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Ein neues Modell für die Berechnung von Hochwassergefährdungskarten
Deichbüche: Unzureichende
Gefährdungsabschätzung
Flussdeiche bieten einen effizienten Schutz gegen kleine und
mittlere Hochwasser. Unter der Last hoher Wasserstände sowie
langer Anstaudauer können diese Flussdeiche jedoch versagen
(Abb. 1). Die Schäden solcher Deichbrüche können dramatische
Ausmaße erreichen. Denn entlang eingedeichter, inzwischen nur
noch selten überfluteter Flussabschnitte haben sich hinter den
Deichen die wirtschaftlichen Aktivitäten intensiviert und große
Werte z. B. in Form von Wohngebäuden und Unternehmen akkumuliert.
Hochwasserexperten berechnen daher nicht nur die Gefährdung,
sondern auch das Schadenspotential einer Region, um
das Risiko für die dort lebenden Menschen und ihren Besitz zu ermitteln
und geeignete Maßnahmen für deren Schutz zu ergreifen.
Bisherige Methoden zur Gefährdungs- und Risikoabschätzung
für die eingedeichten Flussstrecken sind jedoch noch
unzureichend. Besonders Deichbrüche und deren Einfluss auf
die Überflutung im Hinterland sind bisher wenig verstanden.
Auch wurde nur selten untersucht, wie sich die Verringerung
des Hochwasserscheitels infolge der Deichbrüche stromaufwärts
auf die Deichstabilität im Unterlauf und die Gefährdung
auswirkt (Apel et al. 2004, 2006). Die Berechnung von Überflutungscharakteristika
wie Wassertiefen und Fließgeschwindigkeiten
ist mit großen Unsicherheiten behaftet. Wie die
Berücksichtigung von Deichbrüchen zu diesen Unsicherheiten
beiträgt, wurde bisher wissenschaftlich nicht untersucht.
IHAM – Inundation Hazard Assessment Model
Ein neuer, am GFZ entwickelter Modellierungsansatz schließt
diese Lücke und ermöglicht eine genaue Abschätzung der Hochwassergefährdung
entlang eingedeichter Flussstrecken unter
Berücksichtigung von Deichbrüchen. Das Inundation Hazard
Assessment Model (IHAM; Vorogushyn et al. 2010) besteht aus
drei gekoppelten Einzelmodellen: (1) einem eindimensionalen
hydrodynamisch-numerischen Modell für den Fluss und die Vorländer
zwischen den Deichen, (2) einem wahrscheinlichkeitsbasierten
Deichbruchmodell, das die Wahrscheinlichkeiten von
Deichbrüchen, mögliche Breschenbreiten und Breschenausflüsse
ermittelt, und (3) einem zweidimensionalen raster-basierten
Überflutungsmodell für das Hinterland, das auf dem sogenannten
Speicherzellenansatz und der Diffusionswellengleichung
basiert. Ein Schema des IHAM und des Simulationsablaufs ist
in Abb. 2 dargestellt. Durch die Kopplung des Flussmodells
mit dem Überflutungsmodell kann die Interaktion zwischen
Fluss und Vorland abgebildet werden. Beispielsweise setzt ein
Rückfluss aus Überflutungsflächen in den Fluss ein, wenn der
Wasserstand im Fluss sinkt.
Das wahrscheinlichkeitsbasierte Deichbruchmodell beschreibt
Deichbrüche, die infolge von drei möglichen Bruchmechanismen
auftreten: dem Überströmen, dem hydraulischen Grundbruch
im Deichuntergrund und dem Versagen der landseitigen
Böschung als Folge des Sickerflusses und der Erosion im
Deichkörper (Mikroinstabilität). Diese drei Bruchmechanismen
wurden als die wichtigsten Auslöser für Deichbrüche an
heterogenen, über Jahrzehnte aufgebauten Deichen identifiziert
(Nagy & Tóth 2005, Horlacher et al. 2005). Für jeden
Bruchmechanismus wurden Deichbrüche auf der Basis von
sogenannten Fragilitätsfunktionen simuliert, mit deren Hilfe
die Versagenswahrscheinlichkeit eines Deichabschnitts unter
bestimmter hydraulischer Last (Wasserstand und Anstaudauer)
berechnet werden kann. Die Versagenswahrscheinlichkeit
wird durch die Unsicherheiten bezüglich der geometrischen
und geotechnischen Deichparameter beeinflusst. Bei der Erstellung
der Fragilitätsfunktionen wird dies mittels Monte-
Carlo-Simulation explizit berücksichtigt (Apel et al. 2004,
Vorogushyn et al. 2009).
Das zweidimensionale Überflutungsmodell berechnet ein erweitertes
Spektrum von Hochwasserintensitätsindikatoren wie
Überflutungstiefe, Fließgeschwindigkeit, Impuls, Überflutungsdauer
und Wasseranstiegsrate nach einem simulierten Deichbruch.
Auch das IHAM-Kernmodul wird im Rahmen einer Monte-
Carlo-Simulation ausgeführt (Abb. 2) und berücksichtigt die
natürliche Variabilität der Hochwasserereignisse. Die Eingangsszenarien
werden aus der Analyse von historischen Hochwasserabflussreihen
mittels Extremwertstatistik und Clusteranalyse
erstellt (Apel et al. 2004) und sind somit mit Wahrscheinlichkeiten
belegt. Deichversagen wird als eine weitere stochastische
Komponente im Modell berücksichtigt und wird auf der
Grundlage von Fragilitätsfunktionen für jeden Deichabschnitt
Kontakt: Sergiy Vorogushyn
(vorogus@gfz-potsdam.de)
Abb. 1: Deichbruch im Elbeeinzugsgebiet während des Hochwassers 2002
Fig. 1: Dike breach in the Elbe catchment during the flood of 2002
System Erde (2011) 1, 1 | DOI: 10.2312/GFZ.syserde.01.01.7
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