen vgl Anlage 1
In einer ersten Phase sollen die in Abschnitt 41 diskutierten hydraulischen Ansaumltze in Versuchen verifiziert werden Hierbei gilt es besonders zu uumlberpruumlfen ob bei sehr kleinen Abflusstiefen (Duumlnnfilmabfluss) die Oberflaumlchenspannung der Wassers bei den Bewegungsgleichungen von Bedeutung ist
Fuumlr die Versuchsreihen koumlnnen die Beregnungslaumlnge die Niederschlagsintensitaumlt und der Neigungswinkel der Versuchsrinne variiert werden
Arbeitsziel unterstuumltzt durch Studienarbeit Uumlberpruumlfung und Anpassung der Flieszligformeln zur Simulation des Oberflaumlchenabflusses an steilen Haumlngen
In einer spaumlteren Versuchsphase soll SohlsubstratBoden eingebracht werden um mit oder ohne kuumlnstlichen Bewuchsstrukturen verschiedene Hangrauheiten simulieren zu koumlnnen Dies soll zur Klaumlrung des Erosionsbeginns der Bodenmatrix beitragen
1000 cm
260 cm
Sohlsubstrat zur Aufnahmevon kuumlnstlichen Bewuchsstrukturen
Beregnungsanlage mit schwenkbaren Duumlsen zurvertikalen Regensimulation
Wasserkoumlrper desOberflaumlchenabflusses
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Projektskizze Umgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessen (Arbeitstitel) Januar 2015 Seite 25
5 Arbeitspaket 4 Instationaumlre 2ndashdimensionale Modellierung des Oberflaumlchenabflusses bei Starkniederschlaumlgen
Um dem Programmieraufwand im Rahmen des Projektes so gering wie moumlglich zu halten wird vorgeschlagen das Programm Floodarea der Fa Geomer Heidelberg welches sich bisher in der Praxis bewaumlhrt hat als Basis fuumlr die Simulationen zu verwenden FloodArea ist ein vollstaumlndig in ArcGISreg integriertes 2D-Modell zur Berechnung von Uumlberschwemmungsflaumlchen Wie in Abschnitt 4 bereits erwaumlhnt war der Verfasser dieser Skizze in die Erarbeitung der hydraulischen Kernroutinen dieser Software involviert und kann insofern ihre Einsatz- und Anpassungsmoumlglichkeiten sehr gut abschaumltzen Eine Abstimmung mit Herrn Dr Assmann von der Fa Geomer erfolgte vor dem Verfassen dieser Projektskizze
Folgende Anpassungen bzw Erweiterungen des Programms sollen realisiert werden
Schnittstelle zu den DWD-Radarniederschlagsdaten um die 5-minuumltigen RADOLAN RY-Komposite fuumlr eine instationaumlre 2-dimensionale Modellierung des Oberflaumlchenabflusses verwenden zu koumlnnen(vgl Abschnitt 2)
Einarbeitung der angepassten und erweiterten Ansaumltze zur Ermittlung des abflusswirksamen Niederschlages bei Starkregen
Einarbeitung der uumlberarbeiteten hydraulischen Ansaumltze fuumlr den Oberflaumlchenabfluss in steilen Hanglagen
Fuumlr die in Abschnitt 7 vorgeschlagenen Pilot-Einzugsgebiete sollen fuumlr ausgesuchte Starkregenereignisse (Regensammlung vgl Abschnitt 22) Simulationen des Oberflaumlchenabflusses durchgefuumlhrt werden
Die Ergebnisse dieser Simulationen sollen die hydraulische Grundlage fuumlr die in Abschnitt 6 beschriebenen Starkregen-Gefahrenkarten bilden
Folgende Datengrundlagen sind in die Simulationen des Oberflaumlchenabflusses zu intergrieren
Radarniederschlagsdaten (vgl Abschnitt 2)
ein hoch aufgeloumlstes digitales Gelaumlndemodell aus Laserscandaten Bereits durchgefuumlhrte Simulationen des Landes Baden Wuumlrttemberg im Einzugsgebiet der Starzel und [25] zeigen dass der Einfluss von Kleinstrukturen und Hindernissen (Mauern Graumlben Strassendammprofile) auf den Verlauf des Abflussgeschehens einen groszligen Einfluss haben koumlnnen
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Projektskizze Umgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessen (Arbeitstitel) Januar 2015 Seite 26
Diese Kleinstrukturen werden allerdings durch das digitale Gelaumlndemodell nicht immer vollstaumlndig abgebildet Ggf muumlssen die Kleinstrukturen nachdigitalisiert werden um das digitale Gelaumlndemodell bdquohydraulischldquo zu vervollstaumlndigen
Gewaumlssernetz
Nutzungsmodell (zB ATKIS ALKIS CORINE LAND COVER) ggf mit Luftbildaufnahmen zur Verifizierung und Praumlzisierung der Nutzung und zur Ermittlung der Bearbeitungsrichtung bei landwirtschaftlichen Flaumlchen Hydraulisch nicht aktive Gebaumludeflaumlchen muumlssen bdquomarkiertldquo werden damit die Simulation an einer moumlglichst reellen Oberflaumlchengeometrie durchgefuumlhrt werden kann
Bodenkarte
Informationen uumlber die Bodenfeuchte oder Betrachtung der Regenmengen in den letzten 30 Tagen
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Projektskizze Umgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessen (Arbeitstitel) Januar 2015 Seite 27
6 Arbeitspaket 5 Erarbeitung von Starkregen Gefahrenkarten fuumlr das Land Hessen
Wie im einfuumlhrenden Abschnitt 1 erlaumlutert muumlssen aufgrund der zu kurzen Vorwarnzeiten in kleinen Einzugsgebieten die Flaumlchen- und Bauvorsorge intensiviert werden um Schaumlden durch Starkregen und Sturzfluten mindern zu koumlnnen Die dazu notwendigen Informationen uumlber die in dieser Hinsicht gefaumlhrdeten Flaumlchen und deren Nutzung muumlssen bei der angepassten kommunalen Planung beruumlcksichtigt werden Flaumlchennutzungs- und Bebauungsplaumlne sind auf die topographischen Gegebenheiten und auf die Abflusseigenschaften des Gebietes bei Starkregen abzustimmen
Starkregen Hinweis- oder Starkregen Gefahrenkarten koumlnnen als Ergaumlnzung zu den mittlerweile bundesweit eingefuumlhrten Hochwassergefahrenkarten diese Informationen bereitstellen
Die im Folgenden verwendeten Begriffe
Starkregen-Hinweiskarte
Starkregen-Gefahrenkarten oder Flieszligpfadkarten
sind vorlaumlufige Benennungen Wie auch bei den Hochwassergefahrenkarten muss die LAWA fuumlr eine bundesweit einheitliche Benennung Sorge tragen
Aus der Sicht der Verfasser wird ein zweistufiges Vorgehen empfohlen
1 Identifikation der potentiell gefaumlhrdeten Hangflaumlchen und die Erstellung von Starkregen Hinweiskarten
2 Simulation des Oberflaumlchenabflusses der potentiell gefaumlhrdeten Flaumlchen und Erstellung von Starkregen Gefahrenkarten oder Flieszligpfadkarten
Eine flaumlchendeckende Simulation des Oberflaumlchenabflusses im betrachteten Projektraum sollte aufgrund der dabei entstehenden Projekt- bzw Ingenieurkosten uumlberdacht werden
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Projektskizze Umgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessen (Arbeitstitel) Januar 2015 Seite 28
(Stufe 1) Identifikation der potentiell gefaumlhrdeten Hangflaumlchen und die Erstellung von Starkregen Hinweiskarten
Es wird vorgeschlagen in einem ersten Schritt den betrachteten Projektraum flaumlchendeckend auf potentiell gefaumlhrdete Hangflaumlchen zu untersuchen
Dazu sollen die Gelaumlndeneigung die Bodennutzung sowie die Lage der steilen Hangflaumlchen zu den schadensempfindlichen Flaumlchen (zB Siedlungsgebiete) fachlich miteinander verknuumlpft werden
Beispielsweise lassen sich auf Grundlage der folgenden fachlich begruumlndeten Matrix mit Hilfe der GIS Werkzeuge die potentiell gefaumlhrdeten Hangflaumlchen leicht identifizieren
Gruumlnland Ackerland
Gelaumlndenutzung Gelaumlndeneigung
Be
arb
eitu
ng
que
r zur
Fallr
ich
tun
g
Be
arb
eitu
ng
in
Fallr
ich
tun
g
kleiner 5 nicht
gefaumlhrdet wenig
gefaumlhrdet
5 bis 10 maumlszligig
gefaumlhrdet
10 bis 20 maumlszligig
gefaumlhrdet
groszliger 20 stark
gefaumlhrdet sehr stark gefaumlhrdet
sehr stark gefaumlhrdet
Liegen unterhalb stark oder maumlszligig gefaumlhrdeter Flaumlchen Siedlungsgebiete oder sind in den gefaumlhrdeten Flaumlchen Siedlungsentwicklungen geplant ist eine detaillierte Untersuchung des Oberflaumlchenabflusses erforderlich (Stufe 2)
Die bislang verwendeten Kriterien zur Einschaumltzung den potentiell betroffenen Flaumlchen sollten uumlberpruumlft und weiterentwickelt werden
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Projektskizze Umgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessen (Arbeitstitel) Januar 2015 Seite 29
Beispiel fuumlr eine Starkregen-Hinweiskarte Stadt Nidderau
(Stufe 2) Simulation des Oberflaumlchenabflusses der potentiell gefaumlhrdeten Flaumlchen und Erstellung von Starkregen Gefahrenkarten oder Flieszligpfadkarten
Fuumlr die in Stufe 1 identifizierten gefaumlhrdeten Flaumlchen ist in der zweiten Stufe der Oberflaumlchenabfluss zu simulieren Je nach Groumlszlige des zu betrachtenden Niederschlagseinzugsgebietes oberhalb der gefaumlhrdeten Siedlungsflaumlchen und Infrastrukturen muumlssen aus der Regensammlung (vgl Abschnitt 22) konvektive Ereignisse geeigneter Dauer ausgewaumlhlt werden
Aus der instationaumlren 2D-Simulation erhaumllt man fuumlr definierte Zeitpunkte nach dem Beginn des Niederschlages folgende fuumlr das gewaumlhlte Berechnungsraster raumlumlich aufgeloumlste hydraulisch relevante Grundinformationen
Ist die Flaumlche benetzt (janein)
Wasserstand (bdquoUumlberflutungshoumlheldquo) auf der Flaumlche
Flieszligrichtung und Flieszliggeschwindigkeit auf der Flaumlche
Diese hydraulischen Grundinformationen muumlssen aufbereitet fachlich interpretiert und auf geeignete Weise dargestellt werden
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Projektskizze Umgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessen (Arbeitstitel) Januar 2015 Seite 30
Letztlich geht es darum die Frage zu klaumlren welche Fachinformationen eine Starkregen-Gefahrenkarte beinhalten sollte
Aus der Sicht der Verfasser sollten in den Gefahrenkarten folgende hydraulische Informationen enthalten sein
Abflussrinnen und Flieszligpfade auf den Hangflaumlchen (Vervollstaumlndigung des Gewaumlssernetzes gegen Flieszligrichtung vgl auch Bild Abschnitt 4 Seite 21)
Starkregen-Gefahrenkarte mit Flieszligpfaden und Flieszligrichtung aus BWK [1]
Wassertiefenentwicklung entlang der Flieszligpfade
Flieszliggeschwindigkeiten entlang der Flieszligpfade
Diese Fachinformationen sollten zusammen mit einem fuumlr den Nutzer geeigneten Kartenhintergrund (Luftbildaufnahmen ALK topographische Karte etc) visualisiert werden
Im Rahmen der Bearbeitung der vorgeschlagenen Pilot-Einzugsgebiete (siehe Abschnitt 7) sind geeignete Inhalte und Darstellungsmoumlglichkeiten fuumlr Starkregen-Gefahrenkarten zu entwickeln
Wie auch bei den Hochwassergefahrenkarten sollte die LAWA fuumlr bundesweit einheitliche Standards der Starkregen-Gefahrenkarten Sorge tragen
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Projektskizze Umgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessen (Arbeitstitel) Januar 2015 Seite 31
7 Arbeitspaket 6 Modell- Pilotprojekt bdquoUmgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessenldquo
In einem letzten Arbeitsabschnitt sollen anhand ausgesuchter Einzugsgebiete mit Hilfe des in Abschnitt 6 vorgeschlagenen Vorgehens Starkregen-Hinweiskarten und Starkregen-Gefahrenkarten erstellt werden
Die Verwendung von Niederschlagsdaten aus Radarbeobachtungen (vgl Abschnitt 1) und der Einsatz des verbesserten Simulationsmodells (vgl Abschnitte 3 und 4) werden gegenuumlber der heutigen Praxis bessere fachliche Informationen zur Bewaumlltigung von Starkregen-Gefahrenlagen bereitstellen koumlnnen
Folgende Pilot-Einzugsgebiete in hessischen Rheingau werden zur Auswahl gestellt
Walluf (AE=281 kmsup2) Die Walluf besitzt einen Pegel (Martinsthal AE=245 kmsup2 36 km oberhalb der Muumlndung) im Einzugsgebiet An der Hochschule RheinMain steht ein Niederschlags-Abfluss Modell der Walluf zur Verfuumlgung
Erbbach Kisselbach (AE= 106 kmsup2)
Pfingstbach (AE= 84 kmsup2)
Stegbach Blaubach (AE= 127 kmsup2)
Der Hochwasserrisikomanagementplan Rheingau steht zurzeit in der oumlffentlichen Abstimmung und wird im Laufe 2015 fertig gestellt werden Nach Aussage von Frau Tremper des Regierungspraumlsidiums Darmstadt Abteilung IVWi 412 waumlre eine Ergaumlnzung des HWRM-PL Rheingau durch Starkregen-Hinweis- und -Gefahrenkarten der Rheingaubaumlche hilfreich Diese wuumlrden die im HWRM-PL Rheingau betrachteten Rhein-Hochwasserszenarien ergaumlnzen
Arbeitsziel unterstuumltzt durch Studienarbeiten Erstellung von Niederschlags- Abfluss Modellen fuumlr die Rheingaubaumlche Erbach Kisselbach Pfingstbach Stegbach Blaubach
Bei der Erstellung der Starkregen-Hinweiskarten und Starkregen-Gefahrenkarten fuumlr die Pilot-Einzugsgebiete sollen die in Abschnitt 6 weiterentwickelten Ansaumltze erprobt und die Karteninhalte mit den spaumlteren Nutzern diskutiert werden Dabei sollen insbesondere die Kartendarstellung und deren Inhalte den jeweiligen fachlichen Beduumlrfnissen entsprechen
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Projektskizze Umgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessen (Arbeitstitel) Januar 2015 Seite 32
8 Literatur und Quellen
[1] Bund der Ingenieure fuumlr Wasserwirtschaft Abfallwirtschaft und Kulturbau (BWK) eV (Hrsg)(2013) Starkregen und urbane Sturzfluten Praxisleitfaden zur Uumlberflutungsvorsorge BWK-Fachinformation Ausgabe Juli 2013 Band 12013 Sindelfingen
[2] BUREK P THIELEN-DEL POZO J THIEMIG V SALAMON P DE ROO A (2011) Das Europaumlische Hochwasserfruumlhwarnsystem (EFAS) In DWA (Hrsg) Fachbeitraumlge Korrespondenz Wasserwirtschaft Ispra (Italien)
[3] Deutsche Bundesstiftung Umwelt (Hrsg)(2002) Innovativer Ansatz eines vorbeugenden Hochwasserschutzes durch dezentrale Maszlignahmen im Bereich der Siedlungswasserwirtschaft sowie der Landwirtschaft im Einzugsgebiet der Lausitzer Neiszlige Endbericht Universitaumlt Hannover
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[6] Deutscher Wetterdienst (DWD) (Hrsg)(2008) Radarniederschlag-Prinzip der Niederschlagsbestimmung mit Radar inklusive Umrechnung der Radarreflektivitaumlten in Momentanwerte des Niederschlages Version 10
[7] Deutscher Wetterdienst (DWD) Abteilung Hydrometeorologie (Hrsg)(2005) Projekt RADVOR-OP
[8] Deutscher Wetterdienst (DWD) Abteilung Hydrometeorologie (Hrsg)(2012) Projekt RADVOR-OP
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[10] DWA Regelwerk Arbeitsblatt DWA-A 118 (2006) Hydraulische Bemessung und Nachweis von Entwaumlsserungssystemen
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[13] DWA Themen (2010) Abfluumlsse aus extremen Niederschlaumlgen Ergebnisse einer Bestandsaufnahme Hochwasserereignisse und Modellansaumltze zu ihrer Abbildung
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[22] Hydrotec Ingenieurgesellschaft fuumlr Wasser und Umwelt mbH Fachhochschule Aachen DWD (2008) Ergebnisse des Forschungsvorhabens In Bundesministerium fuumlr Bildung und Forschung (Hrsg) Foumlrderprogramm des BMBF Aachen
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[43] WINTERRATH T Dr WEIGL E (2012) RADOLAN RADVOR-OP und die RADOLAN-Klimatologie Status und Plaumlne In DWD (Hrsg) DWD-Kundenforum Hydrometeorologie Offenbach
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9 Allgemeine Informationen Zeitplan und Ressourcen
91 Allgemeine Informationen
Antragsteller Prof Dr-Ing Ernesto Ruiz Rodriguez Wasserbaulaboratorium am Fachbereich Architektur und Bauingenieurwesen Hochschule RheinMain Kurt-Schumacher-Ring 18 65197 Wiesbaden
Projektbearbeiter Arbeitsgruppe bdquoStarkregen und Sturzflutenldquo am Wasserbaulaboratorium Prof Dr-Ing Ernesto Ruiz Rodriguez (Projektleitung) BEng Lisa Trost (Projektbearbeitung) Frank Salffner (Vermessungstechniker Laborant am Wasserbaulaboratorium und in der EDV- Arbeitsgruppe des Fachbereichs) Die Arbeitsziele werden durch Studienarbeiten des Master- Studienganges bdquoUmweltmanagement und Stadtplanung in Ballungsraumlumenldquo (UMSB) unterstuumltzt
Partnerschaften Kooperationspartner Prof Dr Ralf Doumlrner Hochschule RheinMain
FG Graphische Datenverarbeitung und Virtuelle Realitaumlt Prof Dr Robert Seuszlig Fachhochschule Frankfurt FG Geoinformation und Kommunaltechnik Berufsfeuerwehr Wiesbaden Dr Andreacute Assmann Fa Geomer Heidelberg
gewuumlnschte Zusammenarbeit Deutscher Wetterdienst Abt Hydrometeorologie Projektdauer 4 Jahre (vgl 92 Zeitplan) Eigenmittel Projektleitung durch Prof Dr E Ruiz Rodriguez
Nutzung der Einrichtungen des Wasserbaulaboratoriums der Hochschule RheinMain Unterstuumltzung bei Laborarbeiten und EDV Infrastruktur durch Frank Salffner
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92 Zeitplan
1
Jah
r
2
Jah
r
3
Jah
r
4
Jah
r Bemerkung
Arbeitspaket 1 Verwendung von Radardaten zur Simulation von Starkregen Sturzfluten fuumlr kleine Einzugsgebiete
Beginn der Arbeiten
Klaumlrung der Verfuumlgbarkeit von Radarniederschlagsdaten (fuumlr Modellierer Ingenieurbuumlros)
Aufwand zur Nutzung und Aufbereitung von Radarniederschlagsdaten fuumlr Modellierer Ingenieurbuumlros Erstellung eines Werkzeugs zur Visualisierung der archivierten und aktuellen Radarniederschlagsdaten Erstellung eines Werkzeugs zur Transformation und Projektion der DWD-RADOLAN-RW und RY-Komposit-Radarniederschlagsdaten in Gauszlig-Kruumlger undoder UTM-Projektion Erstellung eines GIS Werkzeugs zur Aufbereitung der DWD-RADOLAN-Komposit-Raster zur Simulation von Starkregen in kleinen Einzugsgebieten
1 Berichterstattung Arbeitspaket 1 (Teil 1)
Auswertung der RADOLAN Radarniederschlagsdaten des DWD
Praxisseminar Kolloquium bdquoVerwendung von Radardaten zur Simulation von Starkregen Sturzfluten in Hessenldquo
Arbeitspaket 2 Uumlberpruumlfung und Anpassung von Modellansaumltze zur Ermittlung des abflusswirksamen Niederschlages bei Starkregen
Uumlberpruumlfung und Anpassung der Modellansaumltze zur Ermittlung des abflusswirksamen Niederschlages bei Starkniederschlaumlgen unter besonderer Beruumlcksichtigung von Bodenfeuchte und Bodenluftkompressionseffekten
Arbeitspaket 3 Uumlberpruumlfung und Anpassung der hydraulischen Ansaumltze zur Berechnung des Oberflaumlchenabflusses bei Starkregen Sturzfluten an steilen Haumlngen
Bau der Versuchsrinne am Wasserbaulaboratorium Durchfuumlhrung und Auswertung der Versuche Uumlberpruumlfung und Anpassung der hydraulischen Ansaumltze zur Berechnung des Oberflaumlchenabflusses
2 Berichterstattung Arbeitspaket 2 und Arbeitspaket 3 (Teil1)
Arbeitspaket 4 Instationaumlre 2ndashdimensionale Modellierung des Oberflaumlchenabflusses bei Starkniederschlaumlgen
Anpassen des 2-dimensionallen Modelles auf instationaumlre Niederschlagsfronten Schnittstelle zu DWD RADOLAN Komposite Einarbeiten der verbesserten Ansaumltze zu Berechnung des abflusswirksamen Niederschlages bei Starkniederschlaumlgen Einarbeiten der verbesserten hydraulischen Ansaumltze
wird fortgesetzt
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1
Jah
r
2
Jah
r
3
Jah
r
4
Jah
r Bemerkung
Arbeitspaket 5 Erarbeitung von Starkregen Gefahrenkarten fuumlr das Land Hessen
Uumlberpruumlfen und Anpassung von fachlichen Kriterien fuumlr die Erstellung von Starkregen-Karten Definition der Inhalte von Starkregen-Hinweiskarten Definition der Inhalte von Starkregen- Gefahrenkarten
3 Berichterstattung Arbeitspaket 3 (Teil 2) Arbeitspaket 4 und Arbeitspaket 5 (Teil1)
Arbeitspaket 6 Modell- Pilotprojekt bdquoUmgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessenldquo
Erarbeitung von Starkregen-Hinweiskarten fuumlr die ausgewaumlhlten Pilot-Einzugsgebiete Erarbeitung von Starkregen-Gefahrenkarten fuumlr die ausgewaumlhlten Pilot-Einzugsgebiete Uumlberpruumlfen der fachlichen Kriterien und Ansaumltze (Arbeitspaket 5) fuumlr die Erstellung von Starkregen-Karten Diskussion uumlber die Starkregen-Karteninhalte und Starkregen-Kartendarstellung mit den Nutzern
4 Berichterstattung Arbeitspaket 5 (Teil 2) und Arbeitspaket 6 (Abschlussbericht)
93 Beantragte Mittel
Zur Durchfuumlhrung und Erreichung der im Antrag beschriebenen Arbeitsziele werden fuumlr das
1 Projektjahr 35000 Euro
2 Projektjahr 35000 Euro
3 Projektjahr 35000 Euro
4 Projektjahr 35000 Euro
beantragt
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Projektskizze Umgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessen (Arbeitstitel) Januar 2015 Anlage 1
1160 cm
280 cm
260 cm
1000 cm
1080 cm
6300 cm280 cm
3000 cm3000 cm
3000 cm 3000 cm
1000 cm624 cm
1500deg
Kipprinne zur Simulation des Oberflaumlchenabflusses an steilen HaumlngenLaumlnge= 630 mBreite= 10 mHoumlhe= 026 mmax Neigungswinkel 45deg
variableBeregnungslaumlnge
Maszligstab 120
1000 cm
260 cm
Sohlsubstrat zur Aufnahmevon kuumlnstlichen Bewuchsstrukturen
Beregnungsanlage mit schwenkbaren Duumlsen zurvertikalen Regensimulation
Wasserkoumlrper desOberflaumlchenabflusses
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Projektskizze Umgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessen (Arbeitstitel) Januar 2015 Anlage 1
1830 cm
2625 cm
Drehpunkt
1330 cm
6300 cm
280 cm
1500deg
Maszligstab 120
Kipprinne zur Simulation des Oberflaumlchenabflusses an steilen HaumlngenLaumlnge= 630 mBreite= 10 mHoumlhe= 026 mmax Neigungswinkel 45deg
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Projektskizze Umgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessen (Arbeitstitel) Januar 2015 Seite 25
5 Arbeitspaket 4 Instationaumlre 2ndashdimensionale Modellierung des Oberflaumlchenabflusses bei Starkniederschlaumlgen
Um dem Programmieraufwand im Rahmen des Projektes so gering wie moumlglich zu halten wird vorgeschlagen das Programm Floodarea der Fa Geomer Heidelberg welches sich bisher in der Praxis bewaumlhrt hat als Basis fuumlr die Simulationen zu verwenden FloodArea ist ein vollstaumlndig in ArcGISreg integriertes 2D-Modell zur Berechnung von Uumlberschwemmungsflaumlchen Wie in Abschnitt 4 bereits erwaumlhnt war der Verfasser dieser Skizze in die Erarbeitung der hydraulischen Kernroutinen dieser Software involviert und kann insofern ihre Einsatz- und Anpassungsmoumlglichkeiten sehr gut abschaumltzen Eine Abstimmung mit Herrn Dr Assmann von der Fa Geomer erfolgte vor dem Verfassen dieser Projektskizze
Folgende Anpassungen bzw Erweiterungen des Programms sollen realisiert werden
Schnittstelle zu den DWD-Radarniederschlagsdaten um die 5-minuumltigen RADOLAN RY-Komposite fuumlr eine instationaumlre 2-dimensionale Modellierung des Oberflaumlchenabflusses verwenden zu koumlnnen(vgl Abschnitt 2)
Einarbeitung der angepassten und erweiterten Ansaumltze zur Ermittlung des abflusswirksamen Niederschlages bei Starkregen
Einarbeitung der uumlberarbeiteten hydraulischen Ansaumltze fuumlr den Oberflaumlchenabfluss in steilen Hanglagen
Fuumlr die in Abschnitt 7 vorgeschlagenen Pilot-Einzugsgebiete sollen fuumlr ausgesuchte Starkregenereignisse (Regensammlung vgl Abschnitt 22) Simulationen des Oberflaumlchenabflusses durchgefuumlhrt werden
Die Ergebnisse dieser Simulationen sollen die hydraulische Grundlage fuumlr die in Abschnitt 6 beschriebenen Starkregen-Gefahrenkarten bilden
Folgende Datengrundlagen sind in die Simulationen des Oberflaumlchenabflusses zu intergrieren
Radarniederschlagsdaten (vgl Abschnitt 2)
ein hoch aufgeloumlstes digitales Gelaumlndemodell aus Laserscandaten Bereits durchgefuumlhrte Simulationen des Landes Baden Wuumlrttemberg im Einzugsgebiet der Starzel und [25] zeigen dass der Einfluss von Kleinstrukturen und Hindernissen (Mauern Graumlben Strassendammprofile) auf den Verlauf des Abflussgeschehens einen groszligen Einfluss haben koumlnnen
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Projektskizze Umgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessen (Arbeitstitel) Januar 2015 Seite 26
Diese Kleinstrukturen werden allerdings durch das digitale Gelaumlndemodell nicht immer vollstaumlndig abgebildet Ggf muumlssen die Kleinstrukturen nachdigitalisiert werden um das digitale Gelaumlndemodell bdquohydraulischldquo zu vervollstaumlndigen
Gewaumlssernetz
Nutzungsmodell (zB ATKIS ALKIS CORINE LAND COVER) ggf mit Luftbildaufnahmen zur Verifizierung und Praumlzisierung der Nutzung und zur Ermittlung der Bearbeitungsrichtung bei landwirtschaftlichen Flaumlchen Hydraulisch nicht aktive Gebaumludeflaumlchen muumlssen bdquomarkiertldquo werden damit die Simulation an einer moumlglichst reellen Oberflaumlchengeometrie durchgefuumlhrt werden kann
Bodenkarte
Informationen uumlber die Bodenfeuchte oder Betrachtung der Regenmengen in den letzten 30 Tagen
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6 Arbeitspaket 5 Erarbeitung von Starkregen Gefahrenkarten fuumlr das Land Hessen
Wie im einfuumlhrenden Abschnitt 1 erlaumlutert muumlssen aufgrund der zu kurzen Vorwarnzeiten in kleinen Einzugsgebieten die Flaumlchen- und Bauvorsorge intensiviert werden um Schaumlden durch Starkregen und Sturzfluten mindern zu koumlnnen Die dazu notwendigen Informationen uumlber die in dieser Hinsicht gefaumlhrdeten Flaumlchen und deren Nutzung muumlssen bei der angepassten kommunalen Planung beruumlcksichtigt werden Flaumlchennutzungs- und Bebauungsplaumlne sind auf die topographischen Gegebenheiten und auf die Abflusseigenschaften des Gebietes bei Starkregen abzustimmen
Starkregen Hinweis- oder Starkregen Gefahrenkarten koumlnnen als Ergaumlnzung zu den mittlerweile bundesweit eingefuumlhrten Hochwassergefahrenkarten diese Informationen bereitstellen
Die im Folgenden verwendeten Begriffe
Starkregen-Hinweiskarte
Starkregen-Gefahrenkarten oder Flieszligpfadkarten
sind vorlaumlufige Benennungen Wie auch bei den Hochwassergefahrenkarten muss die LAWA fuumlr eine bundesweit einheitliche Benennung Sorge tragen
Aus der Sicht der Verfasser wird ein zweistufiges Vorgehen empfohlen
1 Identifikation der potentiell gefaumlhrdeten Hangflaumlchen und die Erstellung von Starkregen Hinweiskarten
2 Simulation des Oberflaumlchenabflusses der potentiell gefaumlhrdeten Flaumlchen und Erstellung von Starkregen Gefahrenkarten oder Flieszligpfadkarten
Eine flaumlchendeckende Simulation des Oberflaumlchenabflusses im betrachteten Projektraum sollte aufgrund der dabei entstehenden Projekt- bzw Ingenieurkosten uumlberdacht werden
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Projektskizze Umgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessen (Arbeitstitel) Januar 2015 Seite 28
(Stufe 1) Identifikation der potentiell gefaumlhrdeten Hangflaumlchen und die Erstellung von Starkregen Hinweiskarten
Es wird vorgeschlagen in einem ersten Schritt den betrachteten Projektraum flaumlchendeckend auf potentiell gefaumlhrdete Hangflaumlchen zu untersuchen
Dazu sollen die Gelaumlndeneigung die Bodennutzung sowie die Lage der steilen Hangflaumlchen zu den schadensempfindlichen Flaumlchen (zB Siedlungsgebiete) fachlich miteinander verknuumlpft werden
Beispielsweise lassen sich auf Grundlage der folgenden fachlich begruumlndeten Matrix mit Hilfe der GIS Werkzeuge die potentiell gefaumlhrdeten Hangflaumlchen leicht identifizieren
Gruumlnland Ackerland
Gelaumlndenutzung Gelaumlndeneigung
Be
arb
eitu
ng
que
r zur
Fallr
ich
tun
g
Be
arb
eitu
ng
in
Fallr
ich
tun
g
kleiner 5 nicht
gefaumlhrdet wenig
gefaumlhrdet
5 bis 10 maumlszligig
gefaumlhrdet
10 bis 20 maumlszligig
gefaumlhrdet
groszliger 20 stark
gefaumlhrdet sehr stark gefaumlhrdet
sehr stark gefaumlhrdet
Liegen unterhalb stark oder maumlszligig gefaumlhrdeter Flaumlchen Siedlungsgebiete oder sind in den gefaumlhrdeten Flaumlchen Siedlungsentwicklungen geplant ist eine detaillierte Untersuchung des Oberflaumlchenabflusses erforderlich (Stufe 2)
Die bislang verwendeten Kriterien zur Einschaumltzung den potentiell betroffenen Flaumlchen sollten uumlberpruumlft und weiterentwickelt werden
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Projektskizze Umgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessen (Arbeitstitel) Januar 2015 Seite 29
Beispiel fuumlr eine Starkregen-Hinweiskarte Stadt Nidderau
(Stufe 2) Simulation des Oberflaumlchenabflusses der potentiell gefaumlhrdeten Flaumlchen und Erstellung von Starkregen Gefahrenkarten oder Flieszligpfadkarten
