Sicherstellung der Entwässerung küstennaher, urbaner Räume unter Berücksichtigung des Klimawandels
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Konzeptstudie zur Steuerung von wasserwirtschaftlichen Anlagen auf der Grundlage von Ensemble Kurzzeitvorhersagedaten
(2) KalypsoHydrology: Niederschlag-Abfluss-Modell
KalypsoHydrology ist ein Modul des Kalypso Produktes, welches im Hochwassermanagement von Hamburg eingesetzt wird. Die Ensemble Kurzzeitvorhersagedaten mit einer Rasterzellengröße von 1 km x 1 km dienen als Eingangsgrößen in das semi-distributive hydrologische Model (s. Abb. 3).
(1) SCOUT: Radar Niederschlags-Verarbeitungssystem
Ensemble Kurzzeitvorhersagedaten (Nowcasts) werden durch die Verwendung von räumlich hochaufgelösten, angeeichten Niederschlagsradardaten erzeugt (Abb.1). Da- bei erfolgt die Extrapolation von Geschwindigkeitsvektoren und Wachstumsraten beobachteter radargemessener Niederschlagszellen in die Zukunft (s. Abb.2).
Abb.1:
Durch Radar-
Komposit abgedeckte Fläche im Rahmen des Projek- tes StucK.
Abb.3: Ergebnisse der Abflussberechnungen der Kurzzeitvorhersage Ensemble Member (Bsp.: EM3, 4, 10). Zeitliche Verläufe der Ensemble
Kurzzeitvorhersagedaten werden aktuell noch optimiert.
Zusammenfassung: Insbesondere in städtischen Gebieten sind verbesserte Kenntnisse zu den Auswirkungen kleinräumiger Starkregenereignisse als Grundlage für die Entwicklung von innovativen Strategien für Steuerungssysteme von Hochwasserrückhalteanlagen erforderlich. Durch die Verwendung von Ensemble Kurzzeit- vorhersagedaten wird eine Streubreite von kurzfristig möglichen Entwicklungen von Ereignissen erzeugt, die zusätzliche Informationen als Grundlage für differenzierte Vorwarnungen liefern. Die Ergebnisse basieren auf Arbeiten im Rahmen des Projekts StucK „Sicherstellung der Entwässerung küstennaher, urbaner Räume unter Berücksichtigung des Klimawandels“ (2015 – 2018), der Fördermaßnahme „Regionales Wasserressourcen-Management für den nachhaltigen Gewässerschutz in Deutschland“ (REWAM). Die Ergebnisse der Konzeptstudie zeigen eine verbesserte Ausnutzung des vorhandenen Retentionsvolumens der HRB.
Die Ergebnisse des Projektes dienen als Grundlage zur verbesserten Steuerung von wasserwirtschaftlichen Anlagen.
Sandra Hellmers
1*, Dieter Ackermann², Thomas Einfalt³, Peter Fröhle
11 Technische Universität Hamburg (TUHH)
² Landesbetrieb Strassen, Brücken und Gewässer (LSBG)
³ hydro & meteo GmbH Co. KG (h&m)
* Kontakt: Dipl.-Ing.(FH) Sandra Hellmers, M.Sc.
