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400 Abb. 5.48: Vergleich von simulierten und gemessenen Abflüssen am Pegel Rammern sowie an verschiedenen Zubringern im Löhnersbachgebiet. Comparison of simulated and observed runoff at gauge Rammern and at different tributaries of the Löhnersbach catchment. wendig erachtet. Diese Aufgabe hat das GFZ übernommen. Im Juni 2005 fand am GFZ das Kick-off Meeting der Fördermaßnahme mit fast 200 Teilnehmern statt, woran auch Vertreter der operationellen Katastrophenvorsorge teilnahmen. Die enge Verknüpfung von Wissenschaft und Katastrophenvorsorge soll die Implementierung der wissenschaftlichen Ergebnisse in der Praxis sichern. Methoden zur Abschätzung des Hochwasserrisikos Die Sektion Ingenierhydrologie entwickelt Methoden zur Analyse des Hochwasserrisikos in Flusseinzugsgebieten. Ein Schwerpunkt dieser Arbeiten ist die Ableitung von Extremszenarien, also Ereignissen, die sehr selten sind und große gesellschaftliche Auswirkungen haben. Für solche Ereignisse können die Ansätze, die zur Berechnung häufigerer Ereignisse entwickelt wurden, nicht angewendet werden: Die Extrapolation versagt für seltene Ereignisse. Am GFZ wurde ein Ansatz entwickelt, der es erlaubt, entlang von Flüssen extreme Hochwasserszenarien einschließlich einer Angabe der Eintrittswahrscheinlichkeit abzuleiten. Dabei werden Simulationsmodelle, z. B. zur Berechnung der hydraulischen Prozesse im Fluss, mit wahrscheinlichkeitstheoretischen Ansätzen zu einem probabilistischen Modell gekoppelt. Die Abb. 5.49 und 5.50 zeigen die Anwendung dieses Ansatzes auf den Niederrhein von Köln bis zur deutsch-niederländischen Grenze. Mögliche Deichbrüche, die Zuflüsse in das System sowie die Überlagerung der Hochwasserwellen des Rheins bei Köln und der beiden Nebenflüsse Lippe und Ruhr werden mit probabilistischen Ansätzen beschrieben. Abb. 5.50 vergleicht diesen Ansatz mit der statistischen Extrapolation auf Basis beobachteter Abflussdaten am Beispiel des Pegels Rees an der deutsch-niederländischen Grenze. Für Ereignisse mit Wiederkehrintervallen bis ca. 60 Jahre stimmen die Extremwertstatistik und das probabilistische Modell mit den Beobachtungsdaten überein. Ab Jährlichkeiten von ca. 300 Jahren weicht die Kurve des probabilistischen Modells von den beiden extremwertsta- tistischen Funktionen ab. Dies ist dadurch zu erklären, dass bei sehr hohen Abflüssen Deichbrüche eintreten können. Das Wasser strömt durch die Deichbreschen ins Hinterland, wodurch die Hochwasserwelle unterhalb des Deichbruchs reduziert wird. Die Berücksichtigung von Deichbrüchen resultiert in geringeren Abflüssen am Pegel Rees. Abb. 5.49: Anwendung des probabilistischen Modells zur Abschätzung von Hochwasserrisiken am Niederrhein. Das Modell berücksichtigt den Zufallscharakter (a) der Zuflusswellen in das System (Hochwasserwellen Rhein bei Köln, Lippe, Ruhr), (b) der zeitlichen Überlagerung der Zuflusswellen und (c) des Auftretens von Deichbrüchen. Application of the probabilistic model for flood risk assessments. The model takes into account the probabilistic nature of (a) the type of the flood waves at the boundaries of the system (flood waves of the Rhine at Cologne, the tributaries Lippe and Ruhr), (b) the temporal coincidence of flood peaks at the main river and tributaries and (c) levee breaches. Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam
Abb.5.50:Hochwasserwahrscheinlichkeitskurven für den Pegel Rhein/Rees. Die Extremwertstatistik überschätzt die Abflüsse für Wiederkehrintervalle größer ca. 300 Jahre. Bei solchen Ereignissen treten oberhalb von Rees Deichbrüche auf, so dass die Hochwasserwellen deutlich reduziert werden. Das am GFZ Potsdam entwickelte probabilistische Modell berücksichtigt diesen Effekt. Flood frequency curves for the gauge Rees at the river Rhine. The extreme value distributions overestimate discharges that exceed a return period of about 300 years. During such events levee breaches will probably occur upstream of Rees so that the flood wave will be considerably reduced. The probabilistic model developed at GFZ Potsdam takes this effect into account. Das Abflussgeschehen im extremen Bereich wird somit von einem Prozess (Deichbruch und Ausbreitung der Hochwasserwelle im Hinterland) dominiert, der bei weniger extremen Ereignissen nicht eintritt. Da keine Beobachtungsdaten zu Hochwasserereignissen mit Deichbrüchen vorliegen, basiert die Extremwertstatistik auf falschen Annahmen. Erst die Integration von Prozesswissen und wahrscheinlichkeitstheoretischen Ansätzen macht die Extrapolation in den extremen Bereich möglich. Momentan wird diese Konzeption der Kopplung von Prozesssimulation und probabilistischen Ansätzen auf zusätzliche Prozesse erweitert. Dies betrifft insbesondere die hydrologischen Prozesse der Hochwasserentstehung in den Flusseinzugsgebieten. In diesen Zusammenhang Abb. 5.51: Räumliche Verteilung der befragten Privathaushalte, die vom Hochwasser 2002 betroffen waren. Eingefärbt sind die zugehörigen Postleitzahlenzonen. Insgesamt wurden 1.697 Haushalte interviewt, davon befinden sich 449 im Donau-Einzugsgebiet, 1.248 im Elbe- Einzugsgebiet. Spatial distribution of interviewed private households, affected by the 2002 flood. ZIP-code areas are marked in colour. All together, 1697 private households were interviewed of which 449 are located in the Danube catchment and 1248 in the Elbe catchment. ordnet sich auch die Helmholtz-Nachwuchswissenschaftlergruppe „Integration von Informations- und Modellierungssystemen zur Verbesserung des Managements von großräumigen Hochwassersituationen“ ein – eine gemeinsame Aktivität mit der Universität Karlsruhe im Rahmen von CEDIM. Die Gruppe, finanziert durch den Impuls- und Vernetzungsfonds der Helmholtz-Gemeinschaft, entwickelt ein übertragbares Modellierungssystem, das die Quantifizierung des Hochwasserrisikos in großen Flusseinzugsgebieten erlaubt. Darüber hinaus kann dieses System zur Wirksamkeitsanalyse von übergeordneten Hochwasserschutzstrategien eingesetzt werden. Besonderes Merkmal dieses Systems ist die Verwendung einer Software-Plattform zur Modellkopplung, so dass das Modellsystem schnell auf verschiedene Fragestellungen und Flusseinzugsgebiete angepasst werden kann. Dadurch wird es sehr einfach möglich, unterschiedliche Modellierungsansätze, Prozessbeschreibungen, Modelldiskretisierungen etc. vorzunehmen. Ein weiteres Forschungsfeld ist die Abschätzung von Hochwasserschäden. Da neuerdings Entscheidung über Hochwasserschutzmaßnahmen durch Kosten-Nutzen-Analysen untersetzt werden müssen, besteht ein großer Bedarf nach fundierten Aussagen über die zu erwartenden Schäden im Falle von Hochwasserereignissen. Eine Analyse Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam 401
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