Fuumlr die in Stufe 1 identifizierten gefaumlhrdeten Flaumlchen ist in der zweiten Stufe der Oberflaumlchenabfluss zu simulieren Je nach Groumlszlige des zu betrachtenden Niederschlagseinzugsgebietes oberhalb der gefaumlhrdeten Siedlungsflaumlchen und Infrastrukturen muumlssen aus der Regensammlung (vgl Abschnitt 22) konvektive Ereignisse geeigneter Dauer ausgewaumlhlt werden
Aus der instationaumlren 2D-Simulation erhaumllt man fuumlr definierte Zeitpunkte nach dem Beginn des Niederschlages folgende fuumlr das gewaumlhlte Berechnungsraster raumlumlich aufgeloumlste hydraulisch relevante Grundinformationen
Ist die Flaumlche benetzt (janein)
Wasserstand (bdquoUumlberflutungshoumlheldquo) auf der Flaumlche
Flieszligrichtung und Flieszliggeschwindigkeit auf der Flaumlche
Diese hydraulischen Grundinformationen muumlssen aufbereitet fachlich interpretiert und auf geeignete Weise dargestellt werden
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Projektskizze Umgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessen (Arbeitstitel) Januar 2015 Seite 30
Letztlich geht es darum die Frage zu klaumlren welche Fachinformationen eine Starkregen-Gefahrenkarte beinhalten sollte
Aus der Sicht der Verfasser sollten in den Gefahrenkarten folgende hydraulische Informationen enthalten sein
Abflussrinnen und Flieszligpfade auf den Hangflaumlchen (Vervollstaumlndigung des Gewaumlssernetzes gegen Flieszligrichtung vgl auch Bild Abschnitt 4 Seite 21)
Starkregen-Gefahrenkarte mit Flieszligpfaden und Flieszligrichtung aus BWK [1]
Wassertiefenentwicklung entlang der Flieszligpfade
Flieszliggeschwindigkeiten entlang der Flieszligpfade
Diese Fachinformationen sollten zusammen mit einem fuumlr den Nutzer geeigneten Kartenhintergrund (Luftbildaufnahmen ALK topographische Karte etc) visualisiert werden
Im Rahmen der Bearbeitung der vorgeschlagenen Pilot-Einzugsgebiete (siehe Abschnitt 7) sind geeignete Inhalte und Darstellungsmoumlglichkeiten fuumlr Starkregen-Gefahrenkarten zu entwickeln
Wie auch bei den Hochwassergefahrenkarten sollte die LAWA fuumlr bundesweit einheitliche Standards der Starkregen-Gefahrenkarten Sorge tragen
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Projektskizze Umgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessen (Arbeitstitel) Januar 2015 Seite 31
7 Arbeitspaket 6 Modell- Pilotprojekt bdquoUmgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessenldquo
In einem letzten Arbeitsabschnitt sollen anhand ausgesuchter Einzugsgebiete mit Hilfe des in Abschnitt 6 vorgeschlagenen Vorgehens Starkregen-Hinweiskarten und Starkregen-Gefahrenkarten erstellt werden
Die Verwendung von Niederschlagsdaten aus Radarbeobachtungen (vgl Abschnitt 1) und der Einsatz des verbesserten Simulationsmodells (vgl Abschnitte 3 und 4) werden gegenuumlber der heutigen Praxis bessere fachliche Informationen zur Bewaumlltigung von Starkregen-Gefahrenlagen bereitstellen koumlnnen
Folgende Pilot-Einzugsgebiete in hessischen Rheingau werden zur Auswahl gestellt
Walluf (AE=281 kmsup2) Die Walluf besitzt einen Pegel (Martinsthal AE=245 kmsup2 36 km oberhalb der Muumlndung) im Einzugsgebiet An der Hochschule RheinMain steht ein Niederschlags-Abfluss Modell der Walluf zur Verfuumlgung
Erbbach Kisselbach (AE= 106 kmsup2)
Pfingstbach (AE= 84 kmsup2)
Stegbach Blaubach (AE= 127 kmsup2)
Der Hochwasserrisikomanagementplan Rheingau steht zurzeit in der oumlffentlichen Abstimmung und wird im Laufe 2015 fertig gestellt werden Nach Aussage von Frau Tremper des Regierungspraumlsidiums Darmstadt Abteilung IVWi 412 waumlre eine Ergaumlnzung des HWRM-PL Rheingau durch Starkregen-Hinweis- und -Gefahrenkarten der Rheingaubaumlche hilfreich Diese wuumlrden die im HWRM-PL Rheingau betrachteten Rhein-Hochwasserszenarien ergaumlnzen
Arbeitsziel unterstuumltzt durch Studienarbeiten Erstellung von Niederschlags- Abfluss Modellen fuumlr die Rheingaubaumlche Erbach Kisselbach Pfingstbach Stegbach Blaubach
Bei der Erstellung der Starkregen-Hinweiskarten und Starkregen-Gefahrenkarten fuumlr die Pilot-Einzugsgebiete sollen die in Abschnitt 6 weiterentwickelten Ansaumltze erprobt und die Karteninhalte mit den spaumlteren Nutzern diskutiert werden Dabei sollen insbesondere die Kartendarstellung und deren Inhalte den jeweiligen fachlichen Beduumlrfnissen entsprechen
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8 Literatur und Quellen
[1] Bund der Ingenieure fuumlr Wasserwirtschaft Abfallwirtschaft und Kulturbau (BWK) eV (Hrsg)(2013) Starkregen und urbane Sturzfluten Praxisleitfaden zur Uumlberflutungsvorsorge BWK-Fachinformation Ausgabe Juli 2013 Band 12013 Sindelfingen
[2] BUREK P THIELEN-DEL POZO J THIEMIG V SALAMON P DE ROO A (2011) Das Europaumlische Hochwasserfruumlhwarnsystem (EFAS) In DWA (Hrsg) Fachbeitraumlge Korrespondenz Wasserwirtschaft Ispra (Italien)
[3] Deutsche Bundesstiftung Umwelt (Hrsg)(2002) Innovativer Ansatz eines vorbeugenden Hochwasserschutzes durch dezentrale Maszlignahmen im Bereich der Siedlungswasserwirtschaft sowie der Landwirtschaft im Einzugsgebiet der Lausitzer Neiszlige Endbericht Universitaumlt Hannover
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[5] Deutscher Wetterdienst (DWD) Abteilung Hydrometeorologie (Hrsg)(2011) RADOLANRADVOR-OP Beschreibung des Kompositformats Version 222
[6] Deutscher Wetterdienst (DWD) (Hrsg)(2008) Radarniederschlag-Prinzip der Niederschlagsbestimmung mit Radar inklusive Umrechnung der Radarreflektivitaumlten in Momentanwerte des Niederschlages Version 10
[7] Deutscher Wetterdienst (DWD) Abteilung Hydrometeorologie (Hrsg)(2005) Projekt RADVOR-OP
[8] Deutscher Wetterdienst (DWD) Abteilung Hydrometeorologie (Hrsg)(2012) Projekt RADVOR-OP
[9] DWA Regelwerk Arbeitsblatt DWA-A 531(2012) Starkregen in Abhaumlngigkeit von Wiederkehrintervall und Dauer
[10] DWA Regelwerk Arbeitsblatt DWA-A 118 (2006) Hydraulische Bemessung und Nachweis von Entwaumlsserungssystemen
[11] DWA Regelwerk Merkblatt DWA-M 153 (2007) Handlungsempfehlungen zum Umgang mit Regenwasser
[12] DWA Kommentar zum DWA Regelwerk (2008) Planung Bau und Betrieb von Anlagen zur Versickerung von Niederschlagswasser
[13] DWA Themen (2010) Abfluumlsse aus extremen Niederschlaumlgen Ergebnisse einer Bestandsaufnahme Hochwasserereignisse und Modellansaumltze zu ihrer Abbildung
FB Architektur und Bauingenieurwesen Wasserbaulaboratorium
Projektskizze Umgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessen (Arbeitstitel) Januar 2015 Seite 33
[14] DWA-Arbeitsgruppe ES-26 (2008) Abfluumlsse aus Auszligengebieten der Kanalisation Arbeitsbericht
[15] EHRET U (2003) Rainfall and flood nowcasting in small catchments using weather radar In Universitaumlt Stuttgart Institut fuumlr Wasserbau (Hrsg) Mitteilungen - Institut fuumlr Wasserbau Universitaumlt Stuttgart 121
[16] FUumlRST J (2004) GIS in Hydrologie und Wasserwirtschaft Herbert Wichmann Verlag
[17] GONSOWSKI P (1987) Der Einfluss der Bodenluftkompression auf die vertikale Infiltration von Wasser in Sanden Wasserbaumitteilungen Heft 28 Institut fuumlr Wasserbau TH Darmstadt
[18] HATZFELD F (2010) Sturzfluten in urbanen Gebieten Vorsorge ist moumlglich In DWA (Hrsg) Fachbeitraumlge Korrespondenz Wasserwirtschaft Aachen
[19] HOCHSCHILD J (2008) Hydrologische Charakterisierung des alpinen Einzugsgebietes der Dornbirner Ache Diplomarbeit Institut fuumlr Hydrologie Universitaumlt Freiburg i Br
[20] HOFFMANN P (2009) Modifikation von Starkniederschlaumlgen durch urbane Gebiete Diplomarbeit Meteorologisches Institut Department Geowissenschaften Universitaumlt Hamburg
[21] Hydrotec Ingenieurgesellschaft fuumlr Wasser und Umwelt mbH Fachhochschule Aachen DWD (2008) Vorhersage und Management von Sturzfluten in urbanen Gebieten (URBAS) In Bundesministerium fuumlr Bildung und Forschung (Hrsg) Foumlrderprogramm des BMBF Aachen
[22] Hydrotec Ingenieurgesellschaft fuumlr Wasser und Umwelt mbH Fachhochschule Aachen DWD (2008) Ergebnisse des Forschungsvorhabens In Bundesministerium fuumlr Bildung und Forschung (Hrsg) Foumlrderprogramm des BMBF Aachen
[23] IHK Rhein-Neckar (2011) Starkregen ndash Auswirkungen und Anpassungsstrategien 8Hochwasserschutzforum in der Metropolregion Rhein-Neckar In Schriftenreihe des Verbandes Region Rhein-Neckar Heft 9
[24] KEIL C (2000) Numerische Simulation von Starkniederschlagsereignissen mit mesoskaligen Wettervorhersagemodellen Dissertation Institut fuumlr Physik und Atmosphaumlre Universitaumlt Muumlnchen
[25] KIPFER A KIENHOLZ C LIENER S (2012) Ein neuer Ansatz zur Modellierung von Oberflaumlchenabfluss 12 Kongress INTERPRAEVENT GrenobleFrankreich
[26] Kommission Reinhaltung der Luft im VDI und DIN-Normenausschuss KRdL (2014) Wetterradar-Anwendungen fuumlr die Wasserwirtschaft In VDI-Expertenforum Offenbach
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[27] KORNDOumlRFER C SEIFERT J KROLL H FUHRMANN L (2000) Hydrologie und Wasserbewirtschaftung Ziele und Planungsgrundlagen einer naturnahen Regenwasserbewirtschaftung in Dresden In DWA (Hrsg) KA AbwasserAbfall Dresden
[28] KRAumlMER S VERWORN H-R TREIS A PFISTER A BECKER M (2009) Korrektur von C-Band-Radardaten fuumlr die Niederschlags-Abfluss-Modellierung Grundlagen Algorithmen und Verifikation In DWA (Hrsg) Fachbeitraumlge Korrespondenz Wasserwirtschaft Essen Hannover
[29] LANG P (2003) CONRAD In DWD (Hrsg)
[30] LEMPERT M (2000) Ein GIS gekoppeltes rasterbasiertes Modell zur Berechnung des Wasserhaushaltes kleiner Einzugsgebiete In Wasserbaumitteilungen Heft 110 Institut fuumlr Wasserbau und Wasserwirtschaft TU Darmstadt
[31] MARX A (2006) Einsatz gekoppelter Modelle und Wetterradar zur Abschaumltzung von Niederschlagsintensitaumlten und zur Abflussvorhersage In Universitaumlt Stuttgart Institut fuumlr Wasserbau (Hrsg) Mitteilungen - Institut fuumlr Wasserbau Universitaumlt Stuttgart 160
[32] Ministerium fuumlr Umwelt und Forsten Rheinland Pfalz (2000) Naturnaher Umgang mit Niederschlagswasser Konzeption und ausgefuumlhrte Beispiele Mainz
[33] PEUszligNER J (2013) Untersuchung der Nutzbarkeit von zeitlich hoch aufgeloumlsten Radardaten des Niederschlags zur verbesserten Simulation des Bodenabtrags durch Wasser Masterarbeit Institut fuumlr Physische Geographie und Landschaftsoumlkologie Universitaumlt Hannover
[34] PFAFF T (2012) Processing and Analysis of Weather Radar Data for Use in Hydrologie In Universitaumlt Stuttgart Institut fuumlr Wasser- und Umweltsystemmodellierung (Hrsg) Mitteilungen - Institut fuumlr Wasser- und Umweltsystemmodellierung Universitaumlt Stuttgart 216
[35] PLATE E J ZEHE E (Hrsg)(2008) Hydrologie und Stoffdynamik kleiner Einzugsgebiete Prozesse und Modelle Verlagsbuchhandlung Schweizerbart
[36] SCHATZL R (2001) Skalenabhaumlngiger Vergleich zwischen Wetterradardaten und Niederschlagsmessungen In TU Graz (Hrsg) Schriftenreihe zur Wasserwirtschaft Technische Universitaumlt Graz 39
[37] SCHAumlDEL W (2006) Schritte zur Verbesserung einer Hochwasserfruumlhwarnung mittels Online-Bodenfeuchtemessungen Dissertation Universitaumlt Karlsruhe (TH)
[38] SCHMALZL K (2014) Sturzfluten hydrodynamisch numerisch mit HYDRO-AS-2D berechnen Wasserwirtschaftsamt Rosenheim
[39] Stadt Graz (2013) Flieszligpfadkarte Graz
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[40] THUNIG S (2004) Berechnung der Hochwasserscheitelminderung der Windach am Auslass des Windachspeichers durch den Bau zweier geplanter Retentionsbecken Diplomarbeit Institut fuumlr Wasserwesen Universitaumlt der Bundeswehr Muumlnchen
[41] Verein Deutscher Ingenieure (2014) Umweltmeteorologie Bodengebundene Fernmessung des Niederschlags Wetterradar In VDI-Richtlinien
[42] WETZEL M (2005) Modellierung der Hangwasserdynamik eines Untersuchungsgebietes im Nationalpark Hainich mit dem Modell HYDRUS-2D Diplomarbeit Universitaumlt Jena
[43] WINTERRATH T Dr WEIGL E (2012) RADOLAN RADVOR-OP und die RADOLAN-Klimatologie Status und Plaumlne In DWD (Hrsg) DWD-Kundenforum Hydrometeorologie Offenbach
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9 Allgemeine Informationen Zeitplan und Ressourcen
91 Allgemeine Informationen
Antragsteller Prof Dr-Ing Ernesto Ruiz Rodriguez Wasserbaulaboratorium am Fachbereich Architektur und Bauingenieurwesen Hochschule RheinMain Kurt-Schumacher-Ring 18 65197 Wiesbaden
Projektbearbeiter Arbeitsgruppe bdquoStarkregen und Sturzflutenldquo am Wasserbaulaboratorium Prof Dr-Ing Ernesto Ruiz Rodriguez (Projektleitung) BEng Lisa Trost (Projektbearbeitung) Frank Salffner (Vermessungstechniker Laborant am Wasserbaulaboratorium und in der EDV- Arbeitsgruppe des Fachbereichs) Die Arbeitsziele werden durch Studienarbeiten des Master- Studienganges bdquoUmweltmanagement und Stadtplanung in Ballungsraumlumenldquo (UMSB) unterstuumltzt
Partnerschaften Kooperationspartner Prof Dr Ralf Doumlrner Hochschule RheinMain
FG Graphische Datenverarbeitung und Virtuelle Realitaumlt Prof Dr Robert Seuszlig Fachhochschule Frankfurt FG Geoinformation und Kommunaltechnik Berufsfeuerwehr Wiesbaden Dr Andreacute Assmann Fa Geomer Heidelberg
gewuumlnschte Zusammenarbeit Deutscher Wetterdienst Abt Hydrometeorologie Projektdauer 4 Jahre (vgl 92 Zeitplan) Eigenmittel Projektleitung durch Prof Dr E Ruiz Rodriguez
Nutzung der Einrichtungen des Wasserbaulaboratoriums der Hochschule RheinMain Unterstuumltzung bei Laborarbeiten und EDV Infrastruktur durch Frank Salffner
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92 Zeitplan
1
Jah
r
2
Jah
r
3
Jah
r
4
Jah
r Bemerkung
Arbeitspaket 1 Verwendung von Radardaten zur Simulation von Starkregen Sturzfluten fuumlr kleine Einzugsgebiete
Beginn der Arbeiten
Klaumlrung der Verfuumlgbarkeit von Radarniederschlagsdaten (fuumlr Modellierer Ingenieurbuumlros)
Aufwand zur Nutzung und Aufbereitung von Radarniederschlagsdaten fuumlr Modellierer Ingenieurbuumlros Erstellung eines Werkzeugs zur Visualisierung der archivierten und aktuellen Radarniederschlagsdaten Erstellung eines Werkzeugs zur Transformation und Projektion der DWD-RADOLAN-RW und RY-Komposit-Radarniederschlagsdaten in Gauszlig-Kruumlger undoder UTM-Projektion Erstellung eines GIS Werkzeugs zur Aufbereitung der DWD-RADOLAN-Komposit-Raster zur Simulation von Starkregen in kleinen Einzugsgebieten
1 Berichterstattung Arbeitspaket 1 (Teil 1)
Auswertung der RADOLAN Radarniederschlagsdaten des DWD
Praxisseminar Kolloquium bdquoVerwendung von Radardaten zur Simulation von Starkregen Sturzfluten in Hessenldquo
Arbeitspaket 2 Uumlberpruumlfung und Anpassung von Modellansaumltze zur Ermittlung des abflusswirksamen Niederschlages bei Starkregen
Uumlberpruumlfung und Anpassung der Modellansaumltze zur Ermittlung des abflusswirksamen Niederschlages bei Starkniederschlaumlgen unter besonderer Beruumlcksichtigung von Bodenfeuchte und Bodenluftkompressionseffekten
Arbeitspaket 3 Uumlberpruumlfung und Anpassung der hydraulischen Ansaumltze zur Berechnung des Oberflaumlchenabflusses bei Starkregen Sturzfluten an steilen Haumlngen
Bau der Versuchsrinne am Wasserbaulaboratorium Durchfuumlhrung und Auswertung der Versuche Uumlberpruumlfung und Anpassung der hydraulischen Ansaumltze zur Berechnung des Oberflaumlchenabflusses
2 Berichterstattung Arbeitspaket 2 und Arbeitspaket 3 (Teil1)
Arbeitspaket 4 Instationaumlre 2ndashdimensionale Modellierung des Oberflaumlchenabflusses bei Starkniederschlaumlgen
Anpassen des 2-dimensionallen Modelles auf instationaumlre Niederschlagsfronten Schnittstelle zu DWD RADOLAN Komposite Einarbeiten der verbesserten Ansaumltze zu Berechnung des abflusswirksamen Niederschlages bei Starkniederschlaumlgen Einarbeiten der verbesserten hydraulischen Ansaumltze
wird fortgesetzt
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1
Jah
r
2
Jah
r
3
Jah
r
4
Jah
r Bemerkung
Arbeitspaket 5 Erarbeitung von Starkregen Gefahrenkarten fuumlr das Land Hessen
Uumlberpruumlfen und Anpassung von fachlichen Kriterien fuumlr die Erstellung von Starkregen-Karten Definition der Inhalte von Starkregen-Hinweiskarten Definition der Inhalte von Starkregen- Gefahrenkarten
3 Berichterstattung Arbeitspaket 3 (Teil 2) Arbeitspaket 4 und Arbeitspaket 5 (Teil1)
Arbeitspaket 6 Modell- Pilotprojekt bdquoUmgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessenldquo
Erarbeitung von Starkregen-Hinweiskarten fuumlr die ausgewaumlhlten Pilot-Einzugsgebiete Erarbeitung von Starkregen-Gefahrenkarten fuumlr die ausgewaumlhlten Pilot-Einzugsgebiete Uumlberpruumlfen der fachlichen Kriterien und Ansaumltze (Arbeitspaket 5) fuumlr die Erstellung von Starkregen-Karten Diskussion uumlber die Starkregen-Karteninhalte und Starkregen-Kartendarstellung mit den Nutzern
4 Berichterstattung Arbeitspaket 5 (Teil 2) und Arbeitspaket 6 (Abschlussbericht)
93 Beantragte Mittel
Zur Durchfuumlhrung und Erreichung der im Antrag beschriebenen Arbeitsziele werden fuumlr das
1 Projektjahr 35000 Euro
2 Projektjahr 35000 Euro
3 Projektjahr 35000 Euro
4 Projektjahr 35000 Euro
beantragt
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1160 cm
280 cm
260 cm
1000 cm
1080 cm
6300 cm280 cm
3000 cm3000 cm
3000 cm 3000 cm
1000 cm624 cm
1500deg
Kipprinne zur Simulation des Oberflaumlchenabflusses an steilen HaumlngenLaumlnge= 630 mBreite= 10 mHoumlhe= 026 mmax Neigungswinkel 45deg
variableBeregnungslaumlnge
Maszligstab 120
1000 cm
260 cm
Sohlsubstrat zur Aufnahmevon kuumlnstlichen Bewuchsstrukturen
Beregnungsanlage mit schwenkbaren Duumlsen zurvertikalen Regensimulation
Wasserkoumlrper desOberflaumlchenabflusses
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1830 cm
2625 cm
Drehpunkt
1330 cm
6300 cm
280 cm
1500deg
Maszligstab 120
Kipprinne zur Simulation des Oberflaumlchenabflusses an steilen HaumlngenLaumlnge= 630 mBreite= 10 mHoumlhe= 026 mmax Neigungswinkel 45deg
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Diese Kleinstrukturen werden allerdings durch das digitale Gelaumlndemodell nicht immer vollstaumlndig abgebildet Ggf muumlssen die Kleinstrukturen nachdigitalisiert werden um das digitale Gelaumlndemodell bdquohydraulischldquo zu vervollstaumlndigen
Gewaumlssernetz
Nutzungsmodell (zB ATKIS ALKIS CORINE LAND COVER) ggf mit Luftbildaufnahmen zur Verifizierung und Praumlzisierung der Nutzung und zur Ermittlung der Bearbeitungsrichtung bei landwirtschaftlichen Flaumlchen Hydraulisch nicht aktive Gebaumludeflaumlchen muumlssen bdquomarkiertldquo werden damit die Simulation an einer moumlglichst reellen Oberflaumlchengeometrie durchgefuumlhrt werden kann
Bodenkarte
Informationen uumlber die Bodenfeuchte oder Betrachtung der Regenmengen in den letzten 30 Tagen
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6 Arbeitspaket 5 Erarbeitung von Starkregen Gefahrenkarten fuumlr das Land Hessen
Wie im einfuumlhrenden Abschnitt 1 erlaumlutert muumlssen aufgrund der zu kurzen Vorwarnzeiten in kleinen Einzugsgebieten die Flaumlchen- und Bauvorsorge intensiviert werden um Schaumlden durch Starkregen und Sturzfluten mindern zu koumlnnen Die dazu notwendigen Informationen uumlber die in dieser Hinsicht gefaumlhrdeten Flaumlchen und deren Nutzung muumlssen bei der angepassten kommunalen Planung beruumlcksichtigt werden Flaumlchennutzungs- und Bebauungsplaumlne sind auf die topographischen Gegebenheiten und auf die Abflusseigenschaften des Gebietes bei Starkregen abzustimmen
Starkregen Hinweis- oder Starkregen Gefahrenkarten koumlnnen als Ergaumlnzung zu den mittlerweile bundesweit eingefuumlhrten Hochwassergefahrenkarten diese Informationen bereitstellen
Die im Folgenden verwendeten Begriffe
Starkregen-Hinweiskarte
Starkregen-Gefahrenkarten oder Flieszligpfadkarten
sind vorlaumlufige Benennungen Wie auch bei den Hochwassergefahrenkarten muss die LAWA fuumlr eine bundesweit einheitliche Benennung Sorge tragen
Aus der Sicht der Verfasser wird ein zweistufiges Vorgehen empfohlen
1 Identifikation der potentiell gefaumlhrdeten Hangflaumlchen und die Erstellung von Starkregen Hinweiskarten
2 Simulation des Oberflaumlchenabflusses der potentiell gefaumlhrdeten Flaumlchen und Erstellung von Starkregen Gefahrenkarten oder Flieszligpfadkarten
Eine flaumlchendeckende Simulation des Oberflaumlchenabflusses im betrachteten Projektraum sollte aufgrund der dabei entstehenden Projekt- bzw Ingenieurkosten uumlberdacht werden
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(Stufe 1) Identifikation der potentiell gefaumlhrdeten Hangflaumlchen und die Erstellung von Starkregen Hinweiskarten
Es wird vorgeschlagen in einem ersten Schritt den betrachteten Projektraum flaumlchendeckend auf potentiell gefaumlhrdete Hangflaumlchen zu untersuchen
Dazu sollen die Gelaumlndeneigung die Bodennutzung sowie die Lage der steilen Hangflaumlchen zu den schadensempfindlichen Flaumlchen (zB Siedlungsgebiete) fachlich miteinander verknuumlpft werden
Beispielsweise lassen sich auf Grundlage der folgenden fachlich begruumlndeten Matrix mit Hilfe der GIS Werkzeuge die potentiell gefaumlhrdeten Hangflaumlchen leicht identifizieren
Gruumlnland Ackerland
Gelaumlndenutzung Gelaumlndeneigung
Be
arb
eitu
ng
que
r zur
Fallr
ich
tun
g
Be
arb
eitu
ng
in
Fallr
ich
tun
g
kleiner 5 nicht
gefaumlhrdet wenig
gefaumlhrdet
5 bis 10 maumlszligig
gefaumlhrdet
10 bis 20 maumlszligig
gefaumlhrdet
groszliger 20 stark
gefaumlhrdet sehr stark gefaumlhrdet
sehr stark gefaumlhrdet
Liegen unterhalb stark oder maumlszligig gefaumlhrdeter Flaumlchen Siedlungsgebiete oder sind in den gefaumlhrdeten Flaumlchen Siedlungsentwicklungen geplant ist eine detaillierte Untersuchung des Oberflaumlchenabflusses erforderlich (Stufe 2)
Die bislang verwendeten Kriterien zur Einschaumltzung den potentiell betroffenen Flaumlchen sollten uumlberpruumlft und weiterentwickelt werden
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Beispiel fuumlr eine Starkregen-Hinweiskarte Stadt Nidderau
(Stufe 2) Simulation des Oberflaumlchenabflusses der potentiell gefaumlhrdeten Flaumlchen und Erstellung von Starkregen Gefahrenkarten oder Flieszligpfadkarten
Fuumlr die in Stufe 1 identifizierten gefaumlhrdeten Flaumlchen ist in der zweiten Stufe der Oberflaumlchenabfluss zu simulieren Je nach Groumlszlige des zu betrachtenden Niederschlagseinzugsgebietes oberhalb der gefaumlhrdeten Siedlungsflaumlchen und Infrastrukturen muumlssen aus der Regensammlung (vgl Abschnitt 22) konvektive Ereignisse geeigneter Dauer ausgewaumlhlt werden
Aus der instationaumlren 2D-Simulation erhaumllt man fuumlr definierte Zeitpunkte nach dem Beginn des Niederschlages folgende fuumlr das gewaumlhlte Berechnungsraster raumlumlich aufgeloumlste hydraulisch relevante Grundinformationen
Ist die Flaumlche benetzt (janein)
Wasserstand (bdquoUumlberflutungshoumlheldquo) auf der Flaumlche
Flieszligrichtung und Flieszliggeschwindigkeit auf der Flaumlche
Diese hydraulischen Grundinformationen muumlssen aufbereitet fachlich interpretiert und auf geeignete Weise dargestellt werden
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Letztlich geht es darum die Frage zu klaumlren welche Fachinformationen eine Starkregen-Gefahrenkarte beinhalten sollte
Aus der Sicht der Verfasser sollten in den Gefahrenkarten folgende hydraulische Informationen enthalten sein
Abflussrinnen und Flieszligpfade auf den Hangflaumlchen (Vervollstaumlndigung des Gewaumlssernetzes gegen Flieszligrichtung vgl auch Bild Abschnitt 4 Seite 21)
Starkregen-Gefahrenkarte mit Flieszligpfaden und Flieszligrichtung aus BWK [1]
Wassertiefenentwicklung entlang der Flieszligpfade
Flieszliggeschwindigkeiten entlang der Flieszligpfade
Diese Fachinformationen sollten zusammen mit einem fuumlr den Nutzer geeigneten Kartenhintergrund (Luftbildaufnahmen ALK topographische Karte etc) visualisiert werden
Im Rahmen der Bearbeitung der vorgeschlagenen Pilot-Einzugsgebiete (siehe Abschnitt 7) sind geeignete Inhalte und Darstellungsmoumlglichkeiten fuumlr Starkregen-Gefahrenkarten zu entwickeln
Wie auch bei den Hochwassergefahrenkarten sollte die LAWA fuumlr bundesweit einheitliche Standards der Starkregen-Gefahrenkarten Sorge tragen
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7 Arbeitspaket 6 Modell- Pilotprojekt bdquoUmgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessenldquo
In einem letzten Arbeitsabschnitt sollen anhand ausgesuchter Einzugsgebiete mit Hilfe des in Abschnitt 6 vorgeschlagenen Vorgehens Starkregen-Hinweiskarten und Starkregen-Gefahrenkarten erstellt werden
Die Verwendung von Niederschlagsdaten aus Radarbeobachtungen (vgl Abschnitt 1) und der Einsatz des verbesserten Simulationsmodells (vgl Abschnitte 3 und 4) werden gegenuumlber der heutigen Praxis bessere fachliche Informationen zur Bewaumlltigung von Starkregen-Gefahrenlagen bereitstellen koumlnnen
Folgende Pilot-Einzugsgebiete in hessischen Rheingau werden zur Auswahl gestellt
Walluf (AE=281 kmsup2) Die Walluf besitzt einen Pegel (Martinsthal AE=245 kmsup2 36 km oberhalb der Muumlndung) im Einzugsgebiet An der Hochschule RheinMain steht ein Niederschlags-Abfluss Modell der Walluf zur Verfuumlgung
Erbbach Kisselbach (AE= 106 kmsup2)
Pfingstbach (AE= 84 kmsup2)
Stegbach Blaubach (AE= 127 kmsup2)
Der Hochwasserrisikomanagementplan Rheingau steht zurzeit in der oumlffentlichen Abstimmung und wird im Laufe 2015 fertig gestellt werden Nach Aussage von Frau Tremper des Regierungspraumlsidiums Darmstadt Abteilung IVWi 412 waumlre eine Ergaumlnzung des HWRM-PL Rheingau durch Starkregen-Hinweis- und -Gefahrenkarten der Rheingaubaumlche hilfreich Diese wuumlrden die im HWRM-PL Rheingau betrachteten Rhein-Hochwasserszenarien ergaumlnzen
Arbeitsziel unterstuumltzt durch Studienarbeiten Erstellung von Niederschlags- Abfluss Modellen fuumlr die Rheingaubaumlche Erbach Kisselbach Pfingstbach Stegbach Blaubach
Bei der Erstellung der Starkregen-Hinweiskarten und Starkregen-Gefahrenkarten fuumlr die Pilot-Einzugsgebiete sollen die in Abschnitt 6 weiterentwickelten Ansaumltze erprobt und die Karteninhalte mit den spaumlteren Nutzern diskutiert werden Dabei sollen insbesondere die Kartendarstellung und deren Inhalte den jeweiligen fachlichen Beduumlrfnissen entsprechen
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8 Literatur und Quellen
[1] Bund der Ingenieure fuumlr Wasserwirtschaft Abfallwirtschaft und Kulturbau (BWK) eV (Hrsg)(2013) Starkregen und urbane Sturzfluten Praxisleitfaden zur Uumlberflutungsvorsorge BWK-Fachinformation Ausgabe Juli 2013 Band 12013 Sindelfingen
[2] BUREK P THIELEN-DEL POZO J THIEMIG V SALAMON P DE ROO A (2011) Das Europaumlische Hochwasserfruumlhwarnsystem (EFAS) In DWA (Hrsg) Fachbeitraumlge Korrespondenz Wasserwirtschaft Ispra (Italien)
[3] Deutsche Bundesstiftung Umwelt (Hrsg)(2002) Innovativer Ansatz eines vorbeugenden Hochwasserschutzes durch dezentrale Maszlignahmen im Bereich der Siedlungswasserwirtschaft sowie der Landwirtschaft im Einzugsgebiet der Lausitzer Neiszlige Endbericht Universitaumlt Hannover
[4] Deutscher Wetterdienst (DWD) Abteilung Hydrometeorologie (Hrsg)(2004) Projekt RADOLAN Routineverfahren zur Online-Aneichung der Radarniederschlagsdaten mit Hilfe von automatisierten Bodenniederschlagsstationen (Ombrometer)
[5] Deutscher Wetterdienst (DWD) Abteilung Hydrometeorologie (Hrsg)(2011) RADOLANRADVOR-OP Beschreibung des Kompositformats Version 222
[6] Deutscher Wetterdienst (DWD) (Hrsg)(2008) Radarniederschlag-Prinzip der Niederschlagsbestimmung mit Radar inklusive Umrechnung der Radarreflektivitaumlten in Momentanwerte des Niederschlages Version 10
[7] Deutscher Wetterdienst (DWD) Abteilung Hydrometeorologie (Hrsg)(2005) Projekt RADVOR-OP
