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TU Berlin

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Hyd³Flow: Kopplung hydrologischer, hydro-numerischer und hydroinformatischer Modellierungssysteme für eine verbesserte Hochwasservorhersage

Projektleiter
Dipl.-Ing. C. Lange (Projektkoordinator), Prof. Dr.-Ing. R. Hinkelmann

Wissenschaftlicher Mitarbeiter
Dipl.-Ing. Y. Om

Projektdauer
01.06.09 - 31.05.11
Finanzierung
Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen „Otto von Guericke“ (AIF), Berlin
Projektpartner
Ingenieurgesellschaft Prof. Dr. Sieker mbH, Hoppegarten, smile consult GmbH, Hannover
Kooperation im Projekt Hyd³Flow
Lupe

Motivation und Zielsetzung

Der Einsatz von unterschiedlichen Modellierungssystemen hat sich in den letzten Jahren in Wasserwirtschaft, Wasserbau und Umwelttechnik sowohl in den Hochschulen als auch in Ingenieurbüros sowie der Verwaltung zu einem unersetzlichen Werkzeug für Planungs-, Bemessungs- und Berechnungsaufgaben entwickelt. Dies resultiert aus dem Zusammenspiel der Weiterentwicklungen von Simulationsmethoden, Erkundungs- und Datenaufbereitungsmethoden sowie der rasant wachsenden Rechner- bzw. Hardwareleistung bei meist fallenden Preisen.

Ein aktuell und zukünftig großes Anwendungsgebiet solcher Modellierungssysteme befasst sich mit der Simulation von Hochwasserereignissen und, daraus abgeleitet, der Hochwasservorhersage. Die Gründe dafür liegen zum einen in den extremalen Hochwasserereignissen der letzten Jahre sowie zum anderen in dem Inkrafttreten der Europäischen Hochwasserschutzrichtlinie Ende 2007. Im Zuge der Umsetzung dieser Richtlinie müssen Hochwasserrisiken für alle Einzugsgebiete bewertet (bis Ende 2011), Gefahren- und Risikokarten für Hochwasserrisikogebiete (bis Ende 2013) sowie Risikomanagementpläne (bis Ende 2015) aufgestellt werden, wozu die o. g. Modellierungssysteme ein essentieller Baustein sein werden.

Bereits seit Mitte der neunziger Jahre werden bundesweit die gesetzlichen Überschwemmungsgrenzen der Gewässer I. und II. Ordnung anhand von Modellrechnungen berechnet und neu festgesetzt. Die Untersuchungen werden in der Regel auf Landes- oder Kreisebene durchgeführt, was zur Folge hat, dass die Standards in den Bundesländern unterschiedlich sind. Der Schutz gegen Überschwemmungen innerhalb von Siedlungsgebieten z. B. durch überstauende bzw. rückgestaute Kanalisation ist dagegen in der DIN EN 752 einheitlich geregelt – allerdings mit deutlich geringeren Standards als bei den oberirdischen Gewässern. Für Überschwemmungen durch Abflüsse aus Außengebieten (z. B. in Ortslagen unterhalb von landwirtschaftlich genutzten Flächen) wiederum bestehen überhaupt keine Standards. Betroffenen Bürgern ist diese Unterscheidung hinsichtlich der Hochwasserursache kaum zu vermitteln. Der Weg zu einer einheitlichen Vorgehensweise und zur Betrachtung auf Einzugsgebietsebene, wie in der europäischen Wasserrahmenrichtlinie gefordert, ist noch weit, so dass hier zukünftig ein großer Bearbeitungsbedarf entstehen wird.

Arbeitsprogramm

Im beantragten Projekt sollen erstmalig hydrologische, hydro-numerische und hydro-informatische Modellierungssysteme dahingehend verknüpft werden, dass die o. g. Probleme bzw. Defizite ausgeräumt werden können. Ein solches Produkt ist derzeitig weder auf dem nationalen noch auf dem internationalen Markt verfügbar.

Die Grundidee besteht darin, zunächst beispielhaft ein erweitertes Gewässernetz zu definieren, für das eine zweidimensionale hydro-numerische Simulation erfolgt. Die Gebietsgrenzen dieses Gewässernetzes werden aus einer vereinfachten Vorberechnung mit einem Extremereignis (z. B. HQ300, HQ500) ermittelt. Die gesamten Flächen des zugehörigen Einzugsgebietes, in denen die Abflüsse gebildet werden, werden mit einem hydrologischen Niederschlags-Abfluss-Modell (ggf. mit Fließgewässeransatz für Nebengewässer und Bäche) berechnet und direkt mit dem Gewässer- und dem Kanalnetz gekoppelt. Die Kopplung der Modellierungssysteme soll anhand einer  gemeinsam neu zu entwickelnden praxisorientierten Benutzeroberfläche gesteuert und analysiert werden.

Werkzeugpalette für die gekoppelte Modellierung von Hydrologie und Hydro-Numerik
Lupe

Arbeitspaket Ingenieurgesellschaft Prof. Dr. Sieker mbH

  • Entwicklung und Definition der Anforderungen an das Pre- und Postprocessing zur Kombination der Modellierungssysteme
  • N-A-Modellierungen anhand von ausgewählten Testgebieten
  • Hydro-numerische Modellierung der Kanalisationssysteme
  • Gekoppelte Berechnungen
  • Prüfen der Ergebnisse auf Plausibilität, Verifizierung, Herausarbeiten der Wettbewerbsvorteile
Kanalnetz im Modell
Lupe

Arbeitspaket FG Wasserwirtschaft und Hydrosystemmodellierung

  • Entwicklung und Definition der Anforderungen an das Pre- und Post­pro­cessing zur Kombination der Modellierungssysteme
  • Umfangreiche hydro-numerische Modellierungen
  • Gekoppelte Berechnungen (Hydrologie/Hydro-Numerik)
  • Prüfen der Ergebnisse auf Plausibilität, Verifizierung
Ergebnisse hydro-numerische Modellierung
Lupe

Arbeitspaket Smile Consult GmbH, Hannover

  • Weiterentwicklung des Pre- und Postprocessings (Oberflächen für Datenein- und -ausgabe, Erstellen und Setzen von Anfangs- und Randbedingungen, zur Modellvalidierung, zur Verknüpfung der verwendeten Modellierungssysteme und zur intuitiven Benutzerführung)
  • Geländemodellierung
  • Entwicklung von softwaretechnischen Modellkopplungen (Schnittstellen)
  • Gekoppelte Berechnungen
  • Prüfen der Ergebnisse auf Plausibilität, Verifizierung, Herausarbeiten der Wettbewerbsvorteile
Geländemodellierung im Postprocessing
Lupe

Zusatzinformationen / Extras

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