s.hellmers@tuhh.de
(a) HRB Brookgraben:
Einzugsgebiet: ca. 3,9 km² Volumen: 14.145 m³
Aktueller Auslass: Absperrbauwerk (Mönch)
(b) HRB Steinwiesenweg:
Einzugsgebiet: ca. 10,4 km² Volumen: 26.820 m³
Aktueller Auslass: Drosselbauwerk (Umbau 2006)
(c) HRB Farnhornstieg (Eimsbüttel):
Einzugsgebiet: ca. 4,8 km² Volumen: 5.225 m³
Aktueller Auslass: Drosselbauwerk (Neubau 2016)
(d) HRB Kronsaalsweg:
Einzugsgebiet Düngelau: ca. 2,0 km² Volumen: 5.928 m³
Aktueller Auslass: Durchlass in Bach
Das Steuerungskonzept mit Prognosezonen ist in Abb. 4 dargestellt. Das Konzept der Prognosezonen sieht vor, dass abhängig von der prognostizierten Schwere des Niederschlagsereignisses (Zonen 1 bis 4 in Abb. 4) unterschiedliche Strategien des Rückhalts und somit der Steuerung der Hochwasserrückhaltebecken verfolgt werden. Ist ein schweres Hochwasser zu erwarten (Zone 4), wird die Hochwasserwelle entsprechend später gekappt als bei einem leichteren Hochwasser (Zone 1). Exemplarisch sind die Zonen in die Wiederkehrintervalle HQ5-20, HQ20-50, HQ50-100 und HQ100-200 eingeteilt.
Abb.6: Simulationsergebnisse des Steuerungskonzeptes in vier
Prognosezonen. Vergleich der Zufluss- und Abfluss-Kennlinien QZ/QA sowie der Vergleich der Scheitelabminderungen (∆ in % )am Beispiel des HRB Kronsaalsweg.
Kalypso: www.sourceforge.net/
projects/kalypso
(3) Fallstudie / Modellgebiet: Das Einzugsgebiet der Kollau liegt im Nordwesten Hamburgs und ist charakterisiert durch stark urban geprägte Flächen mit zeitlich schnell reagierenden Teileinzugsgebieten. Das Einzugsgebiet umfasst etwa 34,3 km² und derzeit 22 Hochwasserrückhaltebecken (HRB). Untersucht werden aktuell vier HRBs
(Abb. 5 a-d) für eine Steuerung mit Prognosezonen. Das Steuerungskonzept wird exemplarisch vorgestellt an den Ergebnissen am HRB Kronsaalsweg (s. Abb. 6).
Abb.5: Einzugsgebiet der Kollau
Abb.2: Radar Kurzzeitvorhersagedatensätze (Ensemble Member:
z.B. EM 3, 4, 10) im Modellgebiet Kollau, Hamburg [ s. u. (3)]
Niederschlag [mm/5min]
EM4
EM10
15:00 Uhr 15:05 Uhr 15:10 Uhr 15:15 Uhr 15:20 Uhr
EM3
Radar-
messung Abb.4: Schematische Darstellung des
Steuerungskonzeptes mit Prognosezonen auf der Grundlage von Bemessungsgang- linien.
Ziele: Einfache Steuerung (feste Betriebsvorgaben innerhalb der Prognosezonen); hohe Retentions- wirkung möglich; klare Vorgaben für die Umsetzung. Unsicherheiten, insbesondere bei konvektiven Nie- derschlägen, können durch Nach- steuerung aufgefangen werden.
SCOUT:
www.hydrometeo.de
(a) HRB Brookgraben
(b) HRB
Steinwiesenweg
(c) HRB
Farnhornstieg (d) HRB
Kronsaalsweg
Hochwasserrückhaltebecken Pegel
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9
00:00 02:00 04:00 06:00 08:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00 00:00 02:00 04:00
Abfluss (m³/s)
Zeit (std)
Zone 1_HQ20_Qz [m³/s]
Zone 1_HQ20_Qa [m³/s]
Zone 2_HQ50_Qz [m³/s]
Zone 2_HQ50_Qa [m³/s]
Zone 3_HQ100_Qz [m³/s]
Zone 3_HQ100_Qa [m³/s]
Zone 4_HQ200_Qz [m³/s]
Zone 4_HQ200_Qa [m³/s]
∆ = 55%
∆ = 42%
∆ = 31%
∆ = 20%
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9
1 5 25 125
Abfluss (m³/s)
Prognosezonen
(2) (1)
(3)
(4)
Zone 4: spätere Drosselung und Retentionswirkung
Zone 1: frühzeitige Drosselung und Retentionswirkung
HQ 5-20 HQ 20-50 HQ 50-100 HQ 100-200