[8] Deutscher Wetterdienst (DWD) Abteilung Hydrometeorologie (Hrsg)(2012) Projekt RADVOR-OP
[9] DWA Regelwerk Arbeitsblatt DWA-A 531(2012) Starkregen in Abhaumlngigkeit von Wiederkehrintervall und Dauer
[10] DWA Regelwerk Arbeitsblatt DWA-A 118 (2006) Hydraulische Bemessung und Nachweis von Entwaumlsserungssystemen
[11] DWA Regelwerk Merkblatt DWA-M 153 (2007) Handlungsempfehlungen zum Umgang mit Regenwasser
[12] DWA Kommentar zum DWA Regelwerk (2008) Planung Bau und Betrieb von Anlagen zur Versickerung von Niederschlagswasser
[13] DWA Themen (2010) Abfluumlsse aus extremen Niederschlaumlgen Ergebnisse einer Bestandsaufnahme Hochwasserereignisse und Modellansaumltze zu ihrer Abbildung
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[14] DWA-Arbeitsgruppe ES-26 (2008) Abfluumlsse aus Auszligengebieten der Kanalisation Arbeitsbericht
[15] EHRET U (2003) Rainfall and flood nowcasting in small catchments using weather radar In Universitaumlt Stuttgart Institut fuumlr Wasserbau (Hrsg) Mitteilungen - Institut fuumlr Wasserbau Universitaumlt Stuttgart 121
[16] FUumlRST J (2004) GIS in Hydrologie und Wasserwirtschaft Herbert Wichmann Verlag
[17] GONSOWSKI P (1987) Der Einfluss der Bodenluftkompression auf die vertikale Infiltration von Wasser in Sanden Wasserbaumitteilungen Heft 28 Institut fuumlr Wasserbau TH Darmstadt
[18] HATZFELD F (2010) Sturzfluten in urbanen Gebieten Vorsorge ist moumlglich In DWA (Hrsg) Fachbeitraumlge Korrespondenz Wasserwirtschaft Aachen
[19] HOCHSCHILD J (2008) Hydrologische Charakterisierung des alpinen Einzugsgebietes der Dornbirner Ache Diplomarbeit Institut fuumlr Hydrologie Universitaumlt Freiburg i Br
[20] HOFFMANN P (2009) Modifikation von Starkniederschlaumlgen durch urbane Gebiete Diplomarbeit Meteorologisches Institut Department Geowissenschaften Universitaumlt Hamburg
[21] Hydrotec Ingenieurgesellschaft fuumlr Wasser und Umwelt mbH Fachhochschule Aachen DWD (2008) Vorhersage und Management von Sturzfluten in urbanen Gebieten (URBAS) In Bundesministerium fuumlr Bildung und Forschung (Hrsg) Foumlrderprogramm des BMBF Aachen
[22] Hydrotec Ingenieurgesellschaft fuumlr Wasser und Umwelt mbH Fachhochschule Aachen DWD (2008) Ergebnisse des Forschungsvorhabens In Bundesministerium fuumlr Bildung und Forschung (Hrsg) Foumlrderprogramm des BMBF Aachen
[23] IHK Rhein-Neckar (2011) Starkregen ndash Auswirkungen und Anpassungsstrategien 8Hochwasserschutzforum in der Metropolregion Rhein-Neckar In Schriftenreihe des Verbandes Region Rhein-Neckar Heft 9
[24] KEIL C (2000) Numerische Simulation von Starkniederschlagsereignissen mit mesoskaligen Wettervorhersagemodellen Dissertation Institut fuumlr Physik und Atmosphaumlre Universitaumlt Muumlnchen
[25] KIPFER A KIENHOLZ C LIENER S (2012) Ein neuer Ansatz zur Modellierung von Oberflaumlchenabfluss 12 Kongress INTERPRAEVENT GrenobleFrankreich
[26] Kommission Reinhaltung der Luft im VDI und DIN-Normenausschuss KRdL (2014) Wetterradar-Anwendungen fuumlr die Wasserwirtschaft In VDI-Expertenforum Offenbach
FB Architektur und Bauingenieurwesen Wasserbaulaboratorium
Projektskizze Umgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessen (Arbeitstitel) Januar 2015 Seite 34
[27] KORNDOumlRFER C SEIFERT J KROLL H FUHRMANN L (2000) Hydrologie und Wasserbewirtschaftung Ziele und Planungsgrundlagen einer naturnahen Regenwasserbewirtschaftung in Dresden In DWA (Hrsg) KA AbwasserAbfall Dresden
[28] KRAumlMER S VERWORN H-R TREIS A PFISTER A BECKER M (2009) Korrektur von C-Band-Radardaten fuumlr die Niederschlags-Abfluss-Modellierung Grundlagen Algorithmen und Verifikation In DWA (Hrsg) Fachbeitraumlge Korrespondenz Wasserwirtschaft Essen Hannover
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[34] PFAFF T (2012) Processing and Analysis of Weather Radar Data for Use in Hydrologie In Universitaumlt Stuttgart Institut fuumlr Wasser- und Umweltsystemmodellierung (Hrsg) Mitteilungen - Institut fuumlr Wasser- und Umweltsystemmodellierung Universitaumlt Stuttgart 216
[35] PLATE E J ZEHE E (Hrsg)(2008) Hydrologie und Stoffdynamik kleiner Einzugsgebiete Prozesse und Modelle Verlagsbuchhandlung Schweizerbart
[36] SCHATZL R (2001) Skalenabhaumlngiger Vergleich zwischen Wetterradardaten und Niederschlagsmessungen In TU Graz (Hrsg) Schriftenreihe zur Wasserwirtschaft Technische Universitaumlt Graz 39
[37] SCHAumlDEL W (2006) Schritte zur Verbesserung einer Hochwasserfruumlhwarnung mittels Online-Bodenfeuchtemessungen Dissertation Universitaumlt Karlsruhe (TH)
[38] SCHMALZL K (2014) Sturzfluten hydrodynamisch numerisch mit HYDRO-AS-2D berechnen Wasserwirtschaftsamt Rosenheim
[39] Stadt Graz (2013) Flieszligpfadkarte Graz
FB Architektur und Bauingenieurwesen Wasserbaulaboratorium
Projektskizze Umgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessen (Arbeitstitel) Januar 2015 Seite 35
[40] THUNIG S (2004) Berechnung der Hochwasserscheitelminderung der Windach am Auslass des Windachspeichers durch den Bau zweier geplanter Retentionsbecken Diplomarbeit Institut fuumlr Wasserwesen Universitaumlt der Bundeswehr Muumlnchen
[41] Verein Deutscher Ingenieure (2014) Umweltmeteorologie Bodengebundene Fernmessung des Niederschlags Wetterradar In VDI-Richtlinien
[42] WETZEL M (2005) Modellierung der Hangwasserdynamik eines Untersuchungsgebietes im Nationalpark Hainich mit dem Modell HYDRUS-2D Diplomarbeit Universitaumlt Jena
[43] WINTERRATH T Dr WEIGL E (2012) RADOLAN RADVOR-OP und die RADOLAN-Klimatologie Status und Plaumlne In DWD (Hrsg) DWD-Kundenforum Hydrometeorologie Offenbach
FB Architektur und Bauingenieurwesen Wasserbaulaboratorium
Projektskizze Umgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessen (Arbeitstitel) Januar 2015 Seite 36
9 Allgemeine Informationen Zeitplan und Ressourcen
91 Allgemeine Informationen
Antragsteller Prof Dr-Ing Ernesto Ruiz Rodriguez Wasserbaulaboratorium am Fachbereich Architektur und Bauingenieurwesen Hochschule RheinMain Kurt-Schumacher-Ring 18 65197 Wiesbaden
Projektbearbeiter Arbeitsgruppe bdquoStarkregen und Sturzflutenldquo am Wasserbaulaboratorium Prof Dr-Ing Ernesto Ruiz Rodriguez (Projektleitung) BEng Lisa Trost (Projektbearbeitung) Frank Salffner (Vermessungstechniker Laborant am Wasserbaulaboratorium und in der EDV- Arbeitsgruppe des Fachbereichs) Die Arbeitsziele werden durch Studienarbeiten des Master- Studienganges bdquoUmweltmanagement und Stadtplanung in Ballungsraumlumenldquo (UMSB) unterstuumltzt
Partnerschaften Kooperationspartner Prof Dr Ralf Doumlrner Hochschule RheinMain
FG Graphische Datenverarbeitung und Virtuelle Realitaumlt Prof Dr Robert Seuszlig Fachhochschule Frankfurt FG Geoinformation und Kommunaltechnik Berufsfeuerwehr Wiesbaden Dr Andreacute Assmann Fa Geomer Heidelberg
gewuumlnschte Zusammenarbeit Deutscher Wetterdienst Abt Hydrometeorologie Projektdauer 4 Jahre (vgl 92 Zeitplan) Eigenmittel Projektleitung durch Prof Dr E Ruiz Rodriguez
Nutzung der Einrichtungen des Wasserbaulaboratoriums der Hochschule RheinMain Unterstuumltzung bei Laborarbeiten und EDV Infrastruktur durch Frank Salffner
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Projektskizze Umgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessen (Arbeitstitel) Januar 2015 Seite 37
92 Zeitplan
1
Jah
r
2
Jah
r
3
Jah
r
4
Jah
r Bemerkung
Arbeitspaket 1 Verwendung von Radardaten zur Simulation von Starkregen Sturzfluten fuumlr kleine Einzugsgebiete
Beginn der Arbeiten
Klaumlrung der Verfuumlgbarkeit von Radarniederschlagsdaten (fuumlr Modellierer Ingenieurbuumlros)
Aufwand zur Nutzung und Aufbereitung von Radarniederschlagsdaten fuumlr Modellierer Ingenieurbuumlros Erstellung eines Werkzeugs zur Visualisierung der archivierten und aktuellen Radarniederschlagsdaten Erstellung eines Werkzeugs zur Transformation und Projektion der DWD-RADOLAN-RW und RY-Komposit-Radarniederschlagsdaten in Gauszlig-Kruumlger undoder UTM-Projektion Erstellung eines GIS Werkzeugs zur Aufbereitung der DWD-RADOLAN-Komposit-Raster zur Simulation von Starkregen in kleinen Einzugsgebieten
1 Berichterstattung Arbeitspaket 1 (Teil 1)
Auswertung der RADOLAN Radarniederschlagsdaten des DWD
Praxisseminar Kolloquium bdquoVerwendung von Radardaten zur Simulation von Starkregen Sturzfluten in Hessenldquo
Arbeitspaket 2 Uumlberpruumlfung und Anpassung von Modellansaumltze zur Ermittlung des abflusswirksamen Niederschlages bei Starkregen
Uumlberpruumlfung und Anpassung der Modellansaumltze zur Ermittlung des abflusswirksamen Niederschlages bei Starkniederschlaumlgen unter besonderer Beruumlcksichtigung von Bodenfeuchte und Bodenluftkompressionseffekten
Arbeitspaket 3 Uumlberpruumlfung und Anpassung der hydraulischen Ansaumltze zur Berechnung des Oberflaumlchenabflusses bei Starkregen Sturzfluten an steilen Haumlngen
Bau der Versuchsrinne am Wasserbaulaboratorium Durchfuumlhrung und Auswertung der Versuche Uumlberpruumlfung und Anpassung der hydraulischen Ansaumltze zur Berechnung des Oberflaumlchenabflusses
2 Berichterstattung Arbeitspaket 2 und Arbeitspaket 3 (Teil1)
Arbeitspaket 4 Instationaumlre 2ndashdimensionale Modellierung des Oberflaumlchenabflusses bei Starkniederschlaumlgen
Anpassen des 2-dimensionallen Modelles auf instationaumlre Niederschlagsfronten Schnittstelle zu DWD RADOLAN Komposite Einarbeiten der verbesserten Ansaumltze zu Berechnung des abflusswirksamen Niederschlages bei Starkniederschlaumlgen Einarbeiten der verbesserten hydraulischen Ansaumltze
wird fortgesetzt
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Projektskizze Umgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessen (Arbeitstitel) Januar 2015 Seite 38
1
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2
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3
Jah
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4
Jah
r Bemerkung
Arbeitspaket 5 Erarbeitung von Starkregen Gefahrenkarten fuumlr das Land Hessen
Uumlberpruumlfen und Anpassung von fachlichen Kriterien fuumlr die Erstellung von Starkregen-Karten Definition der Inhalte von Starkregen-Hinweiskarten Definition der Inhalte von Starkregen- Gefahrenkarten
3 Berichterstattung Arbeitspaket 3 (Teil 2) Arbeitspaket 4 und Arbeitspaket 5 (Teil1)
Arbeitspaket 6 Modell- Pilotprojekt bdquoUmgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessenldquo
Erarbeitung von Starkregen-Hinweiskarten fuumlr die ausgewaumlhlten Pilot-Einzugsgebiete Erarbeitung von Starkregen-Gefahrenkarten fuumlr die ausgewaumlhlten Pilot-Einzugsgebiete Uumlberpruumlfen der fachlichen Kriterien und Ansaumltze (Arbeitspaket 5) fuumlr die Erstellung von Starkregen-Karten Diskussion uumlber die Starkregen-Karteninhalte und Starkregen-Kartendarstellung mit den Nutzern
4 Berichterstattung Arbeitspaket 5 (Teil 2) und Arbeitspaket 6 (Abschlussbericht)
93 Beantragte Mittel
Zur Durchfuumlhrung und Erreichung der im Antrag beschriebenen Arbeitsziele werden fuumlr das
1 Projektjahr 35000 Euro
2 Projektjahr 35000 Euro
3 Projektjahr 35000 Euro
4 Projektjahr 35000 Euro
beantragt
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Projektskizze Umgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessen (Arbeitstitel) Januar 2015 Anlage 1
1160 cm
280 cm
260 cm
1000 cm
1080 cm
6300 cm280 cm
3000 cm3000 cm
3000 cm 3000 cm
1000 cm624 cm
1500deg
Kipprinne zur Simulation des Oberflaumlchenabflusses an steilen HaumlngenLaumlnge= 630 mBreite= 10 mHoumlhe= 026 mmax Neigungswinkel 45deg
variableBeregnungslaumlnge
Maszligstab 120
1000 cm
260 cm
Sohlsubstrat zur Aufnahmevon kuumlnstlichen Bewuchsstrukturen
Beregnungsanlage mit schwenkbaren Duumlsen zurvertikalen Regensimulation
Wasserkoumlrper desOberflaumlchenabflusses
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Projektskizze Umgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessen (Arbeitstitel) Januar 2015 Anlage 1
1830 cm
2625 cm
Drehpunkt
1330 cm
6300 cm
280 cm
1500deg
Maszligstab 120
Kipprinne zur Simulation des Oberflaumlchenabflusses an steilen HaumlngenLaumlnge= 630 mBreite= 10 mHoumlhe= 026 mmax Neigungswinkel 45deg
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Projektskizze Umgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessen (Arbeitstitel) Januar 2015 Seite 27
6 Arbeitspaket 5 Erarbeitung von Starkregen Gefahrenkarten fuumlr das Land Hessen
Wie im einfuumlhrenden Abschnitt 1 erlaumlutert muumlssen aufgrund der zu kurzen Vorwarnzeiten in kleinen Einzugsgebieten die Flaumlchen- und Bauvorsorge intensiviert werden um Schaumlden durch Starkregen und Sturzfluten mindern zu koumlnnen Die dazu notwendigen Informationen uumlber die in dieser Hinsicht gefaumlhrdeten Flaumlchen und deren Nutzung muumlssen bei der angepassten kommunalen Planung beruumlcksichtigt werden Flaumlchennutzungs- und Bebauungsplaumlne sind auf die topographischen Gegebenheiten und auf die Abflusseigenschaften des Gebietes bei Starkregen abzustimmen
Starkregen Hinweis- oder Starkregen Gefahrenkarten koumlnnen als Ergaumlnzung zu den mittlerweile bundesweit eingefuumlhrten Hochwassergefahrenkarten diese Informationen bereitstellen
Die im Folgenden verwendeten Begriffe
Starkregen-Hinweiskarte
Starkregen-Gefahrenkarten oder Flieszligpfadkarten
sind vorlaumlufige Benennungen Wie auch bei den Hochwassergefahrenkarten muss die LAWA fuumlr eine bundesweit einheitliche Benennung Sorge tragen
Aus der Sicht der Verfasser wird ein zweistufiges Vorgehen empfohlen
1 Identifikation der potentiell gefaumlhrdeten Hangflaumlchen und die Erstellung von Starkregen Hinweiskarten
2 Simulation des Oberflaumlchenabflusses der potentiell gefaumlhrdeten Flaumlchen und Erstellung von Starkregen Gefahrenkarten oder Flieszligpfadkarten
Eine flaumlchendeckende Simulation des Oberflaumlchenabflusses im betrachteten Projektraum sollte aufgrund der dabei entstehenden Projekt- bzw Ingenieurkosten uumlberdacht werden
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(Stufe 1) Identifikation der potentiell gefaumlhrdeten Hangflaumlchen und die Erstellung von Starkregen Hinweiskarten
Es wird vorgeschlagen in einem ersten Schritt den betrachteten Projektraum flaumlchendeckend auf potentiell gefaumlhrdete Hangflaumlchen zu untersuchen
Dazu sollen die Gelaumlndeneigung die Bodennutzung sowie die Lage der steilen Hangflaumlchen zu den schadensempfindlichen Flaumlchen (zB Siedlungsgebiete) fachlich miteinander verknuumlpft werden
Beispielsweise lassen sich auf Grundlage der folgenden fachlich begruumlndeten Matrix mit Hilfe der GIS Werkzeuge die potentiell gefaumlhrdeten Hangflaumlchen leicht identifizieren
Gruumlnland Ackerland
Gelaumlndenutzung Gelaumlndeneigung
Be
arb
eitu
ng
que
r zur
Fallr
ich
tun
g
Be
arb
eitu
ng
in
Fallr
ich
tun
g
kleiner 5 nicht
gefaumlhrdet wenig
gefaumlhrdet
5 bis 10 maumlszligig
gefaumlhrdet
10 bis 20 maumlszligig
gefaumlhrdet
groszliger 20 stark
gefaumlhrdet sehr stark gefaumlhrdet
sehr stark gefaumlhrdet
Liegen unterhalb stark oder maumlszligig gefaumlhrdeter Flaumlchen Siedlungsgebiete oder sind in den gefaumlhrdeten Flaumlchen Siedlungsentwicklungen geplant ist eine detaillierte Untersuchung des Oberflaumlchenabflusses erforderlich (Stufe 2)
Die bislang verwendeten Kriterien zur Einschaumltzung den potentiell betroffenen Flaumlchen sollten uumlberpruumlft und weiterentwickelt werden
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Beispiel fuumlr eine Starkregen-Hinweiskarte Stadt Nidderau
(Stufe 2) Simulation des Oberflaumlchenabflusses der potentiell gefaumlhrdeten Flaumlchen und Erstellung von Starkregen Gefahrenkarten oder Flieszligpfadkarten
Fuumlr die in Stufe 1 identifizierten gefaumlhrdeten Flaumlchen ist in der zweiten Stufe der Oberflaumlchenabfluss zu simulieren Je nach Groumlszlige des zu betrachtenden Niederschlagseinzugsgebietes oberhalb der gefaumlhrdeten Siedlungsflaumlchen und Infrastrukturen muumlssen aus der Regensammlung (vgl Abschnitt 22) konvektive Ereignisse geeigneter Dauer ausgewaumlhlt werden
Aus der instationaumlren 2D-Simulation erhaumllt man fuumlr definierte Zeitpunkte nach dem Beginn des Niederschlages folgende fuumlr das gewaumlhlte Berechnungsraster raumlumlich aufgeloumlste hydraulisch relevante Grundinformationen
Ist die Flaumlche benetzt (janein)
Wasserstand (bdquoUumlberflutungshoumlheldquo) auf der Flaumlche
Flieszligrichtung und Flieszliggeschwindigkeit auf der Flaumlche
Diese hydraulischen Grundinformationen muumlssen aufbereitet fachlich interpretiert und auf geeignete Weise dargestellt werden
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Projektskizze Umgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessen (Arbeitstitel) Januar 2015 Seite 30
Letztlich geht es darum die Frage zu klaumlren welche Fachinformationen eine Starkregen-Gefahrenkarte beinhalten sollte
Aus der Sicht der Verfasser sollten in den Gefahrenkarten folgende hydraulische Informationen enthalten sein
Abflussrinnen und Flieszligpfade auf den Hangflaumlchen (Vervollstaumlndigung des Gewaumlssernetzes gegen Flieszligrichtung vgl auch Bild Abschnitt 4 Seite 21)
Starkregen-Gefahrenkarte mit Flieszligpfaden und Flieszligrichtung aus BWK [1]
Wassertiefenentwicklung entlang der Flieszligpfade
Flieszliggeschwindigkeiten entlang der Flieszligpfade
Diese Fachinformationen sollten zusammen mit einem fuumlr den Nutzer geeigneten Kartenhintergrund (Luftbildaufnahmen ALK topographische Karte etc) visualisiert werden
Im Rahmen der Bearbeitung der vorgeschlagenen Pilot-Einzugsgebiete (siehe Abschnitt 7) sind geeignete Inhalte und Darstellungsmoumlglichkeiten fuumlr Starkregen-Gefahrenkarten zu entwickeln
Wie auch bei den Hochwassergefahrenkarten sollte die LAWA fuumlr bundesweit einheitliche Standards der Starkregen-Gefahrenkarten Sorge tragen
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7 Arbeitspaket 6 Modell- Pilotprojekt bdquoUmgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessenldquo
In einem letzten Arbeitsabschnitt sollen anhand ausgesuchter Einzugsgebiete mit Hilfe des in Abschnitt 6 vorgeschlagenen Vorgehens Starkregen-Hinweiskarten und Starkregen-Gefahrenkarten erstellt werden
Die Verwendung von Niederschlagsdaten aus Radarbeobachtungen (vgl Abschnitt 1) und der Einsatz des verbesserten Simulationsmodells (vgl Abschnitte 3 und 4) werden gegenuumlber der heutigen Praxis bessere fachliche Informationen zur Bewaumlltigung von Starkregen-Gefahrenlagen bereitstellen koumlnnen
Folgende Pilot-Einzugsgebiete in hessischen Rheingau werden zur Auswahl gestellt
Walluf (AE=281 kmsup2) Die Walluf besitzt einen Pegel (Martinsthal AE=245 kmsup2 36 km oberhalb der Muumlndung) im Einzugsgebiet An der Hochschule RheinMain steht ein Niederschlags-Abfluss Modell der Walluf zur Verfuumlgung
Erbbach Kisselbach (AE= 106 kmsup2)
Pfingstbach (AE= 84 kmsup2)
Stegbach Blaubach (AE= 127 kmsup2)
Der Hochwasserrisikomanagementplan Rheingau steht zurzeit in der oumlffentlichen Abstimmung und wird im Laufe 2015 fertig gestellt werden Nach Aussage von Frau Tremper des Regierungspraumlsidiums Darmstadt Abteilung IVWi 412 waumlre eine Ergaumlnzung des HWRM-PL Rheingau durch Starkregen-Hinweis- und -Gefahrenkarten der Rheingaubaumlche hilfreich Diese wuumlrden die im HWRM-PL Rheingau betrachteten Rhein-Hochwasserszenarien ergaumlnzen
Arbeitsziel unterstuumltzt durch Studienarbeiten Erstellung von Niederschlags- Abfluss Modellen fuumlr die Rheingaubaumlche Erbach Kisselbach Pfingstbach Stegbach Blaubach
Bei der Erstellung der Starkregen-Hinweiskarten und Starkregen-Gefahrenkarten fuumlr die Pilot-Einzugsgebiete sollen die in Abschnitt 6 weiterentwickelten Ansaumltze erprobt und die Karteninhalte mit den spaumlteren Nutzern diskutiert werden Dabei sollen insbesondere die Kartendarstellung und deren Inhalte den jeweiligen fachlichen Beduumlrfnissen entsprechen
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8 Literatur und Quellen
[1] Bund der Ingenieure fuumlr Wasserwirtschaft Abfallwirtschaft und Kulturbau (BWK) eV (Hrsg)(2013) Starkregen und urbane Sturzfluten Praxisleitfaden zur Uumlberflutungsvorsorge BWK-Fachinformation Ausgabe Juli 2013 Band 12013 Sindelfingen
[2] BUREK P THIELEN-DEL POZO J THIEMIG V SALAMON P DE ROO A (2011) Das Europaumlische Hochwasserfruumlhwarnsystem (EFAS) In DWA (Hrsg) Fachbeitraumlge Korrespondenz Wasserwirtschaft Ispra (Italien)
[3] Deutsche Bundesstiftung Umwelt (Hrsg)(2002) Innovativer Ansatz eines vorbeugenden Hochwasserschutzes durch dezentrale Maszlignahmen im Bereich der Siedlungswasserwirtschaft sowie der Landwirtschaft im Einzugsgebiet der Lausitzer Neiszlige Endbericht Universitaumlt Hannover
[4] Deutscher Wetterdienst (DWD) Abteilung Hydrometeorologie (Hrsg)(2004) Projekt RADOLAN Routineverfahren zur Online-Aneichung der Radarniederschlagsdaten mit Hilfe von automatisierten Bodenniederschlagsstationen (Ombrometer)
[5] Deutscher Wetterdienst (DWD) Abteilung Hydrometeorologie (Hrsg)(2011) RADOLANRADVOR-OP Beschreibung des Kompositformats Version 222
[6] Deutscher Wetterdienst (DWD) (Hrsg)(2008) Radarniederschlag-Prinzip der Niederschlagsbestimmung mit Radar inklusive Umrechnung der Radarreflektivitaumlten in Momentanwerte des Niederschlages Version 10
[7] Deutscher Wetterdienst (DWD) Abteilung Hydrometeorologie (Hrsg)(2005) Projekt RADVOR-OP
[8] Deutscher Wetterdienst (DWD) Abteilung Hydrometeorologie (Hrsg)(2012) Projekt RADVOR-OP
[9] DWA Regelwerk Arbeitsblatt DWA-A 531(2012) Starkregen in Abhaumlngigkeit von Wiederkehrintervall und Dauer
[10] DWA Regelwerk Arbeitsblatt DWA-A 118 (2006) Hydraulische Bemessung und Nachweis von Entwaumlsserungssystemen
[11] DWA Regelwerk Merkblatt DWA-M 153 (2007) Handlungsempfehlungen zum Umgang mit Regenwasser
[12] DWA Kommentar zum DWA Regelwerk (2008) Planung Bau und Betrieb von Anlagen zur Versickerung von Niederschlagswasser
[13] DWA Themen (2010) Abfluumlsse aus extremen Niederschlaumlgen Ergebnisse einer Bestandsaufnahme Hochwasserereignisse und Modellansaumltze zu ihrer Abbildung
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Projektskizze Umgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessen (Arbeitstitel) Januar 2015 Seite 33
[14] DWA-Arbeitsgruppe ES-26 (2008) Abfluumlsse aus Auszligengebieten der Kanalisation Arbeitsbericht
[15] EHRET U (2003) Rainfall and flood nowcasting in small catchments using weather radar In Universitaumlt Stuttgart Institut fuumlr Wasserbau (Hrsg) Mitteilungen - Institut fuumlr Wasserbau Universitaumlt Stuttgart 121
[16] FUumlRST J (2004) GIS in Hydrologie und Wasserwirtschaft Herbert Wichmann Verlag
[17] GONSOWSKI P (1987) Der Einfluss der Bodenluftkompression auf die vertikale Infiltration von Wasser in Sanden Wasserbaumitteilungen Heft 28 Institut fuumlr Wasserbau TH Darmstadt
[18] HATZFELD F (2010) Sturzfluten in urbanen Gebieten Vorsorge ist moumlglich In DWA (Hrsg) Fachbeitraumlge Korrespondenz Wasserwirtschaft Aachen
[19] HOCHSCHILD J (2008) Hydrologische Charakterisierung des alpinen Einzugsgebietes der Dornbirner Ache Diplomarbeit Institut fuumlr Hydrologie Universitaumlt Freiburg i Br
[20] HOFFMANN P (2009) Modifikation von Starkniederschlaumlgen durch urbane Gebiete Diplomarbeit Meteorologisches Institut Department Geowissenschaften Universitaumlt Hamburg
[21] Hydrotec Ingenieurgesellschaft fuumlr Wasser und Umwelt mbH Fachhochschule Aachen DWD (2008) Vorhersage und Management von Sturzfluten in urbanen Gebieten (URBAS) In Bundesministerium fuumlr Bildung und Forschung (Hrsg) Foumlrderprogramm des BMBF Aachen
[22] Hydrotec Ingenieurgesellschaft fuumlr Wasser und Umwelt mbH Fachhochschule Aachen DWD (2008) Ergebnisse des Forschungsvorhabens In Bundesministerium fuumlr Bildung und Forschung (Hrsg) Foumlrderprogramm des BMBF Aachen
[23] IHK Rhein-Neckar (2011) Starkregen ndash Auswirkungen und Anpassungsstrategien 8Hochwasserschutzforum in der Metropolregion Rhein-Neckar In Schriftenreihe des Verbandes Region Rhein-Neckar Heft 9
[24] KEIL C (2000) Numerische Simulation von Starkniederschlagsereignissen mit mesoskaligen Wettervorhersagemodellen Dissertation Institut fuumlr Physik und Atmosphaumlre Universitaumlt Muumlnchen
[25] KIPFER A KIENHOLZ C LIENER S (2012) Ein neuer Ansatz zur Modellierung von Oberflaumlchenabfluss 12 Kongress INTERPRAEVENT GrenobleFrankreich
[26] Kommission Reinhaltung der Luft im VDI und DIN-Normenausschuss KRdL (2014) Wetterradar-Anwendungen fuumlr die Wasserwirtschaft In VDI-Expertenforum Offenbach
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Projektskizze Umgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessen (Arbeitstitel) Januar 2015 Seite 34
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[28] KRAumlMER S VERWORN H-R TREIS A PFISTER A BECKER M (2009) Korrektur von C-Band-Radardaten fuumlr die Niederschlags-Abfluss-Modellierung Grundlagen Algorithmen und Verifikation In DWA (Hrsg) Fachbeitraumlge Korrespondenz Wasserwirtschaft Essen Hannover
[29] LANG P (2003) CONRAD In DWD (Hrsg)
[30] LEMPERT M (2000) Ein GIS gekoppeltes rasterbasiertes Modell zur Berechnung des Wasserhaushaltes kleiner Einzugsgebiete In Wasserbaumitteilungen Heft 110 Institut fuumlr Wasserbau und Wasserwirtschaft TU Darmstadt
[31] MARX A (2006) Einsatz gekoppelter Modelle und Wetterradar zur Abschaumltzung von Niederschlagsintensitaumlten und zur Abflussvorhersage In Universitaumlt Stuttgart Institut fuumlr Wasserbau (Hrsg) Mitteilungen - Institut fuumlr Wasserbau Universitaumlt Stuttgart 160
[32] Ministerium fuumlr Umwelt und Forsten Rheinland Pfalz (2000) Naturnaher Umgang mit Niederschlagswasser Konzeption und ausgefuumlhrte Beispiele Mainz
[33] PEUszligNER J (2013) Untersuchung der Nutzbarkeit von zeitlich hoch aufgeloumlsten Radardaten des Niederschlags zur verbesserten Simulation des Bodenabtrags durch Wasser Masterarbeit Institut fuumlr Physische Geographie und Landschaftsoumlkologie Universitaumlt Hannover
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[37] SCHAumlDEL W (2006) Schritte zur Verbesserung einer Hochwasserfruumlhwarnung mittels Online-Bodenfeuchtemessungen Dissertation Universitaumlt Karlsruhe (TH)
[38] SCHMALZL K (2014) Sturzfluten hydrodynamisch numerisch mit HYDRO-AS-2D berechnen Wasserwirtschaftsamt Rosenheim
[39] Stadt Graz (2013) Flieszligpfadkarte Graz
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Projektskizze Umgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessen (Arbeitstitel) Januar 2015 Seite 35
[40] THUNIG S (2004) Berechnung der Hochwasserscheitelminderung der Windach am Auslass des Windachspeichers durch den Bau zweier geplanter Retentionsbecken Diplomarbeit Institut fuumlr Wasserwesen Universitaumlt der Bundeswehr Muumlnchen
[41] Verein Deutscher Ingenieure (2014) Umweltmeteorologie Bodengebundene Fernmessung des Niederschlags Wetterradar In VDI-Richtlinien
[42] WETZEL M (2005) Modellierung der Hangwasserdynamik eines Untersuchungsgebietes im Nationalpark Hainich mit dem Modell HYDRUS-2D Diplomarbeit Universitaumlt Jena
[43] WINTERRATH T Dr WEIGL E (2012) RADOLAN RADVOR-OP und die RADOLAN-Klimatologie Status und Plaumlne In DWD (Hrsg) DWD-Kundenforum Hydrometeorologie Offenbach
FB Architektur und Bauingenieurwesen Wasserbaulaboratorium
Projektskizze Umgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessen (Arbeitstitel) Januar 2015 Seite 36
9 Allgemeine Informationen Zeitplan und Ressourcen
91 Allgemeine Informationen
Antragsteller Prof Dr-Ing Ernesto Ruiz Rodriguez Wasserbaulaboratorium am Fachbereich Architektur und Bauingenieurwesen Hochschule RheinMain Kurt-Schumacher-Ring 18 65197 Wiesbaden
Projektbearbeiter Arbeitsgruppe bdquoStarkregen und Sturzflutenldquo am Wasserbaulaboratorium Prof Dr-Ing Ernesto Ruiz Rodriguez (Projektleitung) BEng Lisa Trost (Projektbearbeitung) Frank Salffner (Vermessungstechniker Laborant am Wasserbaulaboratorium und in der EDV- Arbeitsgruppe des Fachbereichs) Die Arbeitsziele werden durch Studienarbeiten des Master- Studienganges bdquoUmweltmanagement und Stadtplanung in Ballungsraumlumenldquo (UMSB) unterstuumltzt
Partnerschaften Kooperationspartner Prof Dr Ralf Doumlrner Hochschule RheinMain
FG Graphische Datenverarbeitung und Virtuelle Realitaumlt Prof Dr Robert Seuszlig Fachhochschule Frankfurt FG Geoinformation und Kommunaltechnik Berufsfeuerwehr Wiesbaden Dr Andreacute Assmann Fa Geomer Heidelberg
gewuumlnschte Zusammenarbeit Deutscher Wetterdienst Abt Hydrometeorologie Projektdauer 4 Jahre (vgl 92 Zeitplan) Eigenmittel Projektleitung durch Prof Dr E Ruiz Rodriguez
Nutzung der Einrichtungen des Wasserbaulaboratoriums der Hochschule RheinMain Unterstuumltzung bei Laborarbeiten und EDV Infrastruktur durch Frank Salffner
FB Architektur und Bauingenieurwesen Wasserbaulaboratorium
Projektskizze Umgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessen (Arbeitstitel) Januar 2015 Seite 37
92 Zeitplan
1
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r Bemerkung
Arbeitspaket 1 Verwendung von Radardaten zur Simulation von Starkregen Sturzfluten fuumlr kleine Einzugsgebiete
Beginn der Arbeiten
Klaumlrung der Verfuumlgbarkeit von Radarniederschlagsdaten (fuumlr Modellierer Ingenieurbuumlros)
Aufwand zur Nutzung und Aufbereitung von Radarniederschlagsdaten fuumlr Modellierer Ingenieurbuumlros Erstellung eines Werkzeugs zur Visualisierung der archivierten und aktuellen Radarniederschlagsdaten Erstellung eines Werkzeugs zur Transformation und Projektion der DWD-RADOLAN-RW und RY-Komposit-Radarniederschlagsdaten in Gauszlig-Kruumlger undoder UTM-Projektion Erstellung eines GIS Werkzeugs zur Aufbereitung der DWD-RADOLAN-Komposit-Raster zur Simulation von Starkregen in kleinen Einzugsgebieten
1 Berichterstattung Arbeitspaket 1 (Teil 1)
Auswertung der RADOLAN Radarniederschlagsdaten des DWD
Praxisseminar Kolloquium bdquoVerwendung von Radardaten zur Simulation von Starkregen Sturzfluten in Hessenldquo
Arbeitspaket 2 Uumlberpruumlfung und Anpassung von Modellansaumltze zur Ermittlung des abflusswirksamen Niederschlages bei Starkregen
Uumlberpruumlfung und Anpassung der Modellansaumltze zur Ermittlung des abflusswirksamen Niederschlages bei Starkniederschlaumlgen unter besonderer Beruumlcksichtigung von Bodenfeuchte und Bodenluftkompressionseffekten
Arbeitspaket 3 Uumlberpruumlfung und Anpassung der hydraulischen Ansaumltze zur Berechnung des Oberflaumlchenabflusses bei Starkregen Sturzfluten an steilen Haumlngen
Bau der Versuchsrinne am Wasserbaulaboratorium Durchfuumlhrung und Auswertung der Versuche Uumlberpruumlfung und Anpassung der hydraulischen Ansaumltze zur Berechnung des Oberflaumlchenabflusses
2 Berichterstattung Arbeitspaket 2 und Arbeitspaket 3 (Teil1)
Arbeitspaket 4 Instationaumlre 2ndashdimensionale Modellierung des Oberflaumlchenabflusses bei Starkniederschlaumlgen
Anpassen des 2-dimensionallen Modelles auf instationaumlre Niederschlagsfronten Schnittstelle zu DWD RADOLAN Komposite Einarbeiten der verbesserten Ansaumltze zu Berechnung des abflusswirksamen Niederschlages bei Starkniederschlaumlgen Einarbeiten der verbesserten hydraulischen Ansaumltze
wird fortgesetzt
FB Architektur und Bauingenieurwesen Wasserbaulaboratorium
Projektskizze Umgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessen (Arbeitstitel) Januar 2015 Seite 38
1
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r Bemerkung
Arbeitspaket 5 Erarbeitung von Starkregen Gefahrenkarten fuumlr das Land Hessen
Uumlberpruumlfen und Anpassung von fachlichen Kriterien fuumlr die Erstellung von Starkregen-Karten Definition der Inhalte von Starkregen-Hinweiskarten Definition der Inhalte von Starkregen- Gefahrenkarten
3 Berichterstattung Arbeitspaket 3 (Teil 2) Arbeitspaket 4 und Arbeitspaket 5 (Teil1)
Arbeitspaket 6 Modell- Pilotprojekt bdquoUmgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessenldquo
Erarbeitung von Starkregen-Hinweiskarten fuumlr die ausgewaumlhlten Pilot-Einzugsgebiete Erarbeitung von Starkregen-Gefahrenkarten fuumlr die ausgewaumlhlten Pilot-Einzugsgebiete Uumlberpruumlfen der fachlichen Kriterien und Ansaumltze (Arbeitspaket 5) fuumlr die Erstellung von Starkregen-Karten Diskussion uumlber die Starkregen-Karteninhalte und Starkregen-Kartendarstellung mit den Nutzern
4 Berichterstattung Arbeitspaket 5 (Teil 2) und Arbeitspaket 6 (Abschlussbericht)
93 Beantragte Mittel
Zur Durchfuumlhrung und Erreichung der im Antrag beschriebenen Arbeitsziele werden fuumlr das
1 Projektjahr 35000 Euro
2 Projektjahr 35000 Euro
3 Projektjahr 35000 Euro
4 Projektjahr 35000 Euro
beantragt
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Projektskizze Umgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessen (Arbeitstitel) Januar 2015 Anlage 1
1160 cm
280 cm
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1080 cm
6300 cm280 cm
3000 cm3000 cm
3000 cm 3000 cm
1000 cm624 cm
1500deg
Kipprinne zur Simulation des Oberflaumlchenabflusses an steilen HaumlngenLaumlnge= 630 mBreite= 10 mHoumlhe= 026 mmax Neigungswinkel 45deg
variableBeregnungslaumlnge
Maszligstab 120
1000 cm
260 cm
Sohlsubstrat zur Aufnahmevon kuumlnstlichen Bewuchsstrukturen
Beregnungsanlage mit schwenkbaren Duumlsen zurvertikalen Regensimulation
Wasserkoumlrper desOberflaumlchenabflusses
FB Architektur und Bauingenieurwesen Wasserbaulaboratorium
Projektskizze Umgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessen (Arbeitstitel) Januar 2015 Anlage 1
1830 cm
2625 cm
Drehpunkt
1330 cm
6300 cm
280 cm
1500deg
Maszligstab 120
Kipprinne zur Simulation des Oberflaumlchenabflusses an steilen HaumlngenLaumlnge= 630 mBreite= 10 mHoumlhe= 026 mmax Neigungswinkel 45deg
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Projektskizze Umgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessen (Arbeitstitel) Januar 2015 Seite 28
(Stufe 1) Identifikation der potentiell gefaumlhrdeten Hangflaumlchen und die Erstellung von Starkregen Hinweiskarten
Es wird vorgeschlagen in einem ersten Schritt den betrachteten Projektraum flaumlchendeckend auf potentiell gefaumlhrdete Hangflaumlchen zu untersuchen
Dazu sollen die Gelaumlndeneigung die Bodennutzung sowie die Lage der steilen Hangflaumlchen zu den schadensempfindlichen Flaumlchen (zB Siedlungsgebiete) fachlich miteinander verknuumlpft werden
Beispielsweise lassen sich auf Grundlage der folgenden fachlich begruumlndeten Matrix mit Hilfe der GIS Werkzeuge die potentiell gefaumlhrdeten Hangflaumlchen leicht identifizieren
Gruumlnland Ackerland
Gelaumlndenutzung Gelaumlndeneigung
Be
arb
eitu
ng
que
r zur
Fallr
ich
tun
g
Be
arb
eitu
ng
in
Fallr
ich
tun
g
kleiner 5 nicht
gefaumlhrdet wenig
gefaumlhrdet
5 bis 10 maumlszligig
gefaumlhrdet
10 bis 20 maumlszligig
gefaumlhrdet
groszliger 20 stark
gefaumlhrdet sehr stark gefaumlhrdet
sehr stark gefaumlhrdet
Liegen unterhalb stark oder maumlszligig gefaumlhrdeter Flaumlchen Siedlungsgebiete oder sind in den gefaumlhrdeten Flaumlchen Siedlungsentwicklungen geplant ist eine detaillierte Untersuchung des Oberflaumlchenabflusses erforderlich (Stufe 2)
Die bislang verwendeten Kriterien zur Einschaumltzung den potentiell betroffenen Flaumlchen sollten uumlberpruumlft und weiterentwickelt werden
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Beispiel fuumlr eine Starkregen-Hinweiskarte Stadt Nidderau
(Stufe 2) Simulation des Oberflaumlchenabflusses der potentiell gefaumlhrdeten Flaumlchen und Erstellung von Starkregen Gefahrenkarten oder Flieszligpfadkarten
Fuumlr die in Stufe 1 identifizierten gefaumlhrdeten Flaumlchen ist in der zweiten Stufe der Oberflaumlchenabfluss zu simulieren Je nach Groumlszlige des zu betrachtenden Niederschlagseinzugsgebietes oberhalb der gefaumlhrdeten Siedlungsflaumlchen und Infrastrukturen muumlssen aus der Regensammlung (vgl Abschnitt 22) konvektive Ereignisse geeigneter Dauer ausgewaumlhlt werden
Aus der instationaumlren 2D-Simulation erhaumllt man fuumlr definierte Zeitpunkte nach dem Beginn des Niederschlages folgende fuumlr das gewaumlhlte Berechnungsraster raumlumlich aufgeloumlste hydraulisch relevante Grundinformationen
Ist die Flaumlche benetzt (janein)
Wasserstand (bdquoUumlberflutungshoumlheldquo) auf der Flaumlche
Flieszligrichtung und Flieszliggeschwindigkeit auf der Flaumlche
Diese hydraulischen Grundinformationen muumlssen aufbereitet fachlich interpretiert und auf geeignete Weise dargestellt werden
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Letztlich geht es darum die Frage zu klaumlren welche Fachinformationen eine Starkregen-Gefahrenkarte beinhalten sollte
Aus der Sicht der Verfasser sollten in den Gefahrenkarten folgende hydraulische Informationen enthalten sein
Abflussrinnen und Flieszligpfade auf den Hangflaumlchen (Vervollstaumlndigung des Gewaumlssernetzes gegen Flieszligrichtung vgl auch Bild Abschnitt 4 Seite 21)
Starkregen-Gefahrenkarte mit Flieszligpfaden und Flieszligrichtung aus BWK [1]
Wassertiefenentwicklung entlang der Flieszligpfade
Flieszliggeschwindigkeiten entlang der Flieszligpfade
Diese Fachinformationen sollten zusammen mit einem fuumlr den Nutzer geeigneten Kartenhintergrund (Luftbildaufnahmen ALK topographische Karte etc) visualisiert werden
Im Rahmen der Bearbeitung der vorgeschlagenen Pilot-Einzugsgebiete (siehe Abschnitt 7) sind geeignete Inhalte und Darstellungsmoumlglichkeiten fuumlr Starkregen-Gefahrenkarten zu entwickeln
Wie auch bei den Hochwassergefahrenkarten sollte die LAWA fuumlr bundesweit einheitliche Standards der Starkregen-Gefahrenkarten Sorge tragen
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7 Arbeitspaket 6 Modell- Pilotprojekt bdquoUmgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessenldquo
In einem letzten Arbeitsabschnitt sollen anhand ausgesuchter Einzugsgebiete mit Hilfe des in Abschnitt 6 vorgeschlagenen Vorgehens Starkregen-Hinweiskarten und Starkregen-Gefahrenkarten erstellt werden
Die Verwendung von Niederschlagsdaten aus Radarbeobachtungen (vgl Abschnitt 1) und der Einsatz des verbesserten Simulationsmodells (vgl Abschnitte 3 und 4) werden gegenuumlber der heutigen Praxis bessere fachliche Informationen zur Bewaumlltigung von Starkregen-Gefahrenlagen bereitstellen koumlnnen
Folgende Pilot-Einzugsgebiete in hessischen Rheingau werden zur Auswahl gestellt
Walluf (AE=281 kmsup2) Die Walluf besitzt einen Pegel (Martinsthal AE=245 kmsup2 36 km oberhalb der Muumlndung) im Einzugsgebiet An der Hochschule RheinMain steht ein Niederschlags-Abfluss Modell der Walluf zur Verfuumlgung
Erbbach Kisselbach (AE= 106 kmsup2)
Pfingstbach (AE= 84 kmsup2)
Stegbach Blaubach (AE= 127 kmsup2)
Der Hochwasserrisikomanagementplan Rheingau steht zurzeit in der oumlffentlichen Abstimmung und wird im Laufe 2015 fertig gestellt werden Nach Aussage von Frau Tremper des Regierungspraumlsidiums Darmstadt Abteilung IVWi 412 waumlre eine Ergaumlnzung des HWRM-PL Rheingau durch Starkregen-Hinweis- und -Gefahrenkarten der Rheingaubaumlche hilfreich Diese wuumlrden die im HWRM-PL Rheingau betrachteten Rhein-Hochwasserszenarien ergaumlnzen
Arbeitsziel unterstuumltzt durch Studienarbeiten Erstellung von Niederschlags- Abfluss Modellen fuumlr die Rheingaubaumlche Erbach Kisselbach Pfingstbach Stegbach Blaubach
Bei der Erstellung der Starkregen-Hinweiskarten und Starkregen-Gefahrenkarten fuumlr die Pilot-Einzugsgebiete sollen die in Abschnitt 6 weiterentwickelten Ansaumltze erprobt und die Karteninhalte mit den spaumlteren Nutzern diskutiert werden Dabei sollen insbesondere die Kartendarstellung und deren Inhalte den jeweiligen fachlichen Beduumlrfnissen entsprechen
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8 Literatur und Quellen
[1] Bund der Ingenieure fuumlr Wasserwirtschaft Abfallwirtschaft und Kulturbau (BWK) eV (Hrsg)(2013) Starkregen und urbane Sturzfluten Praxisleitfaden zur Uumlberflutungsvorsorge BWK-Fachinformation Ausgabe Juli 2013 Band 12013 Sindelfingen
[2] BUREK P THIELEN-DEL POZO J THIEMIG V SALAMON P DE ROO A (2011) Das Europaumlische Hochwasserfruumlhwarnsystem (EFAS) In DWA (Hrsg) Fachbeitraumlge Korrespondenz Wasserwirtschaft Ispra (Italien)
[3] Deutsche Bundesstiftung Umwelt (Hrsg)(2002) Innovativer Ansatz eines vorbeugenden Hochwasserschutzes durch dezentrale Maszlignahmen im Bereich der Siedlungswasserwirtschaft sowie der Landwirtschaft im Einzugsgebiet der Lausitzer Neiszlige Endbericht Universitaumlt Hannover
[4] Deutscher Wetterdienst (DWD) Abteilung Hydrometeorologie (Hrsg)(2004) Projekt RADOLAN Routineverfahren zur Online-Aneichung der Radarniederschlagsdaten mit Hilfe von automatisierten Bodenniederschlagsstationen (Ombrometer)
[5] Deutscher Wetterdienst (DWD) Abteilung Hydrometeorologie (Hrsg)(2011) RADOLANRADVOR-OP Beschreibung des Kompositformats Version 222
[6] Deutscher Wetterdienst (DWD) (Hrsg)(2008) Radarniederschlag-Prinzip der Niederschlagsbestimmung mit Radar inklusive Umrechnung der Radarreflektivitaumlten in Momentanwerte des Niederschlages Version 10
[7] Deutscher Wetterdienst (DWD) Abteilung Hydrometeorologie (Hrsg)(2005) Projekt RADVOR-OP
[8] Deutscher Wetterdienst (DWD) Abteilung Hydrometeorologie (Hrsg)(2012) Projekt RADVOR-OP
[9] DWA Regelwerk Arbeitsblatt DWA-A 531(2012) Starkregen in Abhaumlngigkeit von Wiederkehrintervall und Dauer
[10] DWA Regelwerk Arbeitsblatt DWA-A 118 (2006) Hydraulische Bemessung und Nachweis von Entwaumlsserungssystemen
[11] DWA Regelwerk Merkblatt DWA-M 153 (2007) Handlungsempfehlungen zum Umgang mit Regenwasser
[12] DWA Kommentar zum DWA Regelwerk (2008) Planung Bau und Betrieb von Anlagen zur Versickerung von Niederschlagswasser
[13] DWA Themen (2010) Abfluumlsse aus extremen Niederschlaumlgen Ergebnisse einer Bestandsaufnahme Hochwasserereignisse und Modellansaumltze zu ihrer Abbildung
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[14] DWA-Arbeitsgruppe ES-26 (2008) Abfluumlsse aus Auszligengebieten der Kanalisation Arbeitsbericht
[15] EHRET U (2003) Rainfall and flood nowcasting in small catchments using weather radar In Universitaumlt Stuttgart Institut fuumlr Wasserbau (Hrsg) Mitteilungen - Institut fuumlr Wasserbau Universitaumlt Stuttgart 121
[16] FUumlRST J (2004) GIS in Hydrologie und Wasserwirtschaft Herbert Wichmann Verlag
[17] GONSOWSKI P (1987) Der Einfluss der Bodenluftkompression auf die vertikale Infiltration von Wasser in Sanden Wasserbaumitteilungen Heft 28 Institut fuumlr Wasserbau TH Darmstadt
[18] HATZFELD F (2010) Sturzfluten in urbanen Gebieten Vorsorge ist moumlglich In DWA (Hrsg) Fachbeitraumlge Korrespondenz Wasserwirtschaft Aachen
[19] HOCHSCHILD J (2008) Hydrologische Charakterisierung des alpinen Einzugsgebietes der Dornbirner Ache Diplomarbeit Institut fuumlr Hydrologie Universitaumlt Freiburg i Br
[20] HOFFMANN P (2009) Modifikation von Starkniederschlaumlgen durch urbane Gebiete Diplomarbeit Meteorologisches Institut Department Geowissenschaften Universitaumlt Hamburg
[21] Hydrotec Ingenieurgesellschaft fuumlr Wasser und Umwelt mbH Fachhochschule Aachen DWD (2008) Vorhersage und Management von Sturzfluten in urbanen Gebieten (URBAS) In Bundesministerium fuumlr Bildung und Forschung (Hrsg) Foumlrderprogramm des BMBF Aachen
[22] Hydrotec Ingenieurgesellschaft fuumlr Wasser und Umwelt mbH Fachhochschule Aachen DWD (2008) Ergebnisse des Forschungsvorhabens In Bundesministerium fuumlr Bildung und Forschung (Hrsg) Foumlrderprogramm des BMBF Aachen
[23] IHK Rhein-Neckar (2011) Starkregen ndash Auswirkungen und Anpassungsstrategien 8Hochwasserschutzforum in der Metropolregion Rhein-Neckar In Schriftenreihe des Verbandes Region Rhein-Neckar Heft 9
[24] KEIL C (2000) Numerische Simulation von Starkniederschlagsereignissen mit mesoskaligen Wettervorhersagemodellen Dissertation Institut fuumlr Physik und Atmosphaumlre Universitaumlt Muumlnchen
[25] KIPFER A KIENHOLZ C LIENER S (2012) Ein neuer Ansatz zur Modellierung von Oberflaumlchenabfluss 12 Kongress INTERPRAEVENT GrenobleFrankreich
[26] Kommission Reinhaltung der Luft im VDI und DIN-Normenausschuss KRdL (2014) Wetterradar-Anwendungen fuumlr die Wasserwirtschaft In VDI-Expertenforum Offenbach
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[27] KORNDOumlRFER C SEIFERT J KROLL H FUHRMANN L (2000) Hydrologie und Wasserbewirtschaftung Ziele und Planungsgrundlagen einer naturnahen Regenwasserbewirtschaftung in Dresden In DWA (Hrsg) KA AbwasserAbfall Dresden
[28] KRAumlMER S VERWORN H-R TREIS A PFISTER A BECKER M (2009) Korrektur von C-Band-Radardaten fuumlr die Niederschlags-Abfluss-Modellierung Grundlagen Algorithmen und Verifikation In DWA (Hrsg) Fachbeitraumlge Korrespondenz Wasserwirtschaft Essen Hannover
[29] LANG P (2003) CONRAD In DWD (Hrsg)
[30] LEMPERT M (2000) Ein GIS gekoppeltes rasterbasiertes Modell zur Berechnung des Wasserhaushaltes kleiner Einzugsgebiete In Wasserbaumitteilungen Heft 110 Institut fuumlr Wasserbau und Wasserwirtschaft TU Darmstadt
[31] MARX A (2006) Einsatz gekoppelter Modelle und Wetterradar zur Abschaumltzung von Niederschlagsintensitaumlten und zur Abflussvorhersage In Universitaumlt Stuttgart Institut fuumlr Wasserbau (Hrsg) Mitteilungen - Institut fuumlr Wasserbau Universitaumlt Stuttgart 160
[32] Ministerium fuumlr Umwelt und Forsten Rheinland Pfalz (2000) Naturnaher Umgang mit Niederschlagswasser Konzeption und ausgefuumlhrte Beispiele Mainz
[33] PEUszligNER J (2013) Untersuchung der Nutzbarkeit von zeitlich hoch aufgeloumlsten Radardaten des Niederschlags zur verbesserten Simulation des Bodenabtrags durch Wasser Masterarbeit Institut fuumlr Physische Geographie und Landschaftsoumlkologie Universitaumlt Hannover
[34] PFAFF T (2012) Processing and Analysis of Weather Radar Data for Use in Hydrologie In Universitaumlt Stuttgart Institut fuumlr Wasser- und Umweltsystemmodellierung (Hrsg) Mitteilungen - Institut fuumlr Wasser- und Umweltsystemmodellierung Universitaumlt Stuttgart 216
[35] PLATE E J ZEHE E (Hrsg)(2008) Hydrologie und Stoffdynamik kleiner Einzugsgebiete Prozesse und Modelle Verlagsbuchhandlung Schweizerbart
[36] SCHATZL R (2001) Skalenabhaumlngiger Vergleich zwischen Wetterradardaten und Niederschlagsmessungen In TU Graz (Hrsg) Schriftenreihe zur Wasserwirtschaft Technische Universitaumlt Graz 39
[37] SCHAumlDEL W (2006) Schritte zur Verbesserung einer Hochwasserfruumlhwarnung mittels Online-Bodenfeuchtemessungen Dissertation Universitaumlt Karlsruhe (TH)
[38] SCHMALZL K (2014) Sturzfluten hydrodynamisch numerisch mit HYDRO-AS-2D berechnen Wasserwirtschaftsamt Rosenheim
[39] Stadt Graz (2013) Flieszligpfadkarte Graz
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[40] THUNIG S (2004) Berechnung der Hochwasserscheitelminderung der Windach am Auslass des Windachspeichers durch den Bau zweier geplanter Retentionsbecken Diplomarbeit Institut fuumlr Wasserwesen Universitaumlt der Bundeswehr Muumlnchen
[41] Verein Deutscher Ingenieure (2014) Umweltmeteorologie Bodengebundene Fernmessung des Niederschlags Wetterradar In VDI-Richtlinien
[42] WETZEL M (2005) Modellierung der Hangwasserdynamik eines Untersuchungsgebietes im Nationalpark Hainich mit dem Modell HYDRUS-2D Diplomarbeit Universitaumlt Jena
[43] WINTERRATH T Dr WEIGL E (2012) RADOLAN RADVOR-OP und die RADOLAN-Klimatologie Status und Plaumlne In DWD (Hrsg) DWD-Kundenforum Hydrometeorologie Offenbach
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9 Allgemeine Informationen Zeitplan und Ressourcen
91 Allgemeine Informationen
Antragsteller Prof Dr-Ing Ernesto Ruiz Rodriguez Wasserbaulaboratorium am Fachbereich Architektur und Bauingenieurwesen Hochschule RheinMain Kurt-Schumacher-Ring 18 65197 Wiesbaden
Projektbearbeiter Arbeitsgruppe bdquoStarkregen und Sturzflutenldquo am Wasserbaulaboratorium Prof Dr-Ing Ernesto Ruiz Rodriguez (Projektleitung) BEng Lisa Trost (Projektbearbeitung) Frank Salffner (Vermessungstechniker Laborant am Wasserbaulaboratorium und in der EDV- Arbeitsgruppe des Fachbereichs) Die Arbeitsziele werden durch Studienarbeiten des Master- Studienganges bdquoUmweltmanagement und Stadtplanung in Ballungsraumlumenldquo (UMSB) unterstuumltzt
Partnerschaften Kooperationspartner Prof Dr Ralf Doumlrner Hochschule RheinMain
FG Graphische Datenverarbeitung und Virtuelle Realitaumlt Prof Dr Robert Seuszlig Fachhochschule Frankfurt FG Geoinformation und Kommunaltechnik Berufsfeuerwehr Wiesbaden Dr Andreacute Assmann Fa Geomer Heidelberg
gewuumlnschte Zusammenarbeit Deutscher Wetterdienst Abt Hydrometeorologie Projektdauer 4 Jahre (vgl 92 Zeitplan) Eigenmittel Projektleitung durch Prof Dr E Ruiz Rodriguez
Nutzung der Einrichtungen des Wasserbaulaboratoriums der Hochschule RheinMain Unterstuumltzung bei Laborarbeiten und EDV Infrastruktur durch Frank Salffner
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92 Zeitplan
1
Jah
r
2
Jah
r
3
Jah
r
4
Jah
r Bemerkung
Arbeitspaket 1 Verwendung von Radardaten zur Simulation von Starkregen Sturzfluten fuumlr kleine Einzugsgebiete
Beginn der Arbeiten
Klaumlrung der Verfuumlgbarkeit von Radarniederschlagsdaten (fuumlr Modellierer Ingenieurbuumlros)
Aufwand zur Nutzung und Aufbereitung von Radarniederschlagsdaten fuumlr Modellierer Ingenieurbuumlros Erstellung eines Werkzeugs zur Visualisierung der archivierten und aktuellen Radarniederschlagsdaten Erstellung eines Werkzeugs zur Transformation und Projektion der DWD-RADOLAN-RW und RY-Komposit-Radarniederschlagsdaten in Gauszlig-Kruumlger undoder UTM-Projektion Erstellung eines GIS Werkzeugs zur Aufbereitung der DWD-RADOLAN-Komposit-Raster zur Simulation von Starkregen in kleinen Einzugsgebieten
1 Berichterstattung Arbeitspaket 1 (Teil 1)
Auswertung der RADOLAN Radarniederschlagsdaten des DWD
Praxisseminar Kolloquium bdquoVerwendung von Radardaten zur Simulation von Starkregen Sturzfluten in Hessenldquo
Arbeitspaket 2 Uumlberpruumlfung und Anpassung von Modellansaumltze zur Ermittlung des abflusswirksamen Niederschlages bei Starkregen
Uumlberpruumlfung und Anpassung der Modellansaumltze zur Ermittlung des abflusswirksamen Niederschlages bei Starkniederschlaumlgen unter besonderer Beruumlcksichtigung von Bodenfeuchte und Bodenluftkompressionseffekten
Arbeitspaket 3 Uumlberpruumlfung und Anpassung der hydraulischen Ansaumltze zur Berechnung des Oberflaumlchenabflusses bei Starkregen Sturzfluten an steilen Haumlngen
Bau der Versuchsrinne am Wasserbaulaboratorium Durchfuumlhrung und Auswertung der Versuche Uumlberpruumlfung und Anpassung der hydraulischen Ansaumltze zur Berechnung des Oberflaumlchenabflusses
2 Berichterstattung Arbeitspaket 2 und Arbeitspaket 3 (Teil1)
Arbeitspaket 4 Instationaumlre 2ndashdimensionale Modellierung des Oberflaumlchenabflusses bei Starkniederschlaumlgen
Anpassen des 2-dimensionallen Modelles auf instationaumlre Niederschlagsfronten Schnittstelle zu DWD RADOLAN Komposite Einarbeiten der verbesserten Ansaumltze zu Berechnung des abflusswirksamen Niederschlages bei Starkniederschlaumlgen Einarbeiten der verbesserten hydraulischen Ansaumltze
wird fortgesetzt
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1
Jah
r
2
Jah
r
3
Jah
r
4
Jah
r Bemerkung
Arbeitspaket 5 Erarbeitung von Starkregen Gefahrenkarten fuumlr das Land Hessen
Uumlberpruumlfen und Anpassung von fachlichen Kriterien fuumlr die Erstellung von Starkregen-Karten Definition der Inhalte von Starkregen-Hinweiskarten Definition der Inhalte von Starkregen- Gefahrenkarten
3 Berichterstattung Arbeitspaket 3 (Teil 2) Arbeitspaket 4 und Arbeitspaket 5 (Teil1)
Arbeitspaket 6 Modell- Pilotprojekt bdquoUmgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessenldquo
Erarbeitung von Starkregen-Hinweiskarten fuumlr die ausgewaumlhlten Pilot-Einzugsgebiete Erarbeitung von Starkregen-Gefahrenkarten fuumlr die ausgewaumlhlten Pilot-Einzugsgebiete Uumlberpruumlfen der fachlichen Kriterien und Ansaumltze (Arbeitspaket 5) fuumlr die Erstellung von Starkregen-Karten Diskussion uumlber die Starkregen-Karteninhalte und Starkregen-Kartendarstellung mit den Nutzern
4 Berichterstattung Arbeitspaket 5 (Teil 2) und Arbeitspaket 6 (Abschlussbericht)
93 Beantragte Mittel
Zur Durchfuumlhrung und Erreichung der im Antrag beschriebenen Arbeitsziele werden fuumlr das
1 Projektjahr 35000 Euro
2 Projektjahr 35000 Euro
3 Projektjahr 35000 Euro
4 Projektjahr 35000 Euro
beantragt
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1160 cm
280 cm
260 cm
1000 cm
1080 cm
6300 cm280 cm
3000 cm3000 cm
3000 cm 3000 cm
1000 cm624 cm
1500deg
Kipprinne zur Simulation des Oberflaumlchenabflusses an steilen HaumlngenLaumlnge= 630 mBreite= 10 mHoumlhe= 026 mmax Neigungswinkel 45deg
variableBeregnungslaumlnge
Maszligstab 120
1000 cm
260 cm
Sohlsubstrat zur Aufnahmevon kuumlnstlichen Bewuchsstrukturen
Beregnungsanlage mit schwenkbaren Duumlsen zurvertikalen Regensimulation
Wasserkoumlrper desOberflaumlchenabflusses
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Projektskizze Umgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessen (Arbeitstitel) Januar 2015 Anlage 1
1830 cm
2625 cm
Drehpunkt
1330 cm
6300 cm
280 cm
1500deg
Maszligstab 120
Kipprinne zur Simulation des Oberflaumlchenabflusses an steilen HaumlngenLaumlnge= 630 mBreite= 10 mHoumlhe= 026 mmax Neigungswinkel 45deg
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Projektskizze Umgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessen (Arbeitstitel) Januar 2015 Seite 29
Beispiel fuumlr eine Starkregen-Hinweiskarte Stadt Nidderau
(Stufe 2) Simulation des Oberflaumlchenabflusses der potentiell gefaumlhrdeten Flaumlchen und Erstellung von Starkregen Gefahrenkarten oder Flieszligpfadkarten
Fuumlr die in Stufe 1 identifizierten gefaumlhrdeten Flaumlchen ist in der zweiten Stufe der Oberflaumlchenabfluss zu simulieren Je nach Groumlszlige des zu betrachtenden Niederschlagseinzugsgebietes oberhalb der gefaumlhrdeten Siedlungsflaumlchen und Infrastrukturen muumlssen aus der Regensammlung (vgl Abschnitt 22) konvektive Ereignisse geeigneter Dauer ausgewaumlhlt werden
Aus der instationaumlren 2D-Simulation erhaumllt man fuumlr definierte Zeitpunkte nach dem Beginn des Niederschlages folgende fuumlr das gewaumlhlte Berechnungsraster raumlumlich aufgeloumlste hydraulisch relevante Grundinformationen
Ist die Flaumlche benetzt (janein)
Wasserstand (bdquoUumlberflutungshoumlheldquo) auf der Flaumlche
Flieszligrichtung und Flieszliggeschwindigkeit auf der Flaumlche
Diese hydraulischen Grundinformationen muumlssen aufbereitet fachlich interpretiert und auf geeignete Weise dargestellt werden
FB Architektur und Bauingenieurwesen Wasserbaulaboratorium
Projektskizze Umgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessen (Arbeitstitel) Januar 2015 Seite 30
Letztlich geht es darum die Frage zu klaumlren welche Fachinformationen eine Starkregen-Gefahrenkarte beinhalten sollte
Aus der Sicht der Verfasser sollten in den Gefahrenkarten folgende hydraulische Informationen enthalten sein
Abflussrinnen und Flieszligpfade auf den Hangflaumlchen (Vervollstaumlndigung des Gewaumlssernetzes gegen Flieszligrichtung vgl auch Bild Abschnitt 4 Seite 21)
Starkregen-Gefahrenkarte mit Flieszligpfaden und Flieszligrichtung aus BWK [1]
Wassertiefenentwicklung entlang der Flieszligpfade
Flieszliggeschwindigkeiten entlang der Flieszligpfade
Diese Fachinformationen sollten zusammen mit einem fuumlr den Nutzer geeigneten Kartenhintergrund (Luftbildaufnahmen ALK topographische Karte etc) visualisiert werden
Im Rahmen der Bearbeitung der vorgeschlagenen Pilot-Einzugsgebiete (siehe Abschnitt 7) sind geeignete Inhalte und Darstellungsmoumlglichkeiten fuumlr Starkregen-Gefahrenkarten zu entwickeln
Wie auch bei den Hochwassergefahrenkarten sollte die LAWA fuumlr bundesweit einheitliche Standards der Starkregen-Gefahrenkarten Sorge tragen
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Projektskizze Umgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessen (Arbeitstitel) Januar 2015 Seite 31
7 Arbeitspaket 6 Modell- Pilotprojekt bdquoUmgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessenldquo
In einem letzten Arbeitsabschnitt sollen anhand ausgesuchter Einzugsgebiete mit Hilfe des in Abschnitt 6 vorgeschlagenen Vorgehens Starkregen-Hinweiskarten und Starkregen-Gefahrenkarten erstellt werden
Die Verwendung von Niederschlagsdaten aus Radarbeobachtungen (vgl Abschnitt 1) und der Einsatz des verbesserten Simulationsmodells (vgl Abschnitte 3 und 4) werden gegenuumlber der heutigen Praxis bessere fachliche Informationen zur Bewaumlltigung von Starkregen-Gefahrenlagen bereitstellen koumlnnen
Folgende Pilot-Einzugsgebiete in hessischen Rheingau werden zur Auswahl gestellt
Walluf (AE=281 kmsup2) Die Walluf besitzt einen Pegel (Martinsthal AE=245 kmsup2 36 km oberhalb der Muumlndung) im Einzugsgebiet An der Hochschule RheinMain steht ein Niederschlags-Abfluss Modell der Walluf zur Verfuumlgung
Erbbach Kisselbach (AE= 106 kmsup2)
Pfingstbach (AE= 84 kmsup2)
Stegbach Blaubach (AE= 127 kmsup2)
Der Hochwasserrisikomanagementplan Rheingau steht zurzeit in der oumlffentlichen Abstimmung und wird im Laufe 2015 fertig gestellt werden Nach Aussage von Frau Tremper des Regierungspraumlsidiums Darmstadt Abteilung IVWi 412 waumlre eine Ergaumlnzung des HWRM-PL Rheingau durch Starkregen-Hinweis- und -Gefahrenkarten der Rheingaubaumlche hilfreich Diese wuumlrden die im HWRM-PL Rheingau betrachteten Rhein-Hochwasserszenarien ergaumlnzen
Arbeitsziel unterstuumltzt durch Studienarbeiten Erstellung von Niederschlags- Abfluss Modellen fuumlr die Rheingaubaumlche Erbach Kisselbach Pfingstbach Stegbach Blaubach
Bei der Erstellung der Starkregen-Hinweiskarten und Starkregen-Gefahrenkarten fuumlr die Pilot-Einzugsgebiete sollen die in Abschnitt 6 weiterentwickelten Ansaumltze erprobt und die Karteninhalte mit den spaumlteren Nutzern diskutiert werden Dabei sollen insbesondere die Kartendarstellung und deren Inhalte den jeweiligen fachlichen Beduumlrfnissen entsprechen
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Projektskizze Umgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessen (Arbeitstitel) Januar 2015 Seite 32
8 Literatur und Quellen
[1] Bund der Ingenieure fuumlr Wasserwirtschaft Abfallwirtschaft und Kulturbau (BWK) eV (Hrsg)(2013) Starkregen und urbane Sturzfluten Praxisleitfaden zur Uumlberflutungsvorsorge BWK-Fachinformation Ausgabe Juli 2013 Band 12013 Sindelfingen
[2] BUREK P THIELEN-DEL POZO J THIEMIG V SALAMON P DE ROO A (2011) Das Europaumlische Hochwasserfruumlhwarnsystem (EFAS) In DWA (Hrsg) Fachbeitraumlge Korrespondenz Wasserwirtschaft Ispra (Italien)
[3] Deutsche Bundesstiftung Umwelt (Hrsg)(2002) Innovativer Ansatz eines vorbeugenden Hochwasserschutzes durch dezentrale Maszlignahmen im Bereich der Siedlungswasserwirtschaft sowie der Landwirtschaft im Einzugsgebiet der Lausitzer Neiszlige Endbericht Universitaumlt Hannover
[4] Deutscher Wetterdienst (DWD) Abteilung Hydrometeorologie (Hrsg)(2004) Projekt RADOLAN Routineverfahren zur Online-Aneichung der Radarniederschlagsdaten mit Hilfe von automatisierten Bodenniederschlagsstationen (Ombrometer)
[5] Deutscher Wetterdienst (DWD) Abteilung Hydrometeorologie (Hrsg)(2011) RADOLANRADVOR-OP Beschreibung des Kompositformats Version 222
[6] Deutscher Wetterdienst (DWD) (Hrsg)(2008) Radarniederschlag-Prinzip der Niederschlagsbestimmung mit Radar inklusive Umrechnung der Radarreflektivitaumlten in Momentanwerte des Niederschlages Version 10
[7] Deutscher Wetterdienst (DWD) Abteilung Hydrometeorologie (Hrsg)(2005) Projekt RADVOR-OP
[8] Deutscher Wetterdienst (DWD) Abteilung Hydrometeorologie (Hrsg)(2012) Projekt RADVOR-OP
[9] DWA Regelwerk Arbeitsblatt DWA-A 531(2012) Starkregen in Abhaumlngigkeit von Wiederkehrintervall und Dauer
[10] DWA Regelwerk Arbeitsblatt DWA-A 118 (2006) Hydraulische Bemessung und Nachweis von Entwaumlsserungssystemen
[11] DWA Regelwerk Merkblatt DWA-M 153 (2007) Handlungsempfehlungen zum Umgang mit Regenwasser
[12] DWA Kommentar zum DWA Regelwerk (2008) Planung Bau und Betrieb von Anlagen zur Versickerung von Niederschlagswasser
[13] DWA Themen (2010) Abfluumlsse aus extremen Niederschlaumlgen Ergebnisse einer Bestandsaufnahme Hochwasserereignisse und Modellansaumltze zu ihrer Abbildung
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Projektskizze Umgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessen (Arbeitstitel) Januar 2015 Seite 33
[14] DWA-Arbeitsgruppe ES-26 (2008) Abfluumlsse aus Auszligengebieten der Kanalisation Arbeitsbericht
[15] EHRET U (2003) Rainfall and flood nowcasting in small catchments using weather radar In Universitaumlt Stuttgart Institut fuumlr Wasserbau (Hrsg) Mitteilungen - Institut fuumlr Wasserbau Universitaumlt Stuttgart 121
[16] FUumlRST J (2004) GIS in Hydrologie und Wasserwirtschaft Herbert Wichmann Verlag
[17] GONSOWSKI P (1987) Der Einfluss der Bodenluftkompression auf die vertikale Infiltration von Wasser in Sanden Wasserbaumitteilungen Heft 28 Institut fuumlr Wasserbau TH Darmstadt
[18] HATZFELD F (2010) Sturzfluten in urbanen Gebieten Vorsorge ist moumlglich In DWA (Hrsg) Fachbeitraumlge Korrespondenz Wasserwirtschaft Aachen
[19] HOCHSCHILD J (2008) Hydrologische Charakterisierung des alpinen Einzugsgebietes der Dornbirner Ache Diplomarbeit Institut fuumlr Hydrologie Universitaumlt Freiburg i Br
[20] HOFFMANN P (2009) Modifikation von Starkniederschlaumlgen durch urbane Gebiete Diplomarbeit Meteorologisches Institut Department Geowissenschaften Universitaumlt Hamburg
[21] Hydrotec Ingenieurgesellschaft fuumlr Wasser und Umwelt mbH Fachhochschule Aachen DWD (2008) Vorhersage und Management von Sturzfluten in urbanen Gebieten (URBAS) In Bundesministerium fuumlr Bildung und Forschung (Hrsg) Foumlrderprogramm des BMBF Aachen
[22] Hydrotec Ingenieurgesellschaft fuumlr Wasser und Umwelt mbH Fachhochschule Aachen DWD (2008) Ergebnisse des Forschungsvorhabens In Bundesministerium fuumlr Bildung und Forschung (Hrsg) Foumlrderprogramm des BMBF Aachen
[23] IHK Rhein-Neckar (2011) Starkregen ndash Auswirkungen und Anpassungsstrategien 8Hochwasserschutzforum in der Metropolregion Rhein-Neckar In Schriftenreihe des Verbandes Region Rhein-Neckar Heft 9
[24] KEIL C (2000) Numerische Simulation von Starkniederschlagsereignissen mit mesoskaligen Wettervorhersagemodellen Dissertation Institut fuumlr Physik und Atmosphaumlre Universitaumlt Muumlnchen
[25] KIPFER A KIENHOLZ C LIENER S (2012) Ein neuer Ansatz zur Modellierung von Oberflaumlchenabfluss 12 Kongress INTERPRAEVENT GrenobleFrankreich
[26] Kommission Reinhaltung der Luft im VDI und DIN-Normenausschuss KRdL (2014) Wetterradar-Anwendungen fuumlr die Wasserwirtschaft In VDI-Expertenforum Offenbach
FB Architektur und Bauingenieurwesen Wasserbaulaboratorium
Projektskizze Umgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessen (Arbeitstitel) Januar 2015 Seite 34
[27] KORNDOumlRFER C SEIFERT J KROLL H FUHRMANN L (2000) Hydrologie und Wasserbewirtschaftung Ziele und Planungsgrundlagen einer naturnahen Regenwasserbewirtschaftung in Dresden In DWA (Hrsg) KA AbwasserAbfall Dresden
[28] KRAumlMER S VERWORN H-R TREIS A PFISTER A BECKER M (2009) Korrektur von C-Band-Radardaten fuumlr die Niederschlags-Abfluss-Modellierung Grundlagen Algorithmen und Verifikation In DWA (Hrsg) Fachbeitraumlge Korrespondenz Wasserwirtschaft Essen Hannover
[29] LANG P (2003) CONRAD In DWD (Hrsg)
[30] LEMPERT M (2000) Ein GIS gekoppeltes rasterbasiertes Modell zur Berechnung des Wasserhaushaltes kleiner Einzugsgebiete In Wasserbaumitteilungen Heft 110 Institut fuumlr Wasserbau und Wasserwirtschaft TU Darmstadt
[31] MARX A (2006) Einsatz gekoppelter Modelle und Wetterradar zur Abschaumltzung von Niederschlagsintensitaumlten und zur Abflussvorhersage In Universitaumlt Stuttgart Institut fuumlr Wasserbau (Hrsg) Mitteilungen - Institut fuumlr Wasserbau Universitaumlt Stuttgart 160
[32] Ministerium fuumlr Umwelt und Forsten Rheinland Pfalz (2000) Naturnaher Umgang mit Niederschlagswasser Konzeption und ausgefuumlhrte Beispiele Mainz
[33] PEUszligNER J (2013) Untersuchung der Nutzbarkeit von zeitlich hoch aufgeloumlsten Radardaten des Niederschlags zur verbesserten Simulation des Bodenabtrags durch Wasser Masterarbeit Institut fuumlr Physische Geographie und Landschaftsoumlkologie Universitaumlt Hannover
[34] PFAFF T (2012) Processing and Analysis of Weather Radar Data for Use in Hydrologie In Universitaumlt Stuttgart Institut fuumlr Wasser- und Umweltsystemmodellierung (Hrsg) Mitteilungen - Institut fuumlr Wasser- und Umweltsystemmodellierung Universitaumlt Stuttgart 216
[35] PLATE E J ZEHE E (Hrsg)(2008) Hydrologie und Stoffdynamik kleiner Einzugsgebiete Prozesse und Modelle Verlagsbuchhandlung Schweizerbart
[36] SCHATZL R (2001) Skalenabhaumlngiger Vergleich zwischen Wetterradardaten und Niederschlagsmessungen In TU Graz (Hrsg) Schriftenreihe zur Wasserwirtschaft Technische Universitaumlt Graz 39
[37] SCHAumlDEL W (2006) Schritte zur Verbesserung einer Hochwasserfruumlhwarnung mittels Online-Bodenfeuchtemessungen Dissertation Universitaumlt Karlsruhe (TH)
[38] SCHMALZL K (2014) Sturzfluten hydrodynamisch numerisch mit HYDRO-AS-2D berechnen Wasserwirtschaftsamt Rosenheim
[39] Stadt Graz (2013) Flieszligpfadkarte Graz
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Projektskizze Umgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessen (Arbeitstitel) Januar 2015 Seite 35
[40] THUNIG S (2004) Berechnung der Hochwasserscheitelminderung der Windach am Auslass des Windachspeichers durch den Bau zweier geplanter Retentionsbecken Diplomarbeit Institut fuumlr Wasserwesen Universitaumlt der Bundeswehr Muumlnchen
[41] Verein Deutscher Ingenieure (2014) Umweltmeteorologie Bodengebundene Fernmessung des Niederschlags Wetterradar In VDI-Richtlinien
[42] WETZEL M (2005) Modellierung der Hangwasserdynamik eines Untersuchungsgebietes im Nationalpark Hainich mit dem Modell HYDRUS-2D Diplomarbeit Universitaumlt Jena
[43] WINTERRATH T Dr WEIGL E (2012) RADOLAN RADVOR-OP und die RADOLAN-Klimatologie Status und Plaumlne In DWD (Hrsg) DWD-Kundenforum Hydrometeorologie Offenbach
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Projektskizze Umgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessen (Arbeitstitel) Januar 2015 Seite 36
9 Allgemeine Informationen Zeitplan und Ressourcen
91 Allgemeine Informationen
Antragsteller Prof Dr-Ing Ernesto Ruiz Rodriguez Wasserbaulaboratorium am Fachbereich Architektur und Bauingenieurwesen Hochschule RheinMain Kurt-Schumacher-Ring 18 65197 Wiesbaden
Projektbearbeiter Arbeitsgruppe bdquoStarkregen und Sturzflutenldquo am Wasserbaulaboratorium Prof Dr-Ing Ernesto Ruiz Rodriguez (Projektleitung) BEng Lisa Trost (Projektbearbeitung) Frank Salffner (Vermessungstechniker Laborant am Wasserbaulaboratorium und in der EDV- Arbeitsgruppe des Fachbereichs) Die Arbeitsziele werden durch Studienarbeiten des Master- Studienganges bdquoUmweltmanagement und Stadtplanung in Ballungsraumlumenldquo (UMSB) unterstuumltzt
Partnerschaften Kooperationspartner Prof Dr Ralf Doumlrner Hochschule RheinMain
FG Graphische Datenverarbeitung und Virtuelle Realitaumlt Prof Dr Robert Seuszlig Fachhochschule Frankfurt FG Geoinformation und Kommunaltechnik Berufsfeuerwehr Wiesbaden Dr Andreacute Assmann Fa Geomer Heidelberg
gewuumlnschte Zusammenarbeit Deutscher Wetterdienst Abt Hydrometeorologie Projektdauer 4 Jahre (vgl 92 Zeitplan) Eigenmittel Projektleitung durch Prof Dr E Ruiz Rodriguez
Nutzung der Einrichtungen des Wasserbaulaboratoriums der Hochschule RheinMain Unterstuumltzung bei Laborarbeiten und EDV Infrastruktur durch Frank Salffner
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Projektskizze Umgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessen (Arbeitstitel) Januar 2015 Seite 37
92 Zeitplan
1
Jah
r
2
Jah
r
3
Jah
r
4
Jah
r Bemerkung
Arbeitspaket 1 Verwendung von Radardaten zur Simulation von Starkregen Sturzfluten fuumlr kleine Einzugsgebiete
Beginn der Arbeiten
Klaumlrung der Verfuumlgbarkeit von Radarniederschlagsdaten (fuumlr Modellierer Ingenieurbuumlros)
Aufwand zur Nutzung und Aufbereitung von Radarniederschlagsdaten fuumlr Modellierer Ingenieurbuumlros Erstellung eines Werkzeugs zur Visualisierung der archivierten und aktuellen Radarniederschlagsdaten Erstellung eines Werkzeugs zur Transformation und Projektion der DWD-RADOLAN-RW und RY-Komposit-Radarniederschlagsdaten in Gauszlig-Kruumlger undoder UTM-Projektion Erstellung eines GIS Werkzeugs zur Aufbereitung der DWD-RADOLAN-Komposit-Raster zur Simulation von Starkregen in kleinen Einzugsgebieten
1 Berichterstattung Arbeitspaket 1 (Teil 1)
Auswertung der RADOLAN Radarniederschlagsdaten des DWD
Praxisseminar Kolloquium bdquoVerwendung von Radardaten zur Simulation von Starkregen Sturzfluten in Hessenldquo
Arbeitspaket 2 Uumlberpruumlfung und Anpassung von Modellansaumltze zur Ermittlung des abflusswirksamen Niederschlages bei Starkregen
Uumlberpruumlfung und Anpassung der Modellansaumltze zur Ermittlung des abflusswirksamen Niederschlages bei Starkniederschlaumlgen unter besonderer Beruumlcksichtigung von Bodenfeuchte und Bodenluftkompressionseffekten
Arbeitspaket 3 Uumlberpruumlfung und Anpassung der hydraulischen Ansaumltze zur Berechnung des Oberflaumlchenabflusses bei Starkregen Sturzfluten an steilen Haumlngen
Bau der Versuchsrinne am Wasserbaulaboratorium Durchfuumlhrung und Auswertung der Versuche Uumlberpruumlfung und Anpassung der hydraulischen Ansaumltze zur Berechnung des Oberflaumlchenabflusses
2 Berichterstattung Arbeitspaket 2 und Arbeitspaket 3 (Teil1)
Arbeitspaket 4 Instationaumlre 2ndashdimensionale Modellierung des Oberflaumlchenabflusses bei Starkniederschlaumlgen
Anpassen des 2-dimensionallen Modelles auf instationaumlre Niederschlagsfronten Schnittstelle zu DWD RADOLAN Komposite Einarbeiten der verbesserten Ansaumltze zu Berechnung des abflusswirksamen Niederschlages bei Starkniederschlaumlgen Einarbeiten der verbesserten hydraulischen Ansaumltze
wird fortgesetzt
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Projektskizze Umgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessen (Arbeitstitel) Januar 2015 Seite 38
1
Jah
r
2
Jah
r
3
Jah
r
4
Jah
r Bemerkung
Arbeitspaket 5 Erarbeitung von Starkregen Gefahrenkarten fuumlr das Land Hessen
Uumlberpruumlfen und Anpassung von fachlichen Kriterien fuumlr die Erstellung von Starkregen-Karten Definition der Inhalte von Starkregen-Hinweiskarten Definition der Inhalte von Starkregen- Gefahrenkarten
3 Berichterstattung Arbeitspaket 3 (Teil 2) Arbeitspaket 4 und Arbeitspaket 5 (Teil1)
Arbeitspaket 6 Modell- Pilotprojekt bdquoUmgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessenldquo
Erarbeitung von Starkregen-Hinweiskarten fuumlr die ausgewaumlhlten Pilot-Einzugsgebiete Erarbeitung von Starkregen-Gefahrenkarten fuumlr die ausgewaumlhlten Pilot-Einzugsgebiete Uumlberpruumlfen der fachlichen Kriterien und Ansaumltze (Arbeitspaket 5) fuumlr die Erstellung von Starkregen-Karten Diskussion uumlber die Starkregen-Karteninhalte und Starkregen-Kartendarstellung mit den Nutzern
4 Berichterstattung Arbeitspaket 5 (Teil 2) und Arbeitspaket 6 (Abschlussbericht)
93 Beantragte Mittel
Zur Durchfuumlhrung und Erreichung der im Antrag beschriebenen Arbeitsziele werden fuumlr das
1 Projektjahr 35000 Euro
2 Projektjahr 35000 Euro
3 Projektjahr 35000 Euro
4 Projektjahr 35000 Euro
beantragt
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Projektskizze Umgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessen (Arbeitstitel) Januar 2015 Anlage 1
1160 cm
280 cm
260 cm
1000 cm
1080 cm
6300 cm280 cm
3000 cm3000 cm
3000 cm 3000 cm
1000 cm624 cm
1500deg
Kipprinne zur Simulation des Oberflaumlchenabflusses an steilen HaumlngenLaumlnge= 630 mBreite= 10 mHoumlhe= 026 mmax Neigungswinkel 45deg
variableBeregnungslaumlnge
Maszligstab 120
1000 cm
260 cm
Sohlsubstrat zur Aufnahmevon kuumlnstlichen Bewuchsstrukturen
Beregnungsanlage mit schwenkbaren Duumlsen zurvertikalen Regensimulation
Wasserkoumlrper desOberflaumlchenabflusses
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Projektskizze Umgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessen (Arbeitstitel) Januar 2015 Anlage 1
1830 cm
2625 cm
Drehpunkt
1330 cm
6300 cm
280 cm
1500deg
Maszligstab 120
Kipprinne zur Simulation des Oberflaumlchenabflusses an steilen HaumlngenLaumlnge= 630 mBreite= 10 mHoumlhe= 026 mmax Neigungswinkel 45deg
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Projektskizze Umgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessen (Arbeitstitel) Januar 2015 Seite 30
Letztlich geht es darum die Frage zu klaumlren welche Fachinformationen eine Starkregen-Gefahrenkarte beinhalten sollte
Aus der Sicht der Verfasser sollten in den Gefahrenkarten folgende hydraulische Informationen enthalten sein
Abflussrinnen und Flieszligpfade auf den Hangflaumlchen (Vervollstaumlndigung des Gewaumlssernetzes gegen Flieszligrichtung vgl auch Bild Abschnitt 4 Seite 21)
Starkregen-Gefahrenkarte mit Flieszligpfaden und Flieszligrichtung aus BWK [1]
Wassertiefenentwicklung entlang der Flieszligpfade
Flieszliggeschwindigkeiten entlang der Flieszligpfade
Diese Fachinformationen sollten zusammen mit einem fuumlr den Nutzer geeigneten Kartenhintergrund (Luftbildaufnahmen ALK topographische Karte etc) visualisiert werden
Im Rahmen der Bearbeitung der vorgeschlagenen Pilot-Einzugsgebiete (siehe Abschnitt 7) sind geeignete Inhalte und Darstellungsmoumlglichkeiten fuumlr Starkregen-Gefahrenkarten zu entwickeln
Wie auch bei den Hochwassergefahrenkarten sollte die LAWA fuumlr bundesweit einheitliche Standards der Starkregen-Gefahrenkarten Sorge tragen
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7 Arbeitspaket 6 Modell- Pilotprojekt bdquoUmgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessenldquo
In einem letzten Arbeitsabschnitt sollen anhand ausgesuchter Einzugsgebiete mit Hilfe des in Abschnitt 6 vorgeschlagenen Vorgehens Starkregen-Hinweiskarten und Starkregen-Gefahrenkarten erstellt werden
Die Verwendung von Niederschlagsdaten aus Radarbeobachtungen (vgl Abschnitt 1) und der Einsatz des verbesserten Simulationsmodells (vgl Abschnitte 3 und 4) werden gegenuumlber der heutigen Praxis bessere fachliche Informationen zur Bewaumlltigung von Starkregen-Gefahrenlagen bereitstellen koumlnnen
Folgende Pilot-Einzugsgebiete in hessischen Rheingau werden zur Auswahl gestellt
Walluf (AE=281 kmsup2) Die Walluf besitzt einen Pegel (Martinsthal AE=245 kmsup2 36 km oberhalb der Muumlndung) im Einzugsgebiet An der Hochschule RheinMain steht ein Niederschlags-Abfluss Modell der Walluf zur Verfuumlgung
Erbbach Kisselbach (AE= 106 kmsup2)
Pfingstbach (AE= 84 kmsup2)
Stegbach Blaubach (AE= 127 kmsup2)
Der Hochwasserrisikomanagementplan Rheingau steht zurzeit in der oumlffentlichen Abstimmung und wird im Laufe 2015 fertig gestellt werden Nach Aussage von Frau Tremper des Regierungspraumlsidiums Darmstadt Abteilung IVWi 412 waumlre eine Ergaumlnzung des HWRM-PL Rheingau durch Starkregen-Hinweis- und -Gefahrenkarten der Rheingaubaumlche hilfreich Diese wuumlrden die im HWRM-PL Rheingau betrachteten Rhein-Hochwasserszenarien ergaumlnzen
Arbeitsziel unterstuumltzt durch Studienarbeiten Erstellung von Niederschlags- Abfluss Modellen fuumlr die Rheingaubaumlche Erbach Kisselbach Pfingstbach Stegbach Blaubach
Bei der Erstellung der Starkregen-Hinweiskarten und Starkregen-Gefahrenkarten fuumlr die Pilot-Einzugsgebiete sollen die in Abschnitt 6 weiterentwickelten Ansaumltze erprobt und die Karteninhalte mit den spaumlteren Nutzern diskutiert werden Dabei sollen insbesondere die Kartendarstellung und deren Inhalte den jeweiligen fachlichen Beduumlrfnissen entsprechen
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Projektskizze Umgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessen (Arbeitstitel) Januar 2015 Seite 32
8 Literatur und Quellen
[1] Bund der Ingenieure fuumlr Wasserwirtschaft Abfallwirtschaft und Kulturbau (BWK) eV (Hrsg)(2013) Starkregen und urbane Sturzfluten Praxisleitfaden zur Uumlberflutungsvorsorge BWK-Fachinformation Ausgabe Juli 2013 Band 12013 Sindelfingen
[2] BUREK P THIELEN-DEL POZO J THIEMIG V SALAMON P DE ROO A (2011) Das Europaumlische Hochwasserfruumlhwarnsystem (EFAS) In DWA (Hrsg) Fachbeitraumlge Korrespondenz Wasserwirtschaft Ispra (Italien)
[3] Deutsche Bundesstiftung Umwelt (Hrsg)(2002) Innovativer Ansatz eines vorbeugenden Hochwasserschutzes durch dezentrale Maszlignahmen im Bereich der Siedlungswasserwirtschaft sowie der Landwirtschaft im Einzugsgebiet der Lausitzer Neiszlige Endbericht Universitaumlt Hannover
[4] Deutscher Wetterdienst (DWD) Abteilung Hydrometeorologie (Hrsg)(2004) Projekt RADOLAN Routineverfahren zur Online-Aneichung der Radarniederschlagsdaten mit Hilfe von automatisierten Bodenniederschlagsstationen (Ombrometer)
[5] Deutscher Wetterdienst (DWD) Abteilung Hydrometeorologie (Hrsg)(2011) RADOLANRADVOR-OP Beschreibung des Kompositformats Version 222
[6] Deutscher Wetterdienst (DWD) (Hrsg)(2008) Radarniederschlag-Prinzip der Niederschlagsbestimmung mit Radar inklusive Umrechnung der Radarreflektivitaumlten in Momentanwerte des Niederschlages Version 10
[7] Deutscher Wetterdienst (DWD) Abteilung Hydrometeorologie (Hrsg)(2005) Projekt RADVOR-OP
[8] Deutscher Wetterdienst (DWD) Abteilung Hydrometeorologie (Hrsg)(2012) Projekt RADVOR-OP
[9] DWA Regelwerk Arbeitsblatt DWA-A 531(2012) Starkregen in Abhaumlngigkeit von Wiederkehrintervall und Dauer
[10] DWA Regelwerk Arbeitsblatt DWA-A 118 (2006) Hydraulische Bemessung und Nachweis von Entwaumlsserungssystemen
[11] DWA Regelwerk Merkblatt DWA-M 153 (2007) Handlungsempfehlungen zum Umgang mit Regenwasser
[12] DWA Kommentar zum DWA Regelwerk (2008) Planung Bau und Betrieb von Anlagen zur Versickerung von Niederschlagswasser
[13] DWA Themen (2010) Abfluumlsse aus extremen Niederschlaumlgen Ergebnisse einer Bestandsaufnahme Hochwasserereignisse und Modellansaumltze zu ihrer Abbildung
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Projektskizze Umgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessen (Arbeitstitel) Januar 2015 Seite 33
[14] DWA-Arbeitsgruppe ES-26 (2008) Abfluumlsse aus Auszligengebieten der Kanalisation Arbeitsbericht
[15] EHRET U (2003) Rainfall and flood nowcasting in small catchments using weather radar In Universitaumlt Stuttgart Institut fuumlr Wasserbau (Hrsg) Mitteilungen - Institut fuumlr Wasserbau Universitaumlt Stuttgart 121
[16] FUumlRST J (2004) GIS in Hydrologie und Wasserwirtschaft Herbert Wichmann Verlag
[17] GONSOWSKI P (1987) Der Einfluss der Bodenluftkompression auf die vertikale Infiltration von Wasser in Sanden Wasserbaumitteilungen Heft 28 Institut fuumlr Wasserbau TH Darmstadt
[18] HATZFELD F (2010) Sturzfluten in urbanen Gebieten Vorsorge ist moumlglich In DWA (Hrsg) Fachbeitraumlge Korrespondenz Wasserwirtschaft Aachen
[19] HOCHSCHILD J (2008) Hydrologische Charakterisierung des alpinen Einzugsgebietes der Dornbirner Ache Diplomarbeit Institut fuumlr Hydrologie Universitaumlt Freiburg i Br
[20] HOFFMANN P (2009) Modifikation von Starkniederschlaumlgen durch urbane Gebiete Diplomarbeit Meteorologisches Institut Department Geowissenschaften Universitaumlt Hamburg
[21] Hydrotec Ingenieurgesellschaft fuumlr Wasser und Umwelt mbH Fachhochschule Aachen DWD (2008) Vorhersage und Management von Sturzfluten in urbanen Gebieten (URBAS) In Bundesministerium fuumlr Bildung und Forschung (Hrsg) Foumlrderprogramm des BMBF Aachen
[22] Hydrotec Ingenieurgesellschaft fuumlr Wasser und Umwelt mbH Fachhochschule Aachen DWD (2008) Ergebnisse des Forschungsvorhabens In Bundesministerium fuumlr Bildung und Forschung (Hrsg) Foumlrderprogramm des BMBF Aachen
[23] IHK Rhein-Neckar (2011) Starkregen ndash Auswirkungen und Anpassungsstrategien 8Hochwasserschutzforum in der Metropolregion Rhein-Neckar In Schriftenreihe des Verbandes Region Rhein-Neckar Heft 9
[24] KEIL C (2000) Numerische Simulation von Starkniederschlagsereignissen mit mesoskaligen Wettervorhersagemodellen Dissertation Institut fuumlr Physik und Atmosphaumlre Universitaumlt Muumlnchen
[25] KIPFER A KIENHOLZ C LIENER S (2012) Ein neuer Ansatz zur Modellierung von Oberflaumlchenabfluss 12 Kongress INTERPRAEVENT GrenobleFrankreich
[26] Kommission Reinhaltung der Luft im VDI und DIN-Normenausschuss KRdL (2014) Wetterradar-Anwendungen fuumlr die Wasserwirtschaft In VDI-Expertenforum Offenbach
FB Architektur und Bauingenieurwesen Wasserbaulaboratorium
Projektskizze Umgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessen (Arbeitstitel) Januar 2015 Seite 34
[27] KORNDOumlRFER C SEIFERT J KROLL H FUHRMANN L (2000) Hydrologie und Wasserbewirtschaftung Ziele und Planungsgrundlagen einer naturnahen Regenwasserbewirtschaftung in Dresden In DWA (Hrsg) KA AbwasserAbfall Dresden
[28] KRAumlMER S VERWORN H-R TREIS A PFISTER A BECKER M (2009) Korrektur von C-Band-Radardaten fuumlr die Niederschlags-Abfluss-Modellierung Grundlagen Algorithmen und Verifikation In DWA (Hrsg) Fachbeitraumlge Korrespondenz Wasserwirtschaft Essen Hannover
[29] LANG P (2003) CONRAD In DWD (Hrsg)
[30] LEMPERT M (2000) Ein GIS gekoppeltes rasterbasiertes Modell zur Berechnung des Wasserhaushaltes kleiner Einzugsgebiete In Wasserbaumitteilungen Heft 110 Institut fuumlr Wasserbau und Wasserwirtschaft TU Darmstadt
[31] MARX A (2006) Einsatz gekoppelter Modelle und Wetterradar zur Abschaumltzung von Niederschlagsintensitaumlten und zur Abflussvorhersage In Universitaumlt Stuttgart Institut fuumlr Wasserbau (Hrsg) Mitteilungen - Institut fuumlr Wasserbau Universitaumlt Stuttgart 160
[32] Ministerium fuumlr Umwelt und Forsten Rheinland Pfalz (2000) Naturnaher Umgang mit Niederschlagswasser Konzeption und ausgefuumlhrte Beispiele Mainz
[33] PEUszligNER J (2013) Untersuchung der Nutzbarkeit von zeitlich hoch aufgeloumlsten Radardaten des Niederschlags zur verbesserten Simulation des Bodenabtrags durch Wasser Masterarbeit Institut fuumlr Physische Geographie und Landschaftsoumlkologie Universitaumlt Hannover
[34] PFAFF T (2012) Processing and Analysis of Weather Radar Data for Use in Hydrologie In Universitaumlt Stuttgart Institut fuumlr Wasser- und Umweltsystemmodellierung (Hrsg) Mitteilungen - Institut fuumlr Wasser- und Umweltsystemmodellierung Universitaumlt Stuttgart 216
[35] PLATE E J ZEHE E (Hrsg)(2008) Hydrologie und Stoffdynamik kleiner Einzugsgebiete Prozesse und Modelle Verlagsbuchhandlung Schweizerbart
[36] SCHATZL R (2001) Skalenabhaumlngiger Vergleich zwischen Wetterradardaten und Niederschlagsmessungen In TU Graz (Hrsg) Schriftenreihe zur Wasserwirtschaft Technische Universitaumlt Graz 39
[37] SCHAumlDEL W (2006) Schritte zur Verbesserung einer Hochwasserfruumlhwarnung mittels Online-Bodenfeuchtemessungen Dissertation Universitaumlt Karlsruhe (TH)
[38] SCHMALZL K (2014) Sturzfluten hydrodynamisch numerisch mit HYDRO-AS-2D berechnen Wasserwirtschaftsamt Rosenheim
[39] Stadt Graz (2013) Flieszligpfadkarte Graz
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Projektskizze Umgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessen (Arbeitstitel) Januar 2015 Seite 35
[40] THUNIG S (2004) Berechnung der Hochwasserscheitelminderung der Windach am Auslass des Windachspeichers durch den Bau zweier geplanter Retentionsbecken Diplomarbeit Institut fuumlr Wasserwesen Universitaumlt der Bundeswehr Muumlnchen
[41] Verein Deutscher Ingenieure (2014) Umweltmeteorologie Bodengebundene Fernmessung des Niederschlags Wetterradar In VDI-Richtlinien
[42] WETZEL M (2005) Modellierung der Hangwasserdynamik eines Untersuchungsgebietes im Nationalpark Hainich mit dem Modell HYDRUS-2D Diplomarbeit Universitaumlt Jena
[43] WINTERRATH T Dr WEIGL E (2012) RADOLAN RADVOR-OP und die RADOLAN-Klimatologie Status und Plaumlne In DWD (Hrsg) DWD-Kundenforum Hydrometeorologie Offenbach
FB Architektur und Bauingenieurwesen Wasserbaulaboratorium
Projektskizze Umgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessen (Arbeitstitel) Januar 2015 Seite 36
9 Allgemeine Informationen Zeitplan und Ressourcen
91 Allgemeine Informationen
Antragsteller Prof Dr-Ing Ernesto Ruiz Rodriguez Wasserbaulaboratorium am Fachbereich Architektur und Bauingenieurwesen Hochschule RheinMain Kurt-Schumacher-Ring 18 65197 Wiesbaden
Projektbearbeiter Arbeitsgruppe bdquoStarkregen und Sturzflutenldquo am Wasserbaulaboratorium Prof Dr-Ing Ernesto Ruiz Rodriguez (Projektleitung) BEng Lisa Trost (Projektbearbeitung) Frank Salffner (Vermessungstechniker Laborant am Wasserbaulaboratorium und in der EDV- Arbeitsgruppe des Fachbereichs) Die Arbeitsziele werden durch Studienarbeiten des Master- Studienganges bdquoUmweltmanagement und Stadtplanung in Ballungsraumlumenldquo (UMSB) unterstuumltzt
Partnerschaften Kooperationspartner Prof Dr Ralf Doumlrner Hochschule RheinMain
FG Graphische Datenverarbeitung und Virtuelle Realitaumlt Prof Dr Robert Seuszlig Fachhochschule Frankfurt FG Geoinformation und Kommunaltechnik Berufsfeuerwehr Wiesbaden Dr Andreacute Assmann Fa Geomer Heidelberg
gewuumlnschte Zusammenarbeit Deutscher Wetterdienst Abt Hydrometeorologie Projektdauer 4 Jahre (vgl 92 Zeitplan) Eigenmittel Projektleitung durch Prof Dr E Ruiz Rodriguez
Nutzung der Einrichtungen des Wasserbaulaboratoriums der Hochschule RheinMain Unterstuumltzung bei Laborarbeiten und EDV Infrastruktur durch Frank Salffner
FB Architektur und Bauingenieurwesen Wasserbaulaboratorium
Projektskizze Umgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessen (Arbeitstitel) Januar 2015 Seite 37
92 Zeitplan
1
Jah
r
2
Jah
r
3
Jah
r
4
Jah
r Bemerkung
Arbeitspaket 1 Verwendung von Radardaten zur Simulation von Starkregen Sturzfluten fuumlr kleine Einzugsgebiete
Beginn der Arbeiten
Klaumlrung der Verfuumlgbarkeit von Radarniederschlagsdaten (fuumlr Modellierer Ingenieurbuumlros)
Aufwand zur Nutzung und Aufbereitung von Radarniederschlagsdaten fuumlr Modellierer Ingenieurbuumlros Erstellung eines Werkzeugs zur Visualisierung der archivierten und aktuellen Radarniederschlagsdaten Erstellung eines Werkzeugs zur Transformation und Projektion der DWD-RADOLAN-RW und RY-Komposit-Radarniederschlagsdaten in Gauszlig-Kruumlger undoder UTM-Projektion Erstellung eines GIS Werkzeugs zur Aufbereitung der DWD-RADOLAN-Komposit-Raster zur Simulation von Starkregen in kleinen Einzugsgebieten
1 Berichterstattung Arbeitspaket 1 (Teil 1)
Auswertung der RADOLAN Radarniederschlagsdaten des DWD
Praxisseminar Kolloquium bdquoVerwendung von Radardaten zur Simulation von Starkregen Sturzfluten in Hessenldquo
Arbeitspaket 2 Uumlberpruumlfung und Anpassung von Modellansaumltze zur Ermittlung des abflusswirksamen Niederschlages bei Starkregen
Uumlberpruumlfung und Anpassung der Modellansaumltze zur Ermittlung des abflusswirksamen Niederschlages bei Starkniederschlaumlgen unter besonderer Beruumlcksichtigung von Bodenfeuchte und Bodenluftkompressionseffekten
Arbeitspaket 3 Uumlberpruumlfung und Anpassung der hydraulischen Ansaumltze zur Berechnung des Oberflaumlchenabflusses bei Starkregen Sturzfluten an steilen Haumlngen
Bau der Versuchsrinne am Wasserbaulaboratorium Durchfuumlhrung und Auswertung der Versuche Uumlberpruumlfung und Anpassung der hydraulischen Ansaumltze zur Berechnung des Oberflaumlchenabflusses
2 Berichterstattung Arbeitspaket 2 und Arbeitspaket 3 (Teil1)
Arbeitspaket 4 Instationaumlre 2ndashdimensionale Modellierung des Oberflaumlchenabflusses bei Starkniederschlaumlgen
Anpassen des 2-dimensionallen Modelles auf instationaumlre Niederschlagsfronten Schnittstelle zu DWD RADOLAN Komposite Einarbeiten der verbesserten Ansaumltze zu Berechnung des abflusswirksamen Niederschlages bei Starkniederschlaumlgen Einarbeiten der verbesserten hydraulischen Ansaumltze
wird fortgesetzt
FB Architektur und Bauingenieurwesen Wasserbaulaboratorium
Projektskizze Umgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessen (Arbeitstitel) Januar 2015 Seite 38
1
Jah
r
2
Jah
r
3
Jah
r
4
Jah
r Bemerkung
Arbeitspaket 5 Erarbeitung von Starkregen Gefahrenkarten fuumlr das Land Hessen
Uumlberpruumlfen und Anpassung von fachlichen Kriterien fuumlr die Erstellung von Starkregen-Karten Definition der Inhalte von Starkregen-Hinweiskarten Definition der Inhalte von Starkregen- Gefahrenkarten
3 Berichterstattung Arbeitspaket 3 (Teil 2) Arbeitspaket 4 und Arbeitspaket 5 (Teil1)
Arbeitspaket 6 Modell- Pilotprojekt bdquoUmgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessenldquo
Erarbeitung von Starkregen-Hinweiskarten fuumlr die ausgewaumlhlten Pilot-Einzugsgebiete Erarbeitung von Starkregen-Gefahrenkarten fuumlr die ausgewaumlhlten Pilot-Einzugsgebiete Uumlberpruumlfen der fachlichen Kriterien und Ansaumltze (Arbeitspaket 5) fuumlr die Erstellung von Starkregen-Karten Diskussion uumlber die Starkregen-Karteninhalte und Starkregen-Kartendarstellung mit den Nutzern
4 Berichterstattung Arbeitspaket 5 (Teil 2) und Arbeitspaket 6 (Abschlussbericht)
93 Beantragte Mittel
Zur Durchfuumlhrung und Erreichung der im Antrag beschriebenen Arbeitsziele werden fuumlr das
1 Projektjahr 35000 Euro
2 Projektjahr 35000 Euro
3 Projektjahr 35000 Euro
4 Projektjahr 35000 Euro
beantragt
FB Architektur und Bauingenieurwesen Wasserbaulaboratorium
Projektskizze Umgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessen (Arbeitstitel) Januar 2015 Anlage 1
1160 cm
280 cm
260 cm
1000 cm
1080 cm
6300 cm280 cm
3000 cm3000 cm
3000 cm 3000 cm
1000 cm624 cm
1500deg
Kipprinne zur Simulation des Oberflaumlchenabflusses an steilen HaumlngenLaumlnge= 630 mBreite= 10 mHoumlhe= 026 mmax Neigungswinkel 45deg
variableBeregnungslaumlnge
Maszligstab 120
1000 cm
260 cm
Sohlsubstrat zur Aufnahmevon kuumlnstlichen Bewuchsstrukturen
Beregnungsanlage mit schwenkbaren Duumlsen zurvertikalen Regensimulation
Wasserkoumlrper desOberflaumlchenabflusses
FB Architektur und Bauingenieurwesen Wasserbaulaboratorium
Projektskizze Umgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessen (Arbeitstitel) Januar 2015 Anlage 1
1830 cm
2625 cm
Drehpunkt
1330 cm
6300 cm
280 cm
1500deg
Maszligstab 120
Kipprinne zur Simulation des Oberflaumlchenabflusses an steilen HaumlngenLaumlnge= 630 mBreite= 10 mHoumlhe= 026 mmax Neigungswinkel 45deg
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Projektskizze Umgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessen (Arbeitstitel) Januar 2015 Seite 31
7 Arbeitspaket 6 Modell- Pilotprojekt bdquoUmgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessenldquo
In einem letzten Arbeitsabschnitt sollen anhand ausgesuchter Einzugsgebiete mit Hilfe des in Abschnitt 6 vorgeschlagenen Vorgehens Starkregen-Hinweiskarten und Starkregen-Gefahrenkarten erstellt werden
Die Verwendung von Niederschlagsdaten aus Radarbeobachtungen (vgl Abschnitt 1) und der Einsatz des verbesserten Simulationsmodells (vgl Abschnitte 3 und 4) werden gegenuumlber der heutigen Praxis bessere fachliche Informationen zur Bewaumlltigung von Starkregen-Gefahrenlagen bereitstellen koumlnnen
Folgende Pilot-Einzugsgebiete in hessischen Rheingau werden zur Auswahl gestellt
Walluf (AE=281 kmsup2) Die Walluf besitzt einen Pegel (Martinsthal AE=245 kmsup2 36 km oberhalb der Muumlndung) im Einzugsgebiet An der Hochschule RheinMain steht ein Niederschlags-Abfluss Modell der Walluf zur Verfuumlgung
Erbbach Kisselbach (AE= 106 kmsup2)
Pfingstbach (AE= 84 kmsup2)
Stegbach Blaubach (AE= 127 kmsup2)
Der Hochwasserrisikomanagementplan Rheingau steht zurzeit in der oumlffentlichen Abstimmung und wird im Laufe 2015 fertig gestellt werden Nach Aussage von Frau Tremper des Regierungspraumlsidiums Darmstadt Abteilung IVWi 412 waumlre eine Ergaumlnzung des HWRM-PL Rheingau durch Starkregen-Hinweis- und -Gefahrenkarten der Rheingaubaumlche hilfreich Diese wuumlrden die im HWRM-PL Rheingau betrachteten Rhein-Hochwasserszenarien ergaumlnzen
Arbeitsziel unterstuumltzt durch Studienarbeiten Erstellung von Niederschlags- Abfluss Modellen fuumlr die Rheingaubaumlche Erbach Kisselbach Pfingstbach Stegbach Blaubach
Bei der Erstellung der Starkregen-Hinweiskarten und Starkregen-Gefahrenkarten fuumlr die Pilot-Einzugsgebiete sollen die in Abschnitt 6 weiterentwickelten Ansaumltze erprobt und die Karteninhalte mit den spaumlteren Nutzern diskutiert werden Dabei sollen insbesondere die Kartendarstellung und deren Inhalte den jeweiligen fachlichen Beduumlrfnissen entsprechen
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Projektskizze Umgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessen (Arbeitstitel) Januar 2015 Seite 32
8 Literatur und Quellen
[1] Bund der Ingenieure fuumlr Wasserwirtschaft Abfallwirtschaft und Kulturbau (BWK) eV (Hrsg)(2013) Starkregen und urbane Sturzfluten Praxisleitfaden zur Uumlberflutungsvorsorge BWK-Fachinformation Ausgabe Juli 2013 Band 12013 Sindelfingen
[2] BUREK P THIELEN-DEL POZO J THIEMIG V SALAMON P DE ROO A (2011) Das Europaumlische Hochwasserfruumlhwarnsystem (EFAS) In DWA (Hrsg) Fachbeitraumlge Korrespondenz Wasserwirtschaft Ispra (Italien)
[3] Deutsche Bundesstiftung Umwelt (Hrsg)(2002) Innovativer Ansatz eines vorbeugenden Hochwasserschutzes durch dezentrale Maszlignahmen im Bereich der Siedlungswasserwirtschaft sowie der Landwirtschaft im Einzugsgebiet der Lausitzer Neiszlige Endbericht Universitaumlt Hannover
[4] Deutscher Wetterdienst (DWD) Abteilung Hydrometeorologie (Hrsg)(2004) Projekt RADOLAN Routineverfahren zur Online-Aneichung der Radarniederschlagsdaten mit Hilfe von automatisierten Bodenniederschlagsstationen (Ombrometer)
[5] Deutscher Wetterdienst (DWD) Abteilung Hydrometeorologie (Hrsg)(2011) RADOLANRADVOR-OP Beschreibung des Kompositformats Version 222
[6] Deutscher Wetterdienst (DWD) (Hrsg)(2008) Radarniederschlag-Prinzip der Niederschlagsbestimmung mit Radar inklusive Umrechnung der Radarreflektivitaumlten in Momentanwerte des Niederschlages Version 10
[7] Deutscher Wetterdienst (DWD) Abteilung Hydrometeorologie (Hrsg)(2005) Projekt RADVOR-OP
[8] Deutscher Wetterdienst (DWD) Abteilung Hydrometeorologie (Hrsg)(2012) Projekt RADVOR-OP
[9] DWA Regelwerk Arbeitsblatt DWA-A 531(2012) Starkregen in Abhaumlngigkeit von Wiederkehrintervall und Dauer
[10] DWA Regelwerk Arbeitsblatt DWA-A 118 (2006) Hydraulische Bemessung und Nachweis von Entwaumlsserungssystemen
[11] DWA Regelwerk Merkblatt DWA-M 153 (2007) Handlungsempfehlungen zum Umgang mit Regenwasser
[12] DWA Kommentar zum DWA Regelwerk (2008) Planung Bau und Betrieb von Anlagen zur Versickerung von Niederschlagswasser
[13] DWA Themen (2010) Abfluumlsse aus extremen Niederschlaumlgen Ergebnisse einer Bestandsaufnahme Hochwasserereignisse und Modellansaumltze zu ihrer Abbildung
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Projektskizze Umgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessen (Arbeitstitel) Januar 2015 Seite 33
[14] DWA-Arbeitsgruppe ES-26 (2008) Abfluumlsse aus Auszligengebieten der Kanalisation Arbeitsbericht
[15] EHRET U (2003) Rainfall and flood nowcasting in small catchments using weather radar In Universitaumlt Stuttgart Institut fuumlr Wasserbau (Hrsg) Mitteilungen - Institut fuumlr Wasserbau Universitaumlt Stuttgart 121
[16] FUumlRST J (2004) GIS in Hydrologie und Wasserwirtschaft Herbert Wichmann Verlag
[17] GONSOWSKI P (1987) Der Einfluss der Bodenluftkompression auf die vertikale Infiltration von Wasser in Sanden Wasserbaumitteilungen Heft 28 Institut fuumlr Wasserbau TH Darmstadt
[18] HATZFELD F (2010) Sturzfluten in urbanen Gebieten Vorsorge ist moumlglich In DWA (Hrsg) Fachbeitraumlge Korrespondenz Wasserwirtschaft Aachen
[19] HOCHSCHILD J (2008) Hydrologische Charakterisierung des alpinen Einzugsgebietes der Dornbirner Ache Diplomarbeit Institut fuumlr Hydrologie Universitaumlt Freiburg i Br
[20] HOFFMANN P (2009) Modifikation von Starkniederschlaumlgen durch urbane Gebiete Diplomarbeit Meteorologisches Institut Department Geowissenschaften Universitaumlt Hamburg
[21] Hydrotec Ingenieurgesellschaft fuumlr Wasser und Umwelt mbH Fachhochschule Aachen DWD (2008) Vorhersage und Management von Sturzfluten in urbanen Gebieten (URBAS) In Bundesministerium fuumlr Bildung und Forschung (Hrsg) Foumlrderprogramm des BMBF Aachen
[22] Hydrotec Ingenieurgesellschaft fuumlr Wasser und Umwelt mbH Fachhochschule Aachen DWD (2008) Ergebnisse des Forschungsvorhabens In Bundesministerium fuumlr Bildung und Forschung (Hrsg) Foumlrderprogramm des BMBF Aachen
[23] IHK Rhein-Neckar (2011) Starkregen ndash Auswirkungen und Anpassungsstrategien 8Hochwasserschutzforum in der Metropolregion Rhein-Neckar In Schriftenreihe des Verbandes Region Rhein-Neckar Heft 9
[24] KEIL C (2000) Numerische Simulation von Starkniederschlagsereignissen mit mesoskaligen Wettervorhersagemodellen Dissertation Institut fuumlr Physik und Atmosphaumlre Universitaumlt Muumlnchen
[25] KIPFER A KIENHOLZ C LIENER S (2012) Ein neuer Ansatz zur Modellierung von Oberflaumlchenabfluss 12 Kongress INTERPRAEVENT GrenobleFrankreich
[26] Kommission Reinhaltung der Luft im VDI und DIN-Normenausschuss KRdL (2014) Wetterradar-Anwendungen fuumlr die Wasserwirtschaft In VDI-Expertenforum Offenbach
FB Architektur und Bauingenieurwesen Wasserbaulaboratorium
Projektskizze Umgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessen (Arbeitstitel) Januar 2015 Seite 34
[27] KORNDOumlRFER C SEIFERT J KROLL H FUHRMANN L (2000) Hydrologie und Wasserbewirtschaftung Ziele und Planungsgrundlagen einer naturnahen Regenwasserbewirtschaftung in Dresden In DWA (Hrsg) KA AbwasserAbfall Dresden
[28] KRAumlMER S VERWORN H-R TREIS A PFISTER A BECKER M (2009) Korrektur von C-Band-Radardaten fuumlr die Niederschlags-Abfluss-Modellierung Grundlagen Algorithmen und Verifikation In DWA (Hrsg) Fachbeitraumlge Korrespondenz Wasserwirtschaft Essen Hannover
[29] LANG P (2003) CONRAD In DWD (Hrsg)
[30] LEMPERT M (2000) Ein GIS gekoppeltes rasterbasiertes Modell zur Berechnung des Wasserhaushaltes kleiner Einzugsgebiete In Wasserbaumitteilungen Heft 110 Institut fuumlr Wasserbau und Wasserwirtschaft TU Darmstadt
[31] MARX A (2006) Einsatz gekoppelter Modelle und Wetterradar zur Abschaumltzung von Niederschlagsintensitaumlten und zur Abflussvorhersage In Universitaumlt Stuttgart Institut fuumlr Wasserbau (Hrsg) Mitteilungen - Institut fuumlr Wasserbau Universitaumlt Stuttgart 160
[32] Ministerium fuumlr Umwelt und Forsten Rheinland Pfalz (2000) Naturnaher Umgang mit Niederschlagswasser Konzeption und ausgefuumlhrte Beispiele Mainz
[33] PEUszligNER J (2013) Untersuchung der Nutzbarkeit von zeitlich hoch aufgeloumlsten Radardaten des Niederschlags zur verbesserten Simulation des Bodenabtrags durch Wasser Masterarbeit Institut fuumlr Physische Geographie und Landschaftsoumlkologie Universitaumlt Hannover
[34] PFAFF T (2012) Processing and Analysis of Weather Radar Data for Use in Hydrologie In Universitaumlt Stuttgart Institut fuumlr Wasser- und Umweltsystemmodellierung (Hrsg) Mitteilungen - Institut fuumlr Wasser- und Umweltsystemmodellierung Universitaumlt Stuttgart 216
[35] PLATE E J ZEHE E (Hrsg)(2008) Hydrologie und Stoffdynamik kleiner Einzugsgebiete Prozesse und Modelle Verlagsbuchhandlung Schweizerbart
[36] SCHATZL R (2001) Skalenabhaumlngiger Vergleich zwischen Wetterradardaten und Niederschlagsmessungen In TU Graz (Hrsg) Schriftenreihe zur Wasserwirtschaft Technische Universitaumlt Graz 39
[37] SCHAumlDEL W (2006) Schritte zur Verbesserung einer Hochwasserfruumlhwarnung mittels Online-Bodenfeuchtemessungen Dissertation Universitaumlt Karlsruhe (TH)
[38] SCHMALZL K (2014) Sturzfluten hydrodynamisch numerisch mit HYDRO-AS-2D berechnen Wasserwirtschaftsamt Rosenheim
[39] Stadt Graz (2013) Flieszligpfadkarte Graz
FB Architektur und Bauingenieurwesen Wasserbaulaboratorium
Projektskizze Umgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessen (Arbeitstitel) Januar 2015 Seite 35
[40] THUNIG S (2004) Berechnung der Hochwasserscheitelminderung der Windach am Auslass des Windachspeichers durch den Bau zweier geplanter Retentionsbecken Diplomarbeit Institut fuumlr Wasserwesen Universitaumlt der Bundeswehr Muumlnchen
[41] Verein Deutscher Ingenieure (2014) Umweltmeteorologie Bodengebundene Fernmessung des Niederschlags Wetterradar In VDI-Richtlinien
[42] WETZEL M (2005) Modellierung der Hangwasserdynamik eines Untersuchungsgebietes im Nationalpark Hainich mit dem Modell HYDRUS-2D Diplomarbeit Universitaumlt Jena
[43] WINTERRATH T Dr WEIGL E (2012) RADOLAN RADVOR-OP und die RADOLAN-Klimatologie Status und Plaumlne In DWD (Hrsg) DWD-Kundenforum Hydrometeorologie Offenbach
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Projektskizze Umgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessen (Arbeitstitel) Januar 2015 Seite 36
9 Allgemeine Informationen Zeitplan und Ressourcen
91 Allgemeine Informationen
Antragsteller Prof Dr-Ing Ernesto Ruiz Rodriguez Wasserbaulaboratorium am Fachbereich Architektur und Bauingenieurwesen Hochschule RheinMain Kurt-Schumacher-Ring 18 65197 Wiesbaden
Projektbearbeiter Arbeitsgruppe bdquoStarkregen und Sturzflutenldquo am Wasserbaulaboratorium Prof Dr-Ing Ernesto Ruiz Rodriguez (Projektleitung) BEng Lisa Trost (Projektbearbeitung) Frank Salffner (Vermessungstechniker Laborant am Wasserbaulaboratorium und in der EDV- Arbeitsgruppe des Fachbereichs) Die Arbeitsziele werden durch Studienarbeiten des Master- Studienganges bdquoUmweltmanagement und Stadtplanung in Ballungsraumlumenldquo (UMSB) unterstuumltzt
Partnerschaften Kooperationspartner Prof Dr Ralf Doumlrner Hochschule RheinMain
FG Graphische Datenverarbeitung und Virtuelle Realitaumlt Prof Dr Robert Seuszlig Fachhochschule Frankfurt FG Geoinformation und Kommunaltechnik Berufsfeuerwehr Wiesbaden Dr Andreacute Assmann Fa Geomer Heidelberg
gewuumlnschte Zusammenarbeit Deutscher Wetterdienst Abt Hydrometeorologie Projektdauer 4 Jahre (vgl 92 Zeitplan) Eigenmittel Projektleitung durch Prof Dr E Ruiz Rodriguez
Nutzung der Einrichtungen des Wasserbaulaboratoriums der Hochschule RheinMain Unterstuumltzung bei Laborarbeiten und EDV Infrastruktur durch Frank Salffner
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Projektskizze Umgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessen (Arbeitstitel) Januar 2015 Seite 37
92 Zeitplan
1
Jah
r
2
Jah
r
3
Jah
r
4
Jah
r Bemerkung
Arbeitspaket 1 Verwendung von Radardaten zur Simulation von Starkregen Sturzfluten fuumlr kleine Einzugsgebiete
Beginn der Arbeiten
Klaumlrung der Verfuumlgbarkeit von Radarniederschlagsdaten (fuumlr Modellierer Ingenieurbuumlros)
Aufwand zur Nutzung und Aufbereitung von Radarniederschlagsdaten fuumlr Modellierer Ingenieurbuumlros Erstellung eines Werkzeugs zur Visualisierung der archivierten und aktuellen Radarniederschlagsdaten Erstellung eines Werkzeugs zur Transformation und Projektion der DWD-RADOLAN-RW und RY-Komposit-Radarniederschlagsdaten in Gauszlig-Kruumlger undoder UTM-Projektion Erstellung eines GIS Werkzeugs zur Aufbereitung der DWD-RADOLAN-Komposit-Raster zur Simulation von Starkregen in kleinen Einzugsgebieten
1 Berichterstattung Arbeitspaket 1 (Teil 1)
Auswertung der RADOLAN Radarniederschlagsdaten des DWD
Praxisseminar Kolloquium bdquoVerwendung von Radardaten zur Simulation von Starkregen Sturzfluten in Hessenldquo
Arbeitspaket 2 Uumlberpruumlfung und Anpassung von Modellansaumltze zur Ermittlung des abflusswirksamen Niederschlages bei Starkregen
Uumlberpruumlfung und Anpassung der Modellansaumltze zur Ermittlung des abflusswirksamen Niederschlages bei Starkniederschlaumlgen unter besonderer Beruumlcksichtigung von Bodenfeuchte und Bodenluftkompressionseffekten
Arbeitspaket 3 Uumlberpruumlfung und Anpassung der hydraulischen Ansaumltze zur Berechnung des Oberflaumlchenabflusses bei Starkregen Sturzfluten an steilen Haumlngen
Bau der Versuchsrinne am Wasserbaulaboratorium Durchfuumlhrung und Auswertung der Versuche Uumlberpruumlfung und Anpassung der hydraulischen Ansaumltze zur Berechnung des Oberflaumlchenabflusses
2 Berichterstattung Arbeitspaket 2 und Arbeitspaket 3 (Teil1)
Arbeitspaket 4 Instationaumlre 2ndashdimensionale Modellierung des Oberflaumlchenabflusses bei Starkniederschlaumlgen
Anpassen des 2-dimensionallen Modelles auf instationaumlre Niederschlagsfronten Schnittstelle zu DWD RADOLAN Komposite Einarbeiten der verbesserten Ansaumltze zu Berechnung des abflusswirksamen Niederschlages bei Starkniederschlaumlgen Einarbeiten der verbesserten hydraulischen Ansaumltze
wird fortgesetzt
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Projektskizze Umgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessen (Arbeitstitel) Januar 2015 Seite 38
1
Jah
r
2
Jah
r
3
Jah
r
4
Jah
r Bemerkung
Arbeitspaket 5 Erarbeitung von Starkregen Gefahrenkarten fuumlr das Land Hessen
Uumlberpruumlfen und Anpassung von fachlichen Kriterien fuumlr die Erstellung von Starkregen-Karten Definition der Inhalte von Starkregen-Hinweiskarten Definition der Inhalte von Starkregen- Gefahrenkarten
3 Berichterstattung Arbeitspaket 3 (Teil 2) Arbeitspaket 4 und Arbeitspaket 5 (Teil1)
Arbeitspaket 6 Modell- Pilotprojekt bdquoUmgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessenldquo
Erarbeitung von Starkregen-Hinweiskarten fuumlr die ausgewaumlhlten Pilot-Einzugsgebiete Erarbeitung von Starkregen-Gefahrenkarten fuumlr die ausgewaumlhlten Pilot-Einzugsgebiete Uumlberpruumlfen der fachlichen Kriterien und Ansaumltze (Arbeitspaket 5) fuumlr die Erstellung von Starkregen-Karten Diskussion uumlber die Starkregen-Karteninhalte und Starkregen-Kartendarstellung mit den Nutzern
4 Berichterstattung Arbeitspaket 5 (Teil 2) und Arbeitspaket 6 (Abschlussbericht)
93 Beantragte Mittel
Zur Durchfuumlhrung und Erreichung der im Antrag beschriebenen Arbeitsziele werden fuumlr das
1 Projektjahr 35000 Euro
2 Projektjahr 35000 Euro
3 Projektjahr 35000 Euro
4 Projektjahr 35000 Euro
beantragt
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1160 cm
280 cm
260 cm
1000 cm
1080 cm
6300 cm280 cm
3000 cm3000 cm
3000 cm 3000 cm
1000 cm624 cm
1500deg
Kipprinne zur Simulation des Oberflaumlchenabflusses an steilen HaumlngenLaumlnge= 630 mBreite= 10 mHoumlhe= 026 mmax Neigungswinkel 45deg
variableBeregnungslaumlnge
Maszligstab 120
1000 cm
260 cm
Sohlsubstrat zur Aufnahmevon kuumlnstlichen Bewuchsstrukturen
Beregnungsanlage mit schwenkbaren Duumlsen zurvertikalen Regensimulation
Wasserkoumlrper desOberflaumlchenabflusses
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Projektskizze Umgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessen (Arbeitstitel) Januar 2015 Anlage 1
1830 cm
2625 cm
Drehpunkt
1330 cm
6300 cm
280 cm
1500deg
Maszligstab 120
Kipprinne zur Simulation des Oberflaumlchenabflusses an steilen HaumlngenLaumlnge= 630 mBreite= 10 mHoumlhe= 026 mmax Neigungswinkel 45deg
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Projektskizze Umgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessen (Arbeitstitel) Januar 2015 Seite 32
8 Literatur und Quellen
[1] Bund der Ingenieure fuumlr Wasserwirtschaft Abfallwirtschaft und Kulturbau (BWK) eV (Hrsg)(2013) Starkregen und urbane Sturzfluten Praxisleitfaden zur Uumlberflutungsvorsorge BWK-Fachinformation Ausgabe Juli 2013 Band 12013 Sindelfingen
[2] BUREK P THIELEN-DEL POZO J THIEMIG V SALAMON P DE ROO A (2011) Das Europaumlische Hochwasserfruumlhwarnsystem (EFAS) In DWA (Hrsg) Fachbeitraumlge Korrespondenz Wasserwirtschaft Ispra (Italien)
[3] Deutsche Bundesstiftung Umwelt (Hrsg)(2002) Innovativer Ansatz eines vorbeugenden Hochwasserschutzes durch dezentrale Maszlignahmen im Bereich der Siedlungswasserwirtschaft sowie der Landwirtschaft im Einzugsgebiet der Lausitzer Neiszlige Endbericht Universitaumlt Hannover
[4] Deutscher Wetterdienst (DWD) Abteilung Hydrometeorologie (Hrsg)(2004) Projekt RADOLAN Routineverfahren zur Online-Aneichung der Radarniederschlagsdaten mit Hilfe von automatisierten Bodenniederschlagsstationen (Ombrometer)
[5] Deutscher Wetterdienst (DWD) Abteilung Hydrometeorologie (Hrsg)(2011) RADOLANRADVOR-OP Beschreibung des Kompositformats Version 222
[6] Deutscher Wetterdienst (DWD) (Hrsg)(2008) Radarniederschlag-Prinzip der Niederschlagsbestimmung mit Radar inklusive Umrechnung der Radarreflektivitaumlten in Momentanwerte des Niederschlages Version 10
[7] Deutscher Wetterdienst (DWD) Abteilung Hydrometeorologie (Hrsg)(2005) Projekt RADVOR-OP
[8] Deutscher Wetterdienst (DWD) Abteilung Hydrometeorologie (Hrsg)(2012) Projekt RADVOR-OP
[9] DWA Regelwerk Arbeitsblatt DWA-A 531(2012) Starkregen in Abhaumlngigkeit von Wiederkehrintervall und Dauer
[10] DWA Regelwerk Arbeitsblatt DWA-A 118 (2006) Hydraulische Bemessung und Nachweis von Entwaumlsserungssystemen
[11] DWA Regelwerk Merkblatt DWA-M 153 (2007) Handlungsempfehlungen zum Umgang mit Regenwasser
[12] DWA Kommentar zum DWA Regelwerk (2008) Planung Bau und Betrieb von Anlagen zur Versickerung von Niederschlagswasser
[13] DWA Themen (2010) Abfluumlsse aus extremen Niederschlaumlgen Ergebnisse einer Bestandsaufnahme Hochwasserereignisse und Modellansaumltze zu ihrer Abbildung
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Projektskizze Umgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessen (Arbeitstitel) Januar 2015 Seite 33
[14] DWA-Arbeitsgruppe ES-26 (2008) Abfluumlsse aus Auszligengebieten der Kanalisation Arbeitsbericht
[15] EHRET U (2003) Rainfall and flood nowcasting in small catchments using weather radar In Universitaumlt Stuttgart Institut fuumlr Wasserbau (Hrsg) Mitteilungen - Institut fuumlr Wasserbau Universitaumlt Stuttgart 121
[16] FUumlRST J (2004) GIS in Hydrologie und Wasserwirtschaft Herbert Wichmann Verlag
[17] GONSOWSKI P (1987) Der Einfluss der Bodenluftkompression auf die vertikale Infiltration von Wasser in Sanden Wasserbaumitteilungen Heft 28 Institut fuumlr Wasserbau TH Darmstadt
[18] HATZFELD F (2010) Sturzfluten in urbanen Gebieten Vorsorge ist moumlglich In DWA (Hrsg) Fachbeitraumlge Korrespondenz Wasserwirtschaft Aachen
[19] HOCHSCHILD J (2008) Hydrologische Charakterisierung des alpinen Einzugsgebietes der Dornbirner Ache Diplomarbeit Institut fuumlr Hydrologie Universitaumlt Freiburg i Br
[20] HOFFMANN P (2009) Modifikation von Starkniederschlaumlgen durch urbane Gebiete Diplomarbeit Meteorologisches Institut Department Geowissenschaften Universitaumlt Hamburg
[21] Hydrotec Ingenieurgesellschaft fuumlr Wasser und Umwelt mbH Fachhochschule Aachen DWD (2008) Vorhersage und Management von Sturzfluten in urbanen Gebieten (URBAS) In Bundesministerium fuumlr Bildung und Forschung (Hrsg) Foumlrderprogramm des BMBF Aachen
[22] Hydrotec Ingenieurgesellschaft fuumlr Wasser und Umwelt mbH Fachhochschule Aachen DWD (2008) Ergebnisse des Forschungsvorhabens In Bundesministerium fuumlr Bildung und Forschung (Hrsg) Foumlrderprogramm des BMBF Aachen
[23] IHK Rhein-Neckar (2011) Starkregen ndash Auswirkungen und Anpassungsstrategien 8Hochwasserschutzforum in der Metropolregion Rhein-Neckar In Schriftenreihe des Verbandes Region Rhein-Neckar Heft 9
[24] KEIL C (2000) Numerische Simulation von Starkniederschlagsereignissen mit mesoskaligen Wettervorhersagemodellen Dissertation Institut fuumlr Physik und Atmosphaumlre Universitaumlt Muumlnchen
[25] KIPFER A KIENHOLZ C LIENER S (2012) Ein neuer Ansatz zur Modellierung von Oberflaumlchenabfluss 12 Kongress INTERPRAEVENT GrenobleFrankreich
[26] Kommission Reinhaltung der Luft im VDI und DIN-Normenausschuss KRdL (2014) Wetterradar-Anwendungen fuumlr die Wasserwirtschaft In VDI-Expertenforum Offenbach
FB Architektur und Bauingenieurwesen Wasserbaulaboratorium
Projektskizze Umgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessen (Arbeitstitel) Januar 2015 Seite 34
[27] KORNDOumlRFER C SEIFERT J KROLL H FUHRMANN L (2000) Hydrologie und Wasserbewirtschaftung Ziele und Planungsgrundlagen einer naturnahen Regenwasserbewirtschaftung in Dresden In DWA (Hrsg) KA AbwasserAbfall Dresden
[28] KRAumlMER S VERWORN H-R TREIS A PFISTER A BECKER M (2009) Korrektur von C-Band-Radardaten fuumlr die Niederschlags-Abfluss-Modellierung Grundlagen Algorithmen und Verifikation In DWA (Hrsg) Fachbeitraumlge Korrespondenz Wasserwirtschaft Essen Hannover
[29] LANG P (2003) CONRAD In DWD (Hrsg)
[30] LEMPERT M (2000) Ein GIS gekoppeltes rasterbasiertes Modell zur Berechnung des Wasserhaushaltes kleiner Einzugsgebiete In Wasserbaumitteilungen Heft 110 Institut fuumlr Wasserbau und Wasserwirtschaft TU Darmstadt
[31] MARX A (2006) Einsatz gekoppelter Modelle und Wetterradar zur Abschaumltzung von Niederschlagsintensitaumlten und zur Abflussvorhersage In Universitaumlt Stuttgart Institut fuumlr Wasserbau (Hrsg) Mitteilungen - Institut fuumlr Wasserbau Universitaumlt Stuttgart 160
[32] Ministerium fuumlr Umwelt und Forsten Rheinland Pfalz (2000) Naturnaher Umgang mit Niederschlagswasser Konzeption und ausgefuumlhrte Beispiele Mainz
[33] PEUszligNER J (2013) Untersuchung der Nutzbarkeit von zeitlich hoch aufgeloumlsten Radardaten des Niederschlags zur verbesserten Simulation des Bodenabtrags durch Wasser Masterarbeit Institut fuumlr Physische Geographie und Landschaftsoumlkologie Universitaumlt Hannover
[34] PFAFF T (2012) Processing and Analysis of Weather Radar Data for Use in Hydrologie In Universitaumlt Stuttgart Institut fuumlr Wasser- und Umweltsystemmodellierung (Hrsg) Mitteilungen - Institut fuumlr Wasser- und Umweltsystemmodellierung Universitaumlt Stuttgart 216
[35] PLATE E J ZEHE E (Hrsg)(2008) Hydrologie und Stoffdynamik kleiner Einzugsgebiete Prozesse und Modelle Verlagsbuchhandlung Schweizerbart
[36] SCHATZL R (2001) Skalenabhaumlngiger Vergleich zwischen Wetterradardaten und Niederschlagsmessungen In TU Graz (Hrsg) Schriftenreihe zur Wasserwirtschaft Technische Universitaumlt Graz 39
[37] SCHAumlDEL W (2006) Schritte zur Verbesserung einer Hochwasserfruumlhwarnung mittels Online-Bodenfeuchtemessungen Dissertation Universitaumlt Karlsruhe (TH)
[38] SCHMALZL K (2014) Sturzfluten hydrodynamisch numerisch mit HYDRO-AS-2D berechnen Wasserwirtschaftsamt Rosenheim
[39] Stadt Graz (2013) Flieszligpfadkarte Graz
FB Architektur und Bauingenieurwesen Wasserbaulaboratorium
Projektskizze Umgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessen (Arbeitstitel) Januar 2015 Seite 35
[40] THUNIG S (2004) Berechnung der Hochwasserscheitelminderung der Windach am Auslass des Windachspeichers durch den Bau zweier geplanter Retentionsbecken Diplomarbeit Institut fuumlr Wasserwesen Universitaumlt der Bundeswehr Muumlnchen
[41] Verein Deutscher Ingenieure (2014) Umweltmeteorologie Bodengebundene Fernmessung des Niederschlags Wetterradar In VDI-Richtlinien
[42] WETZEL M (2005) Modellierung der Hangwasserdynamik eines Untersuchungsgebietes im Nationalpark Hainich mit dem Modell HYDRUS-2D Diplomarbeit Universitaumlt Jena
[43] WINTERRATH T Dr WEIGL E (2012) RADOLAN RADVOR-OP und die RADOLAN-Klimatologie Status und Plaumlne In DWD (Hrsg) DWD-Kundenforum Hydrometeorologie Offenbach
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Projektskizze Umgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessen (Arbeitstitel) Januar 2015 Seite 36
9 Allgemeine Informationen Zeitplan und Ressourcen
91 Allgemeine Informationen
Antragsteller Prof Dr-Ing Ernesto Ruiz Rodriguez Wasserbaulaboratorium am Fachbereich Architektur und Bauingenieurwesen Hochschule RheinMain Kurt-Schumacher-Ring 18 65197 Wiesbaden
Projektbearbeiter Arbeitsgruppe bdquoStarkregen und Sturzflutenldquo am Wasserbaulaboratorium Prof Dr-Ing Ernesto Ruiz Rodriguez (Projektleitung) BEng Lisa Trost (Projektbearbeitung) Frank Salffner (Vermessungstechniker Laborant am Wasserbaulaboratorium und in der EDV- Arbeitsgruppe des Fachbereichs) Die Arbeitsziele werden durch Studienarbeiten des Master- Studienganges bdquoUmweltmanagement und Stadtplanung in Ballungsraumlumenldquo (UMSB) unterstuumltzt
Partnerschaften Kooperationspartner Prof Dr Ralf Doumlrner Hochschule RheinMain
FG Graphische Datenverarbeitung und Virtuelle Realitaumlt Prof Dr Robert Seuszlig Fachhochschule Frankfurt FG Geoinformation und Kommunaltechnik Berufsfeuerwehr Wiesbaden Dr Andreacute Assmann Fa Geomer Heidelberg
gewuumlnschte Zusammenarbeit Deutscher Wetterdienst Abt Hydrometeorologie Projektdauer 4 Jahre (vgl 92 Zeitplan) Eigenmittel Projektleitung durch Prof Dr E Ruiz Rodriguez
Nutzung der Einrichtungen des Wasserbaulaboratoriums der Hochschule RheinMain Unterstuumltzung bei Laborarbeiten und EDV Infrastruktur durch Frank Salffner
FB Architektur und Bauingenieurwesen Wasserbaulaboratorium
Projektskizze Umgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessen (Arbeitstitel) Januar 2015 Seite 37
92 Zeitplan
1
Jah
r
2
Jah
r
3
Jah
r
4
Jah
r Bemerkung
Arbeitspaket 1 Verwendung von Radardaten zur Simulation von Starkregen Sturzfluten fuumlr kleine Einzugsgebiete
Beginn der Arbeiten
Klaumlrung der Verfuumlgbarkeit von Radarniederschlagsdaten (fuumlr Modellierer Ingenieurbuumlros)
Aufwand zur Nutzung und Aufbereitung von Radarniederschlagsdaten fuumlr Modellierer Ingenieurbuumlros Erstellung eines Werkzeugs zur Visualisierung der archivierten und aktuellen Radarniederschlagsdaten Erstellung eines Werkzeugs zur Transformation und Projektion der DWD-RADOLAN-RW und RY-Komposit-Radarniederschlagsdaten in Gauszlig-Kruumlger undoder UTM-Projektion Erstellung eines GIS Werkzeugs zur Aufbereitung der DWD-RADOLAN-Komposit-Raster zur Simulation von Starkregen in kleinen Einzugsgebieten
1 Berichterstattung Arbeitspaket 1 (Teil 1)
Auswertung der RADOLAN Radarniederschlagsdaten des DWD
Praxisseminar Kolloquium bdquoVerwendung von Radardaten zur Simulation von Starkregen Sturzfluten in Hessenldquo
Arbeitspaket 2 Uumlberpruumlfung und Anpassung von Modellansaumltze zur Ermittlung des abflusswirksamen Niederschlages bei Starkregen
Uumlberpruumlfung und Anpassung der Modellansaumltze zur Ermittlung des abflusswirksamen Niederschlages bei Starkniederschlaumlgen unter besonderer Beruumlcksichtigung von Bodenfeuchte und Bodenluftkompressionseffekten
Arbeitspaket 3 Uumlberpruumlfung und Anpassung der hydraulischen Ansaumltze zur Berechnung des Oberflaumlchenabflusses bei Starkregen Sturzfluten an steilen Haumlngen
Bau der Versuchsrinne am Wasserbaulaboratorium Durchfuumlhrung und Auswertung der Versuche Uumlberpruumlfung und Anpassung der hydraulischen Ansaumltze zur Berechnung des Oberflaumlchenabflusses
2 Berichterstattung Arbeitspaket 2 und Arbeitspaket 3 (Teil1)
Arbeitspaket 4 Instationaumlre 2ndashdimensionale Modellierung des Oberflaumlchenabflusses bei Starkniederschlaumlgen
Anpassen des 2-dimensionallen Modelles auf instationaumlre Niederschlagsfronten Schnittstelle zu DWD RADOLAN Komposite Einarbeiten der verbesserten Ansaumltze zu Berechnung des abflusswirksamen Niederschlages bei Starkniederschlaumlgen Einarbeiten der verbesserten hydraulischen Ansaumltze
wird fortgesetzt
FB Architektur und Bauingenieurwesen Wasserbaulaboratorium
Projektskizze Umgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessen (Arbeitstitel) Januar 2015 Seite 38
1
Jah
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2
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r
3
Jah
r
4
Jah
r Bemerkung
Arbeitspaket 5 Erarbeitung von Starkregen Gefahrenkarten fuumlr das Land Hessen
Uumlberpruumlfen und Anpassung von fachlichen Kriterien fuumlr die Erstellung von Starkregen-Karten Definition der Inhalte von Starkregen-Hinweiskarten Definition der Inhalte von Starkregen- Gefahrenkarten
3 Berichterstattung Arbeitspaket 3 (Teil 2) Arbeitspaket 4 und Arbeitspaket 5 (Teil1)
Arbeitspaket 6 Modell- Pilotprojekt bdquoUmgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessenldquo
Erarbeitung von Starkregen-Hinweiskarten fuumlr die ausgewaumlhlten Pilot-Einzugsgebiete Erarbeitung von Starkregen-Gefahrenkarten fuumlr die ausgewaumlhlten Pilot-Einzugsgebiete Uumlberpruumlfen der fachlichen Kriterien und Ansaumltze (Arbeitspaket 5) fuumlr die Erstellung von Starkregen-Karten Diskussion uumlber die Starkregen-Karteninhalte und Starkregen-Kartendarstellung mit den Nutzern
4 Berichterstattung Arbeitspaket 5 (Teil 2) und Arbeitspaket 6 (Abschlussbericht)
93 Beantragte Mittel
Zur Durchfuumlhrung und Erreichung der im Antrag beschriebenen Arbeitsziele werden fuumlr das
1 Projektjahr 35000 Euro
2 Projektjahr 35000 Euro
3 Projektjahr 35000 Euro
4 Projektjahr 35000 Euro
beantragt
FB Architektur und Bauingenieurwesen Wasserbaulaboratorium
Projektskizze Umgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessen (Arbeitstitel) Januar 2015 Anlage 1
1160 cm
280 cm
260 cm
1000 cm
1080 cm
6300 cm280 cm
3000 cm3000 cm
3000 cm 3000 cm
1000 cm624 cm
1500deg
Kipprinne zur Simulation des Oberflaumlchenabflusses an steilen HaumlngenLaumlnge= 630 mBreite= 10 mHoumlhe= 026 mmax Neigungswinkel 45deg
variableBeregnungslaumlnge
Maszligstab 120
1000 cm
260 cm
Sohlsubstrat zur Aufnahmevon kuumlnstlichen Bewuchsstrukturen
Beregnungsanlage mit schwenkbaren Duumlsen zurvertikalen Regensimulation
Wasserkoumlrper desOberflaumlchenabflusses
FB Architektur und Bauingenieurwesen Wasserbaulaboratorium
Projektskizze Umgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessen (Arbeitstitel) Januar 2015 Anlage 1
1830 cm
2625 cm
Drehpunkt
1330 cm
6300 cm
280 cm
1500deg
Maszligstab 120
Kipprinne zur Simulation des Oberflaumlchenabflusses an steilen HaumlngenLaumlnge= 630 mBreite= 10 mHoumlhe= 026 mmax Neigungswinkel 45deg
FB Architektur und Bauingenieurwesen Wasserbaulaboratorium
Projektskizze Umgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessen (Arbeitstitel) Januar 2015 Seite 33
[14] DWA-Arbeitsgruppe ES-26 (2008) Abfluumlsse aus Auszligengebieten der Kanalisation Arbeitsbericht
[15] EHRET U (2003) Rainfall and flood nowcasting in small catchments using weather radar In Universitaumlt Stuttgart Institut fuumlr Wasserbau (Hrsg) Mitteilungen - Institut fuumlr Wasserbau Universitaumlt Stuttgart 121
[16] FUumlRST J (2004) GIS in Hydrologie und Wasserwirtschaft Herbert Wichmann Verlag
[17] GONSOWSKI P (1987) Der Einfluss der Bodenluftkompression auf die vertikale Infiltration von Wasser in Sanden Wasserbaumitteilungen Heft 28 Institut fuumlr Wasserbau TH Darmstadt
[18] HATZFELD F (2010) Sturzfluten in urbanen Gebieten Vorsorge ist moumlglich In DWA (Hrsg) Fachbeitraumlge Korrespondenz Wasserwirtschaft Aachen
[19] HOCHSCHILD J (2008) Hydrologische Charakterisierung des alpinen Einzugsgebietes der Dornbirner Ache Diplomarbeit Institut fuumlr Hydrologie Universitaumlt Freiburg i Br
[20] HOFFMANN P (2009) Modifikation von Starkniederschlaumlgen durch urbane Gebiete Diplomarbeit Meteorologisches Institut Department Geowissenschaften Universitaumlt Hamburg
[21] Hydrotec Ingenieurgesellschaft fuumlr Wasser und Umwelt mbH Fachhochschule Aachen DWD (2008) Vorhersage und Management von Sturzfluten in urbanen Gebieten (URBAS) In Bundesministerium fuumlr Bildung und Forschung (Hrsg) Foumlrderprogramm des BMBF Aachen
[22] Hydrotec Ingenieurgesellschaft fuumlr Wasser und Umwelt mbH Fachhochschule Aachen DWD (2008) Ergebnisse des Forschungsvorhabens In Bundesministerium fuumlr Bildung und Forschung (Hrsg) Foumlrderprogramm des BMBF Aachen
[23] IHK Rhein-Neckar (2011) Starkregen ndash Auswirkungen und Anpassungsstrategien 8Hochwasserschutzforum in der Metropolregion Rhein-Neckar In Schriftenreihe des Verbandes Region Rhein-Neckar Heft 9
[24] KEIL C (2000) Numerische Simulation von Starkniederschlagsereignissen mit mesoskaligen Wettervorhersagemodellen Dissertation Institut fuumlr Physik und Atmosphaumlre Universitaumlt Muumlnchen
[25] KIPFER A KIENHOLZ C LIENER S (2012) Ein neuer Ansatz zur Modellierung von Oberflaumlchenabfluss 12 Kongress INTERPRAEVENT GrenobleFrankreich
[26] Kommission Reinhaltung der Luft im VDI und DIN-Normenausschuss KRdL (2014) Wetterradar-Anwendungen fuumlr die Wasserwirtschaft In VDI-Expertenforum Offenbach
FB Architektur und Bauingenieurwesen Wasserbaulaboratorium
Projektskizze Umgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessen (Arbeitstitel) Januar 2015 Seite 34
[27] KORNDOumlRFER C SEIFERT J KROLL H FUHRMANN L (2000) Hydrologie und Wasserbewirtschaftung Ziele und Planungsgrundlagen einer naturnahen Regenwasserbewirtschaftung in Dresden In DWA (Hrsg) KA AbwasserAbfall Dresden
[28] KRAumlMER S VERWORN H-R TREIS A PFISTER A BECKER M (2009) Korrektur von C-Band-Radardaten fuumlr die Niederschlags-Abfluss-Modellierung Grundlagen Algorithmen und Verifikation In DWA (Hrsg) Fachbeitraumlge Korrespondenz Wasserwirtschaft Essen Hannover
[29] LANG P (2003) CONRAD In DWD (Hrsg)
[30] LEMPERT M (2000) Ein GIS gekoppeltes rasterbasiertes Modell zur Berechnung des Wasserhaushaltes kleiner Einzugsgebiete In Wasserbaumitteilungen Heft 110 Institut fuumlr Wasserbau und Wasserwirtschaft TU Darmstadt
[31] MARX A (2006) Einsatz gekoppelter Modelle und Wetterradar zur Abschaumltzung von Niederschlagsintensitaumlten und zur Abflussvorhersage In Universitaumlt Stuttgart Institut fuumlr Wasserbau (Hrsg) Mitteilungen - Institut fuumlr Wasserbau Universitaumlt Stuttgart 160
[32] Ministerium fuumlr Umwelt und Forsten Rheinland Pfalz (2000) Naturnaher Umgang mit Niederschlagswasser Konzeption und ausgefuumlhrte Beispiele Mainz
[33] PEUszligNER J (2013) Untersuchung der Nutzbarkeit von zeitlich hoch aufgeloumlsten Radardaten des Niederschlags zur verbesserten Simulation des Bodenabtrags durch Wasser Masterarbeit Institut fuumlr Physische Geographie und Landschaftsoumlkologie Universitaumlt Hannover
[34] PFAFF T (2012) Processing and Analysis of Weather Radar Data for Use in Hydrologie In Universitaumlt Stuttgart Institut fuumlr Wasser- und Umweltsystemmodellierung (Hrsg) Mitteilungen - Institut fuumlr Wasser- und Umweltsystemmodellierung Universitaumlt Stuttgart 216
[35] PLATE E J ZEHE E (Hrsg)(2008) Hydrologie und Stoffdynamik kleiner Einzugsgebiete Prozesse und Modelle Verlagsbuchhandlung Schweizerbart
[36] SCHATZL R (2001) Skalenabhaumlngiger Vergleich zwischen Wetterradardaten und Niederschlagsmessungen In TU Graz (Hrsg) Schriftenreihe zur Wasserwirtschaft Technische Universitaumlt Graz 39
[37] SCHAumlDEL W (2006) Schritte zur Verbesserung einer Hochwasserfruumlhwarnung mittels Online-Bodenfeuchtemessungen Dissertation Universitaumlt Karlsruhe (TH)
[38] SCHMALZL K (2014) Sturzfluten hydrodynamisch numerisch mit HYDRO-AS-2D berechnen Wasserwirtschaftsamt Rosenheim
[39] Stadt Graz (2013) Flieszligpfadkarte Graz
FB Architektur und Bauingenieurwesen Wasserbaulaboratorium
Projektskizze Umgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessen (Arbeitstitel) Januar 2015 Seite 35
[40] THUNIG S (2004) Berechnung der Hochwasserscheitelminderung der Windach am Auslass des Windachspeichers durch den Bau zweier geplanter Retentionsbecken Diplomarbeit Institut fuumlr Wasserwesen Universitaumlt der Bundeswehr Muumlnchen
[41] Verein Deutscher Ingenieure (2014) Umweltmeteorologie Bodengebundene Fernmessung des Niederschlags Wetterradar In VDI-Richtlinien
[42] WETZEL M (2005) Modellierung der Hangwasserdynamik eines Untersuchungsgebietes im Nationalpark Hainich mit dem Modell HYDRUS-2D Diplomarbeit Universitaumlt Jena
[43] WINTERRATH T Dr WEIGL E (2012) RADOLAN RADVOR-OP und die RADOLAN-Klimatologie Status und Plaumlne In DWD (Hrsg) DWD-Kundenforum Hydrometeorologie Offenbach
FB Architektur und Bauingenieurwesen Wasserbaulaboratorium
Projektskizze Umgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessen (Arbeitstitel) Januar 2015 Seite 36
9 Allgemeine Informationen Zeitplan und Ressourcen
91 Allgemeine Informationen
Antragsteller Prof Dr-Ing Ernesto Ruiz Rodriguez Wasserbaulaboratorium am Fachbereich Architektur und Bauingenieurwesen Hochschule RheinMain Kurt-Schumacher-Ring 18 65197 Wiesbaden
Projektbearbeiter Arbeitsgruppe bdquoStarkregen und Sturzflutenldquo am Wasserbaulaboratorium Prof Dr-Ing Ernesto Ruiz Rodriguez (Projektleitung) BEng Lisa Trost (Projektbearbeitung) Frank Salffner (Vermessungstechniker Laborant am Wasserbaulaboratorium und in der EDV- Arbeitsgruppe des Fachbereichs) Die Arbeitsziele werden durch Studienarbeiten des Master- Studienganges bdquoUmweltmanagement und Stadtplanung in Ballungsraumlumenldquo (UMSB) unterstuumltzt
Partnerschaften Kooperationspartner Prof Dr Ralf Doumlrner Hochschule RheinMain
FG Graphische Datenverarbeitung und Virtuelle Realitaumlt Prof Dr Robert Seuszlig Fachhochschule Frankfurt FG Geoinformation und Kommunaltechnik Berufsfeuerwehr Wiesbaden Dr Andreacute Assmann Fa Geomer Heidelberg
gewuumlnschte Zusammenarbeit Deutscher Wetterdienst Abt Hydrometeorologie Projektdauer 4 Jahre (vgl 92 Zeitplan) Eigenmittel Projektleitung durch Prof Dr E Ruiz Rodriguez
Nutzung der Einrichtungen des Wasserbaulaboratoriums der Hochschule RheinMain Unterstuumltzung bei Laborarbeiten und EDV Infrastruktur durch Frank Salffner
FB Architektur und Bauingenieurwesen Wasserbaulaboratorium
Projektskizze Umgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessen (Arbeitstitel) Januar 2015 Seite 37
92 Zeitplan
1
Jah
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2
Jah
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3
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4
Jah
r Bemerkung
Arbeitspaket 1 Verwendung von Radardaten zur Simulation von Starkregen Sturzfluten fuumlr kleine Einzugsgebiete
Beginn der Arbeiten
Klaumlrung der Verfuumlgbarkeit von Radarniederschlagsdaten (fuumlr Modellierer Ingenieurbuumlros)
Aufwand zur Nutzung und Aufbereitung von Radarniederschlagsdaten fuumlr Modellierer Ingenieurbuumlros Erstellung eines Werkzeugs zur Visualisierung der archivierten und aktuellen Radarniederschlagsdaten Erstellung eines Werkzeugs zur Transformation und Projektion der DWD-RADOLAN-RW und RY-Komposit-Radarniederschlagsdaten in Gauszlig-Kruumlger undoder UTM-Projektion Erstellung eines GIS Werkzeugs zur Aufbereitung der DWD-RADOLAN-Komposit-Raster zur Simulation von Starkregen in kleinen Einzugsgebieten
1 Berichterstattung Arbeitspaket 1 (Teil 1)
Auswertung der RADOLAN Radarniederschlagsdaten des DWD
Praxisseminar Kolloquium bdquoVerwendung von Radardaten zur Simulation von Starkregen Sturzfluten in Hessenldquo
Arbeitspaket 2 Uumlberpruumlfung und Anpassung von Modellansaumltze zur Ermittlung des abflusswirksamen Niederschlages bei Starkregen
Uumlberpruumlfung und Anpassung der Modellansaumltze zur Ermittlung des abflusswirksamen Niederschlages bei Starkniederschlaumlgen unter besonderer Beruumlcksichtigung von Bodenfeuchte und Bodenluftkompressionseffekten
Arbeitspaket 3 Uumlberpruumlfung und Anpassung der hydraulischen Ansaumltze zur Berechnung des Oberflaumlchenabflusses bei Starkregen Sturzfluten an steilen Haumlngen
Bau der Versuchsrinne am Wasserbaulaboratorium Durchfuumlhrung und Auswertung der Versuche Uumlberpruumlfung und Anpassung der hydraulischen Ansaumltze zur Berechnung des Oberflaumlchenabflusses
2 Berichterstattung Arbeitspaket 2 und Arbeitspaket 3 (Teil1)
Arbeitspaket 4 Instationaumlre 2ndashdimensionale Modellierung des Oberflaumlchenabflusses bei Starkniederschlaumlgen
Anpassen des 2-dimensionallen Modelles auf instationaumlre Niederschlagsfronten Schnittstelle zu DWD RADOLAN Komposite Einarbeiten der verbesserten Ansaumltze zu Berechnung des abflusswirksamen Niederschlages bei Starkniederschlaumlgen Einarbeiten der verbesserten hydraulischen Ansaumltze
wird fortgesetzt
FB Architektur und Bauingenieurwesen Wasserbaulaboratorium
Projektskizze Umgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessen (Arbeitstitel) Januar 2015 Seite 38
1
Jah
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2
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3
Jah
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4
Jah
r Bemerkung
Arbeitspaket 5 Erarbeitung von Starkregen Gefahrenkarten fuumlr das Land Hessen
Uumlberpruumlfen und Anpassung von fachlichen Kriterien fuumlr die Erstellung von Starkregen-Karten Definition der Inhalte von Starkregen-Hinweiskarten Definition der Inhalte von Starkregen- Gefahrenkarten
3 Berichterstattung Arbeitspaket 3 (Teil 2) Arbeitspaket 4 und Arbeitspaket 5 (Teil1)
Arbeitspaket 6 Modell- Pilotprojekt bdquoUmgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessenldquo
Erarbeitung von Starkregen-Hinweiskarten fuumlr die ausgewaumlhlten Pilot-Einzugsgebiete Erarbeitung von Starkregen-Gefahrenkarten fuumlr die ausgewaumlhlten Pilot-Einzugsgebiete Uumlberpruumlfen der fachlichen Kriterien und Ansaumltze (Arbeitspaket 5) fuumlr die Erstellung von Starkregen-Karten Diskussion uumlber die Starkregen-Karteninhalte und Starkregen-Kartendarstellung mit den Nutzern
4 Berichterstattung Arbeitspaket 5 (Teil 2) und Arbeitspaket 6 (Abschlussbericht)
93 Beantragte Mittel
Zur Durchfuumlhrung und Erreichung der im Antrag beschriebenen Arbeitsziele werden fuumlr das
1 Projektjahr 35000 Euro
2 Projektjahr 35000 Euro
3 Projektjahr 35000 Euro
4 Projektjahr 35000 Euro
beantragt
FB Architektur und Bauingenieurwesen Wasserbaulaboratorium
Projektskizze Umgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessen (Arbeitstitel) Januar 2015 Anlage 1
1160 cm
280 cm
260 cm
1000 cm
1080 cm
6300 cm280 cm
3000 cm3000 cm
3000 cm 3000 cm
1000 cm624 cm
1500deg
Kipprinne zur Simulation des Oberflaumlchenabflusses an steilen HaumlngenLaumlnge= 630 mBreite= 10 mHoumlhe= 026 mmax Neigungswinkel 45deg
variableBeregnungslaumlnge
Maszligstab 120
1000 cm
260 cm
Sohlsubstrat zur Aufnahmevon kuumlnstlichen Bewuchsstrukturen
Beregnungsanlage mit schwenkbaren Duumlsen zurvertikalen Regensimulation
Wasserkoumlrper desOberflaumlchenabflusses
FB Architektur und Bauingenieurwesen Wasserbaulaboratorium
Projektskizze Umgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessen (Arbeitstitel) Januar 2015 Anlage 1
1830 cm
2625 cm
Drehpunkt
1330 cm
6300 cm
280 cm
1500deg
Maszligstab 120
Kipprinne zur Simulation des Oberflaumlchenabflusses an steilen HaumlngenLaumlnge= 630 mBreite= 10 mHoumlhe= 026 mmax Neigungswinkel 45deg
FB Architektur und Bauingenieurwesen Wasserbaulaboratorium
Projektskizze Umgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessen (Arbeitstitel) Januar 2015 Seite 34
[27] KORNDOumlRFER C SEIFERT J KROLL H FUHRMANN L (2000) Hydrologie und Wasserbewirtschaftung Ziele und Planungsgrundlagen einer naturnahen Regenwasserbewirtschaftung in Dresden In DWA (Hrsg) KA AbwasserAbfall Dresden
[28] KRAumlMER S VERWORN H-R TREIS A PFISTER A BECKER M (2009) Korrektur von C-Band-Radardaten fuumlr die Niederschlags-Abfluss-Modellierung Grundlagen Algorithmen und Verifikation In DWA (Hrsg) Fachbeitraumlge Korrespondenz Wasserwirtschaft Essen Hannover
[29] LANG P (2003) CONRAD In DWD (Hrsg)
[30] LEMPERT M (2000) Ein GIS gekoppeltes rasterbasiertes Modell zur Berechnung des Wasserhaushaltes kleiner Einzugsgebiete In Wasserbaumitteilungen Heft 110 Institut fuumlr Wasserbau und Wasserwirtschaft TU Darmstadt
[31] MARX A (2006) Einsatz gekoppelter Modelle und Wetterradar zur Abschaumltzung von Niederschlagsintensitaumlten und zur Abflussvorhersage In Universitaumlt Stuttgart Institut fuumlr Wasserbau (Hrsg) Mitteilungen - Institut fuumlr Wasserbau Universitaumlt Stuttgart 160
[32] Ministerium fuumlr Umwelt und Forsten Rheinland Pfalz (2000) Naturnaher Umgang mit Niederschlagswasser Konzeption und ausgefuumlhrte Beispiele Mainz
[33] PEUszligNER J (2013) Untersuchung der Nutzbarkeit von zeitlich hoch aufgeloumlsten Radardaten des Niederschlags zur verbesserten Simulation des Bodenabtrags durch Wasser Masterarbeit Institut fuumlr Physische Geographie und Landschaftsoumlkologie Universitaumlt Hannover
[34] PFAFF T (2012) Processing and Analysis of Weather Radar Data for Use in Hydrologie In Universitaumlt Stuttgart Institut fuumlr Wasser- und Umweltsystemmodellierung (Hrsg) Mitteilungen - Institut fuumlr Wasser- und Umweltsystemmodellierung Universitaumlt Stuttgart 216
[35] PLATE E J ZEHE E (Hrsg)(2008) Hydrologie und Stoffdynamik kleiner Einzugsgebiete Prozesse und Modelle Verlagsbuchhandlung Schweizerbart
[36] SCHATZL R (2001) Skalenabhaumlngiger Vergleich zwischen Wetterradardaten und Niederschlagsmessungen In TU Graz (Hrsg) Schriftenreihe zur Wasserwirtschaft Technische Universitaumlt Graz 39
[37] SCHAumlDEL W (2006) Schritte zur Verbesserung einer Hochwasserfruumlhwarnung mittels Online-Bodenfeuchtemessungen Dissertation Universitaumlt Karlsruhe (TH)
[38] SCHMALZL K (2014) Sturzfluten hydrodynamisch numerisch mit HYDRO-AS-2D berechnen Wasserwirtschaftsamt Rosenheim
[39] Stadt Graz (2013) Flieszligpfadkarte Graz
FB Architektur und Bauingenieurwesen Wasserbaulaboratorium
Projektskizze Umgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessen (Arbeitstitel) Januar 2015 Seite 35
[40] THUNIG S (2004) Berechnung der Hochwasserscheitelminderung der Windach am Auslass des Windachspeichers durch den Bau zweier geplanter Retentionsbecken Diplomarbeit Institut fuumlr Wasserwesen Universitaumlt der Bundeswehr Muumlnchen
[41] Verein Deutscher Ingenieure (2014) Umweltmeteorologie Bodengebundene Fernmessung des Niederschlags Wetterradar In VDI-Richtlinien
[42] WETZEL M (2005) Modellierung der Hangwasserdynamik eines Untersuchungsgebietes im Nationalpark Hainich mit dem Modell HYDRUS-2D Diplomarbeit Universitaumlt Jena
[43] WINTERRATH T Dr WEIGL E (2012) RADOLAN RADVOR-OP und die RADOLAN-Klimatologie Status und Plaumlne In DWD (Hrsg) DWD-Kundenforum Hydrometeorologie Offenbach
FB Architektur und Bauingenieurwesen Wasserbaulaboratorium
Projektskizze Umgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessen (Arbeitstitel) Januar 2015 Seite 36
9 Allgemeine Informationen Zeitplan und Ressourcen
91 Allgemeine Informationen
Antragsteller Prof Dr-Ing Ernesto Ruiz Rodriguez Wasserbaulaboratorium am Fachbereich Architektur und Bauingenieurwesen Hochschule RheinMain Kurt-Schumacher-Ring 18 65197 Wiesbaden
Projektbearbeiter Arbeitsgruppe bdquoStarkregen und Sturzflutenldquo am Wasserbaulaboratorium Prof Dr-Ing Ernesto Ruiz Rodriguez (Projektleitung) BEng Lisa Trost (Projektbearbeitung) Frank Salffner (Vermessungstechniker Laborant am Wasserbaulaboratorium und in der EDV- Arbeitsgruppe des Fachbereichs) Die Arbeitsziele werden durch Studienarbeiten des Master- Studienganges bdquoUmweltmanagement und Stadtplanung in Ballungsraumlumenldquo (UMSB) unterstuumltzt
Partnerschaften Kooperationspartner Prof Dr Ralf Doumlrner Hochschule RheinMain
FG Graphische Datenverarbeitung und Virtuelle Realitaumlt Prof Dr Robert Seuszlig Fachhochschule Frankfurt FG Geoinformation und Kommunaltechnik Berufsfeuerwehr Wiesbaden Dr Andreacute Assmann Fa Geomer Heidelberg
gewuumlnschte Zusammenarbeit Deutscher Wetterdienst Abt Hydrometeorologie Projektdauer 4 Jahre (vgl 92 Zeitplan) Eigenmittel Projektleitung durch Prof Dr E Ruiz Rodriguez
Nutzung der Einrichtungen des Wasserbaulaboratoriums der Hochschule RheinMain Unterstuumltzung bei Laborarbeiten und EDV Infrastruktur durch Frank Salffner
FB Architektur und Bauingenieurwesen Wasserbaulaboratorium
Projektskizze Umgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessen (Arbeitstitel) Januar 2015 Seite 37
92 Zeitplan
1
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2
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3
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r Bemerkung
Arbeitspaket 1 Verwendung von Radardaten zur Simulation von Starkregen Sturzfluten fuumlr kleine Einzugsgebiete
Beginn der Arbeiten
Klaumlrung der Verfuumlgbarkeit von Radarniederschlagsdaten (fuumlr Modellierer Ingenieurbuumlros)
Aufwand zur Nutzung und Aufbereitung von Radarniederschlagsdaten fuumlr Modellierer Ingenieurbuumlros Erstellung eines Werkzeugs zur Visualisierung der archivierten und aktuellen Radarniederschlagsdaten Erstellung eines Werkzeugs zur Transformation und Projektion der DWD-RADOLAN-RW und RY-Komposit-Radarniederschlagsdaten in Gauszlig-Kruumlger undoder UTM-Projektion Erstellung eines GIS Werkzeugs zur Aufbereitung der DWD-RADOLAN-Komposit-Raster zur Simulation von Starkregen in kleinen Einzugsgebieten
1 Berichterstattung Arbeitspaket 1 (Teil 1)
Auswertung der RADOLAN Radarniederschlagsdaten des DWD
Praxisseminar Kolloquium bdquoVerwendung von Radardaten zur Simulation von Starkregen Sturzfluten in Hessenldquo
Arbeitspaket 2 Uumlberpruumlfung und Anpassung von Modellansaumltze zur Ermittlung des abflusswirksamen Niederschlages bei Starkregen
Uumlberpruumlfung und Anpassung der Modellansaumltze zur Ermittlung des abflusswirksamen Niederschlages bei Starkniederschlaumlgen unter besonderer Beruumlcksichtigung von Bodenfeuchte und Bodenluftkompressionseffekten
Arbeitspaket 3 Uumlberpruumlfung und Anpassung der hydraulischen Ansaumltze zur Berechnung des Oberflaumlchenabflusses bei Starkregen Sturzfluten an steilen Haumlngen
Bau der Versuchsrinne am Wasserbaulaboratorium Durchfuumlhrung und Auswertung der Versuche Uumlberpruumlfung und Anpassung der hydraulischen Ansaumltze zur Berechnung des Oberflaumlchenabflusses
2 Berichterstattung Arbeitspaket 2 und Arbeitspaket 3 (Teil1)
Arbeitspaket 4 Instationaumlre 2ndashdimensionale Modellierung des Oberflaumlchenabflusses bei Starkniederschlaumlgen
Anpassen des 2-dimensionallen Modelles auf instationaumlre Niederschlagsfronten Schnittstelle zu DWD RADOLAN Komposite Einarbeiten der verbesserten Ansaumltze zu Berechnung des abflusswirksamen Niederschlages bei Starkniederschlaumlgen Einarbeiten der verbesserten hydraulischen Ansaumltze
wird fortgesetzt
FB Architektur und Bauingenieurwesen Wasserbaulaboratorium
Projektskizze Umgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessen (Arbeitstitel) Januar 2015 Seite 38
1
Jah
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2
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r Bemerkung
Arbeitspaket 5 Erarbeitung von Starkregen Gefahrenkarten fuumlr das Land Hessen
Uumlberpruumlfen und Anpassung von fachlichen Kriterien fuumlr die Erstellung von Starkregen-Karten Definition der Inhalte von Starkregen-Hinweiskarten Definition der Inhalte von Starkregen- Gefahrenkarten
3 Berichterstattung Arbeitspaket 3 (Teil 2) Arbeitspaket 4 und Arbeitspaket 5 (Teil1)
Arbeitspaket 6 Modell- Pilotprojekt bdquoUmgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessenldquo
Erarbeitung von Starkregen-Hinweiskarten fuumlr die ausgewaumlhlten Pilot-Einzugsgebiete Erarbeitung von Starkregen-Gefahrenkarten fuumlr die ausgewaumlhlten Pilot-Einzugsgebiete Uumlberpruumlfen der fachlichen Kriterien und Ansaumltze (Arbeitspaket 5) fuumlr die Erstellung von Starkregen-Karten Diskussion uumlber die Starkregen-Karteninhalte und Starkregen-Kartendarstellung mit den Nutzern
4 Berichterstattung Arbeitspaket 5 (Teil 2) und Arbeitspaket 6 (Abschlussbericht)
93 Beantragte Mittel
Zur Durchfuumlhrung und Erreichung der im Antrag beschriebenen Arbeitsziele werden fuumlr das
1 Projektjahr 35000 Euro
2 Projektjahr 35000 Euro
3 Projektjahr 35000 Euro
4 Projektjahr 35000 Euro
beantragt
FB Architektur und Bauingenieurwesen Wasserbaulaboratorium
Projektskizze Umgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessen (Arbeitstitel) Januar 2015 Anlage 1
1160 cm
280 cm
260 cm
1000 cm
1080 cm
6300 cm280 cm
3000 cm3000 cm
3000 cm 3000 cm
1000 cm624 cm
1500deg
Kipprinne zur Simulation des Oberflaumlchenabflusses an steilen HaumlngenLaumlnge= 630 mBreite= 10 mHoumlhe= 026 mmax Neigungswinkel 45deg
variableBeregnungslaumlnge
Maszligstab 120
1000 cm
260 cm
Sohlsubstrat zur Aufnahmevon kuumlnstlichen Bewuchsstrukturen
Beregnungsanlage mit schwenkbaren Duumlsen zurvertikalen Regensimulation
Wasserkoumlrper desOberflaumlchenabflusses
FB Architektur und Bauingenieurwesen Wasserbaulaboratorium
Projektskizze Umgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessen (Arbeitstitel) Januar 2015 Anlage 1
1830 cm
2625 cm
Drehpunkt
1330 cm
6300 cm
280 cm
1500deg
Maszligstab 120
Kipprinne zur Simulation des Oberflaumlchenabflusses an steilen HaumlngenLaumlnge= 630 mBreite= 10 mHoumlhe= 026 mmax Neigungswinkel 45deg
FB Architektur und Bauingenieurwesen Wasserbaulaboratorium
Projektskizze Umgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessen (Arbeitstitel) Januar 2015 Seite 35
[40] THUNIG S (2004) Berechnung der Hochwasserscheitelminderung der Windach am Auslass des Windachspeichers durch den Bau zweier geplanter Retentionsbecken Diplomarbeit Institut fuumlr Wasserwesen Universitaumlt der Bundeswehr Muumlnchen
[41] Verein Deutscher Ingenieure (2014) Umweltmeteorologie Bodengebundene Fernmessung des Niederschlags Wetterradar In VDI-Richtlinien
[42] WETZEL M (2005) Modellierung der Hangwasserdynamik eines Untersuchungsgebietes im Nationalpark Hainich mit dem Modell HYDRUS-2D Diplomarbeit Universitaumlt Jena
[43] WINTERRATH T Dr WEIGL E (2012) RADOLAN RADVOR-OP und die RADOLAN-Klimatologie Status und Plaumlne In DWD (Hrsg) DWD-Kundenforum Hydrometeorologie Offenbach
FB Architektur und Bauingenieurwesen Wasserbaulaboratorium
Projektskizze Umgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessen (Arbeitstitel) Januar 2015 Seite 36
9 Allgemeine Informationen Zeitplan und Ressourcen
91 Allgemeine Informationen
Antragsteller Prof Dr-Ing Ernesto Ruiz Rodriguez Wasserbaulaboratorium am Fachbereich Architektur und Bauingenieurwesen Hochschule RheinMain Kurt-Schumacher-Ring 18 65197 Wiesbaden
Projektbearbeiter Arbeitsgruppe bdquoStarkregen und Sturzflutenldquo am Wasserbaulaboratorium Prof Dr-Ing Ernesto Ruiz Rodriguez (Projektleitung) BEng Lisa Trost (Projektbearbeitung) Frank Salffner (Vermessungstechniker Laborant am Wasserbaulaboratorium und in der EDV- Arbeitsgruppe des Fachbereichs) Die Arbeitsziele werden durch Studienarbeiten des Master- Studienganges bdquoUmweltmanagement und Stadtplanung in Ballungsraumlumenldquo (UMSB) unterstuumltzt
Partnerschaften Kooperationspartner Prof Dr Ralf Doumlrner Hochschule RheinMain
FG Graphische Datenverarbeitung und Virtuelle Realitaumlt Prof Dr Robert Seuszlig Fachhochschule Frankfurt FG Geoinformation und Kommunaltechnik Berufsfeuerwehr Wiesbaden Dr Andreacute Assmann Fa Geomer Heidelberg
gewuumlnschte Zusammenarbeit Deutscher Wetterdienst Abt Hydrometeorologie Projektdauer 4 Jahre (vgl 92 Zeitplan) Eigenmittel Projektleitung durch Prof Dr E Ruiz Rodriguez
Nutzung der Einrichtungen des Wasserbaulaboratoriums der Hochschule RheinMain Unterstuumltzung bei Laborarbeiten und EDV Infrastruktur durch Frank Salffner
FB Architektur und Bauingenieurwesen Wasserbaulaboratorium
Projektskizze Umgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessen (Arbeitstitel) Januar 2015 Seite 37
92 Zeitplan
1
Jah
r
2
Jah
r
3
Jah
r
4
Jah
r Bemerkung
Arbeitspaket 1 Verwendung von Radardaten zur Simulation von Starkregen Sturzfluten fuumlr kleine Einzugsgebiete
Beginn der Arbeiten
Klaumlrung der Verfuumlgbarkeit von Radarniederschlagsdaten (fuumlr Modellierer Ingenieurbuumlros)
Aufwand zur Nutzung und Aufbereitung von Radarniederschlagsdaten fuumlr Modellierer Ingenieurbuumlros Erstellung eines Werkzeugs zur Visualisierung der archivierten und aktuellen Radarniederschlagsdaten Erstellung eines Werkzeugs zur Transformation und Projektion der DWD-RADOLAN-RW und RY-Komposit-Radarniederschlagsdaten in Gauszlig-Kruumlger undoder UTM-Projektion Erstellung eines GIS Werkzeugs zur Aufbereitung der DWD-RADOLAN-Komposit-Raster zur Simulation von Starkregen in kleinen Einzugsgebieten
1 Berichterstattung Arbeitspaket 1 (Teil 1)
Auswertung der RADOLAN Radarniederschlagsdaten des DWD
Praxisseminar Kolloquium bdquoVerwendung von Radardaten zur Simulation von Starkregen Sturzfluten in Hessenldquo
Arbeitspaket 2 Uumlberpruumlfung und Anpassung von Modellansaumltze zur Ermittlung des abflusswirksamen Niederschlages bei Starkregen
Uumlberpruumlfung und Anpassung der Modellansaumltze zur Ermittlung des abflusswirksamen Niederschlages bei Starkniederschlaumlgen unter besonderer Beruumlcksichtigung von Bodenfeuchte und Bodenluftkompressionseffekten
Arbeitspaket 3 Uumlberpruumlfung und Anpassung der hydraulischen Ansaumltze zur Berechnung des Oberflaumlchenabflusses bei Starkregen Sturzfluten an steilen Haumlngen
Bau der Versuchsrinne am Wasserbaulaboratorium Durchfuumlhrung und Auswertung der Versuche Uumlberpruumlfung und Anpassung der hydraulischen Ansaumltze zur Berechnung des Oberflaumlchenabflusses
2 Berichterstattung Arbeitspaket 2 und Arbeitspaket 3 (Teil1)
Arbeitspaket 4 Instationaumlre 2ndashdimensionale Modellierung des Oberflaumlchenabflusses bei Starkniederschlaumlgen
Anpassen des 2-dimensionallen Modelles auf instationaumlre Niederschlagsfronten Schnittstelle zu DWD RADOLAN Komposite Einarbeiten der verbesserten Ansaumltze zu Berechnung des abflusswirksamen Niederschlages bei Starkniederschlaumlgen Einarbeiten der verbesserten hydraulischen Ansaumltze
wird fortgesetzt
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1
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4
Jah
r Bemerkung
Arbeitspaket 5 Erarbeitung von Starkregen Gefahrenkarten fuumlr das Land Hessen
Uumlberpruumlfen und Anpassung von fachlichen Kriterien fuumlr die Erstellung von Starkregen-Karten Definition der Inhalte von Starkregen-Hinweiskarten Definition der Inhalte von Starkregen- Gefahrenkarten
3 Berichterstattung Arbeitspaket 3 (Teil 2) Arbeitspaket 4 und Arbeitspaket 5 (Teil1)
Arbeitspaket 6 Modell- Pilotprojekt bdquoUmgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessenldquo
Erarbeitung von Starkregen-Hinweiskarten fuumlr die ausgewaumlhlten Pilot-Einzugsgebiete Erarbeitung von Starkregen-Gefahrenkarten fuumlr die ausgewaumlhlten Pilot-Einzugsgebiete Uumlberpruumlfen der fachlichen Kriterien und Ansaumltze (Arbeitspaket 5) fuumlr die Erstellung von Starkregen-Karten Diskussion uumlber die Starkregen-Karteninhalte und Starkregen-Kartendarstellung mit den Nutzern
4 Berichterstattung Arbeitspaket 5 (Teil 2) und Arbeitspaket 6 (Abschlussbericht)
93 Beantragte Mittel
Zur Durchfuumlhrung und Erreichung der im Antrag beschriebenen Arbeitsziele werden fuumlr das
1 Projektjahr 35000 Euro
2 Projektjahr 35000 Euro
3 Projektjahr 35000 Euro
4 Projektjahr 35000 Euro
beantragt
FB Architektur und Bauingenieurwesen Wasserbaulaboratorium
Projektskizze Umgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessen (Arbeitstitel) Januar 2015 Anlage 1
1160 cm
280 cm
260 cm
1000 cm
1080 cm
6300 cm280 cm
3000 cm3000 cm
3000 cm 3000 cm
1000 cm624 cm
1500deg
Kipprinne zur Simulation des Oberflaumlchenabflusses an steilen HaumlngenLaumlnge= 630 mBreite= 10 mHoumlhe= 026 mmax Neigungswinkel 45deg
variableBeregnungslaumlnge
Maszligstab 120
1000 cm
260 cm
Sohlsubstrat zur Aufnahmevon kuumlnstlichen Bewuchsstrukturen
Beregnungsanlage mit schwenkbaren Duumlsen zurvertikalen Regensimulation
Wasserkoumlrper desOberflaumlchenabflusses
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Projektskizze Umgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessen (Arbeitstitel) Januar 2015 Anlage 1
1830 cm
2625 cm
Drehpunkt
1330 cm
6300 cm
280 cm
1500deg
Maszligstab 120
Kipprinne zur Simulation des Oberflaumlchenabflusses an steilen HaumlngenLaumlnge= 630 mBreite= 10 mHoumlhe= 026 mmax Neigungswinkel 45deg
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9 Allgemeine Informationen Zeitplan und Ressourcen
91 Allgemeine Informationen
Antragsteller Prof Dr-Ing Ernesto Ruiz Rodriguez Wasserbaulaboratorium am Fachbereich Architektur und Bauingenieurwesen Hochschule RheinMain Kurt-Schumacher-Ring 18 65197 Wiesbaden
Projektbearbeiter Arbeitsgruppe bdquoStarkregen und Sturzflutenldquo am Wasserbaulaboratorium Prof Dr-Ing Ernesto Ruiz Rodriguez (Projektleitung) BEng Lisa Trost (Projektbearbeitung) Frank Salffner (Vermessungstechniker Laborant am Wasserbaulaboratorium und in der EDV- Arbeitsgruppe des Fachbereichs) Die Arbeitsziele werden durch Studienarbeiten des Master- Studienganges bdquoUmweltmanagement und Stadtplanung in Ballungsraumlumenldquo (UMSB) unterstuumltzt
Partnerschaften Kooperationspartner Prof Dr Ralf Doumlrner Hochschule RheinMain
FG Graphische Datenverarbeitung und Virtuelle Realitaumlt Prof Dr Robert Seuszlig Fachhochschule Frankfurt FG Geoinformation und Kommunaltechnik Berufsfeuerwehr Wiesbaden Dr Andreacute Assmann Fa Geomer Heidelberg
gewuumlnschte Zusammenarbeit Deutscher Wetterdienst Abt Hydrometeorologie Projektdauer 4 Jahre (vgl 92 Zeitplan) Eigenmittel Projektleitung durch Prof Dr E Ruiz Rodriguez
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92 Zeitplan
1
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3
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Arbeitspaket 1 Verwendung von Radardaten zur Simulation von Starkregen Sturzfluten fuumlr kleine Einzugsgebiete
Beginn der Arbeiten
Klaumlrung der Verfuumlgbarkeit von Radarniederschlagsdaten (fuumlr Modellierer Ingenieurbuumlros)
Aufwand zur Nutzung und Aufbereitung von Radarniederschlagsdaten fuumlr Modellierer Ingenieurbuumlros Erstellung eines Werkzeugs zur Visualisierung der archivierten und aktuellen Radarniederschlagsdaten Erstellung eines Werkzeugs zur Transformation und Projektion der DWD-RADOLAN-RW und RY-Komposit-Radarniederschlagsdaten in Gauszlig-Kruumlger undoder UTM-Projektion Erstellung eines GIS Werkzeugs zur Aufbereitung der DWD-RADOLAN-Komposit-Raster zur Simulation von Starkregen in kleinen Einzugsgebieten
1 Berichterstattung Arbeitspaket 1 (Teil 1)
Auswertung der RADOLAN Radarniederschlagsdaten des DWD
Praxisseminar Kolloquium bdquoVerwendung von Radardaten zur Simulation von Starkregen Sturzfluten in Hessenldquo
Arbeitspaket 2 Uumlberpruumlfung und Anpassung von Modellansaumltze zur Ermittlung des abflusswirksamen Niederschlages bei Starkregen
Uumlberpruumlfung und Anpassung der Modellansaumltze zur Ermittlung des abflusswirksamen Niederschlages bei Starkniederschlaumlgen unter besonderer Beruumlcksichtigung von Bodenfeuchte und Bodenluftkompressionseffekten
Arbeitspaket 3 Uumlberpruumlfung und Anpassung der hydraulischen Ansaumltze zur Berechnung des Oberflaumlchenabflusses bei Starkregen Sturzfluten an steilen Haumlngen
Bau der Versuchsrinne am Wasserbaulaboratorium Durchfuumlhrung und Auswertung der Versuche Uumlberpruumlfung und Anpassung der hydraulischen Ansaumltze zur Berechnung des Oberflaumlchenabflusses
2 Berichterstattung Arbeitspaket 2 und Arbeitspaket 3 (Teil1)
Arbeitspaket 4 Instationaumlre 2ndashdimensionale Modellierung des Oberflaumlchenabflusses bei Starkniederschlaumlgen
Anpassen des 2-dimensionallen Modelles auf instationaumlre Niederschlagsfronten Schnittstelle zu DWD RADOLAN Komposite Einarbeiten der verbesserten Ansaumltze zu Berechnung des abflusswirksamen Niederschlages bei Starkniederschlaumlgen Einarbeiten der verbesserten hydraulischen Ansaumltze
wird fortgesetzt
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1
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Arbeitspaket 5 Erarbeitung von Starkregen Gefahrenkarten fuumlr das Land Hessen
Uumlberpruumlfen und Anpassung von fachlichen Kriterien fuumlr die Erstellung von Starkregen-Karten Definition der Inhalte von Starkregen-Hinweiskarten Definition der Inhalte von Starkregen- Gefahrenkarten
3 Berichterstattung Arbeitspaket 3 (Teil 2) Arbeitspaket 4 und Arbeitspaket 5 (Teil1)
Arbeitspaket 6 Modell- Pilotprojekt bdquoUmgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessenldquo
Erarbeitung von Starkregen-Hinweiskarten fuumlr die ausgewaumlhlten Pilot-Einzugsgebiete Erarbeitung von Starkregen-Gefahrenkarten fuumlr die ausgewaumlhlten Pilot-Einzugsgebiete Uumlberpruumlfen der fachlichen Kriterien und Ansaumltze (Arbeitspaket 5) fuumlr die Erstellung von Starkregen-Karten Diskussion uumlber die Starkregen-Karteninhalte und Starkregen-Kartendarstellung mit den Nutzern
4 Berichterstattung Arbeitspaket 5 (Teil 2) und Arbeitspaket 6 (Abschlussbericht)
93 Beantragte Mittel
Zur Durchfuumlhrung und Erreichung der im Antrag beschriebenen Arbeitsziele werden fuumlr das
1 Projektjahr 35000 Euro
2 Projektjahr 35000 Euro
3 Projektjahr 35000 Euro
4 Projektjahr 35000 Euro
beantragt
FB Architektur und Bauingenieurwesen Wasserbaulaboratorium
Projektskizze Umgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessen (Arbeitstitel) Januar 2015 Anlage 1
1160 cm
280 cm
260 cm
1000 cm
1080 cm
6300 cm280 cm
3000 cm3000 cm
3000 cm 3000 cm
1000 cm624 cm
1500deg
Kipprinne zur Simulation des Oberflaumlchenabflusses an steilen HaumlngenLaumlnge= 630 mBreite= 10 mHoumlhe= 026 mmax Neigungswinkel 45deg
variableBeregnungslaumlnge
Maszligstab 120
1000 cm
260 cm
Sohlsubstrat zur Aufnahmevon kuumlnstlichen Bewuchsstrukturen
Beregnungsanlage mit schwenkbaren Duumlsen zurvertikalen Regensimulation
Wasserkoumlrper desOberflaumlchenabflusses
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Projektskizze Umgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessen (Arbeitstitel) Januar 2015 Anlage 1
1830 cm
2625 cm
Drehpunkt
1330 cm
6300 cm
280 cm
1500deg
Maszligstab 120
Kipprinne zur Simulation des Oberflaumlchenabflusses an steilen HaumlngenLaumlnge= 630 mBreite= 10 mHoumlhe= 026 mmax Neigungswinkel 45deg
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Projektskizze Umgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessen (Arbeitstitel) Januar 2015 Seite 37
92 Zeitplan
1
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3
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r Bemerkung
Arbeitspaket 1 Verwendung von Radardaten zur Simulation von Starkregen Sturzfluten fuumlr kleine Einzugsgebiete
Beginn der Arbeiten
Klaumlrung der Verfuumlgbarkeit von Radarniederschlagsdaten (fuumlr Modellierer Ingenieurbuumlros)
Aufwand zur Nutzung und Aufbereitung von Radarniederschlagsdaten fuumlr Modellierer Ingenieurbuumlros Erstellung eines Werkzeugs zur Visualisierung der archivierten und aktuellen Radarniederschlagsdaten Erstellung eines Werkzeugs zur Transformation und Projektion der DWD-RADOLAN-RW und RY-Komposit-Radarniederschlagsdaten in Gauszlig-Kruumlger undoder UTM-Projektion Erstellung eines GIS Werkzeugs zur Aufbereitung der DWD-RADOLAN-Komposit-Raster zur Simulation von Starkregen in kleinen Einzugsgebieten
1 Berichterstattung Arbeitspaket 1 (Teil 1)
Auswertung der RADOLAN Radarniederschlagsdaten des DWD
Praxisseminar Kolloquium bdquoVerwendung von Radardaten zur Simulation von Starkregen Sturzfluten in Hessenldquo
Arbeitspaket 2 Uumlberpruumlfung und Anpassung von Modellansaumltze zur Ermittlung des abflusswirksamen Niederschlages bei Starkregen
Uumlberpruumlfung und Anpassung der Modellansaumltze zur Ermittlung des abflusswirksamen Niederschlages bei Starkniederschlaumlgen unter besonderer Beruumlcksichtigung von Bodenfeuchte und Bodenluftkompressionseffekten
Arbeitspaket 3 Uumlberpruumlfung und Anpassung der hydraulischen Ansaumltze zur Berechnung des Oberflaumlchenabflusses bei Starkregen Sturzfluten an steilen Haumlngen
Bau der Versuchsrinne am Wasserbaulaboratorium Durchfuumlhrung und Auswertung der Versuche Uumlberpruumlfung und Anpassung der hydraulischen Ansaumltze zur Berechnung des Oberflaumlchenabflusses
2 Berichterstattung Arbeitspaket 2 und Arbeitspaket 3 (Teil1)
Arbeitspaket 4 Instationaumlre 2ndashdimensionale Modellierung des Oberflaumlchenabflusses bei Starkniederschlaumlgen
Anpassen des 2-dimensionallen Modelles auf instationaumlre Niederschlagsfronten Schnittstelle zu DWD RADOLAN Komposite Einarbeiten der verbesserten Ansaumltze zu Berechnung des abflusswirksamen Niederschlages bei Starkniederschlaumlgen Einarbeiten der verbesserten hydraulischen Ansaumltze
wird fortgesetzt
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Projektskizze Umgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessen (Arbeitstitel) Januar 2015 Seite 38
1
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2
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r Bemerkung
Arbeitspaket 5 Erarbeitung von Starkregen Gefahrenkarten fuumlr das Land Hessen
Uumlberpruumlfen und Anpassung von fachlichen Kriterien fuumlr die Erstellung von Starkregen-Karten Definition der Inhalte von Starkregen-Hinweiskarten Definition der Inhalte von Starkregen- Gefahrenkarten
3 Berichterstattung Arbeitspaket 3 (Teil 2) Arbeitspaket 4 und Arbeitspaket 5 (Teil1)
Arbeitspaket 6 Modell- Pilotprojekt bdquoUmgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessenldquo
Erarbeitung von Starkregen-Hinweiskarten fuumlr die ausgewaumlhlten Pilot-Einzugsgebiete Erarbeitung von Starkregen-Gefahrenkarten fuumlr die ausgewaumlhlten Pilot-Einzugsgebiete Uumlberpruumlfen der fachlichen Kriterien und Ansaumltze (Arbeitspaket 5) fuumlr die Erstellung von Starkregen-Karten Diskussion uumlber die Starkregen-Karteninhalte und Starkregen-Kartendarstellung mit den Nutzern
4 Berichterstattung Arbeitspaket 5 (Teil 2) und Arbeitspaket 6 (Abschlussbericht)
93 Beantragte Mittel
Zur Durchfuumlhrung und Erreichung der im Antrag beschriebenen Arbeitsziele werden fuumlr das
1 Projektjahr 35000 Euro
2 Projektjahr 35000 Euro
3 Projektjahr 35000 Euro
4 Projektjahr 35000 Euro
beantragt
FB Architektur und Bauingenieurwesen Wasserbaulaboratorium
Projektskizze Umgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessen (Arbeitstitel) Januar 2015 Anlage 1
1160 cm
280 cm
260 cm
1000 cm
1080 cm
6300 cm280 cm
3000 cm3000 cm
3000 cm 3000 cm
1000 cm624 cm
1500deg
Kipprinne zur Simulation des Oberflaumlchenabflusses an steilen HaumlngenLaumlnge= 630 mBreite= 10 mHoumlhe= 026 mmax Neigungswinkel 45deg
variableBeregnungslaumlnge
Maszligstab 120
1000 cm
260 cm
Sohlsubstrat zur Aufnahmevon kuumlnstlichen Bewuchsstrukturen
Beregnungsanlage mit schwenkbaren Duumlsen zurvertikalen Regensimulation
Wasserkoumlrper desOberflaumlchenabflusses
FB Architektur und Bauingenieurwesen Wasserbaulaboratorium
Projektskizze Umgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessen (Arbeitstitel) Januar 2015 Anlage 1
1830 cm
2625 cm
Drehpunkt
1330 cm
6300 cm
280 cm
1500deg
Maszligstab 120
Kipprinne zur Simulation des Oberflaumlchenabflusses an steilen HaumlngenLaumlnge= 630 mBreite= 10 mHoumlhe= 026 mmax Neigungswinkel 45deg
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1
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3
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Arbeitspaket 5 Erarbeitung von Starkregen Gefahrenkarten fuumlr das Land Hessen
Uumlberpruumlfen und Anpassung von fachlichen Kriterien fuumlr die Erstellung von Starkregen-Karten Definition der Inhalte von Starkregen-Hinweiskarten Definition der Inhalte von Starkregen- Gefahrenkarten
3 Berichterstattung Arbeitspaket 3 (Teil 2) Arbeitspaket 4 und Arbeitspaket 5 (Teil1)
Arbeitspaket 6 Modell- Pilotprojekt bdquoUmgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessenldquo
Erarbeitung von Starkregen-Hinweiskarten fuumlr die ausgewaumlhlten Pilot-Einzugsgebiete Erarbeitung von Starkregen-Gefahrenkarten fuumlr die ausgewaumlhlten Pilot-Einzugsgebiete Uumlberpruumlfen der fachlichen Kriterien und Ansaumltze (Arbeitspaket 5) fuumlr die Erstellung von Starkregen-Karten Diskussion uumlber die Starkregen-Karteninhalte und Starkregen-Kartendarstellung mit den Nutzern
4 Berichterstattung Arbeitspaket 5 (Teil 2) und Arbeitspaket 6 (Abschlussbericht)
93 Beantragte Mittel
Zur Durchfuumlhrung und Erreichung der im Antrag beschriebenen Arbeitsziele werden fuumlr das
1 Projektjahr 35000 Euro
2 Projektjahr 35000 Euro
3 Projektjahr 35000 Euro
4 Projektjahr 35000 Euro
beantragt
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Projektskizze Umgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessen (Arbeitstitel) Januar 2015 Anlage 1
1160 cm
280 cm
260 cm
1000 cm
1080 cm
6300 cm280 cm
3000 cm3000 cm
3000 cm 3000 cm
1000 cm624 cm
1500deg
Kipprinne zur Simulation des Oberflaumlchenabflusses an steilen HaumlngenLaumlnge= 630 mBreite= 10 mHoumlhe= 026 mmax Neigungswinkel 45deg
variableBeregnungslaumlnge
Maszligstab 120
1000 cm
260 cm
Sohlsubstrat zur Aufnahmevon kuumlnstlichen Bewuchsstrukturen
Beregnungsanlage mit schwenkbaren Duumlsen zurvertikalen Regensimulation
Wasserkoumlrper desOberflaumlchenabflusses
FB Architektur und Bauingenieurwesen Wasserbaulaboratorium
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1830 cm
2625 cm
Drehpunkt
1330 cm
6300 cm
280 cm
1500deg
Maszligstab 120
Kipprinne zur Simulation des Oberflaumlchenabflusses an steilen HaumlngenLaumlnge= 630 mBreite= 10 mHoumlhe= 026 mmax Neigungswinkel 45deg
FB Architektur und Bauingenieurwesen Wasserbaulaboratorium
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1160 cm
280 cm
260 cm
1000 cm
1080 cm
6300 cm280 cm
3000 cm3000 cm
3000 cm 3000 cm
1000 cm624 cm
1500deg
Kipprinne zur Simulation des Oberflaumlchenabflusses an steilen HaumlngenLaumlnge= 630 mBreite= 10 mHoumlhe= 026 mmax Neigungswinkel 45deg
variableBeregnungslaumlnge
Maszligstab 120
1000 cm
260 cm
Sohlsubstrat zur Aufnahmevon kuumlnstlichen Bewuchsstrukturen
Beregnungsanlage mit schwenkbaren Duumlsen zurvertikalen Regensimulation
Wasserkoumlrper desOberflaumlchenabflusses
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1830 cm
2625 cm
Drehpunkt
1330 cm
6300 cm
280 cm
1500deg
Maszligstab 120
Kipprinne zur Simulation des Oberflaumlchenabflusses an steilen HaumlngenLaumlnge= 630 mBreite= 10 mHoumlhe= 026 mmax Neigungswinkel 45deg
FB Architektur und Bauingenieurwesen Wasserbaulaboratorium
Projektskizze Umgang mit Starkniederschlaumlgen in Hessen (Arbeitstitel) Januar 2015 Anlage 1
1830 cm
2625 cm
Drehpunkt
1330 cm
6300 cm
280 cm
1500deg
Maszligstab 120
Kipprinne zur Simulation des Oberflaumlchenabflusses an steilen HaumlngenLaumlnge= 630 mBreite= 10 mHoumlhe= 026 mmax Neigungswinkel 45deg