Conference Paper, Published Version
Backhaus, Lars
WetUrban – Modellbasiertes Management von Wasserextremen in urbanen Regionen
Dresdner Wasserbauliche Mitteilungen
Zur Verfügung gestellt in Kooperation mit/Provided in Cooperation with:
Technische Universität Dresden, Institut für Wasserbau und technische Hydromechanik
Verfügbar unter/Available at: https://hdl.handle.net/20.500.11970/110911 Vorgeschlagene Zitierweise/Suggested citation:
Backhaus, Lars (2023): WetUrban – Modellbasiertes Management von Wasserextremen in urbanen Regionen. In: Technische Universität Dresden, Institut für Wasserbau und
technische Hydromechanik (Hg.): Wasserbau und Wasserwirtschaft im 'Stresstest'. Dresdner Wasserbauliche Mitteilungen 69. Dresden: Technische Universität Dresden, Institut für Wasserbau und technische Hydromechanik. S. 6-9.
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46. Dresdner Wasserbaukolloquium 2023
„Wasserbau und Wasserwirtschaft im `Stresstest`“
A2-02
WetUrban – Modellbasiertes Manage- ment von Wasserextremen in urbanen
Regionen
Lars Backhaus
Stichworte: Digitale Stadtmodelle, Digitaler Zwilling, Hochwas- serrisikomanagement, Numerische Modellierung, Gekoppelte Modelle
1 Einleitung und Hintergrund
Urbane Gebiete sind aufgrund ihrer Komplexität und des hohen Scha- denspotenzials besonders anfällig für die Auswirkungen von hydrologischen Extremereignissen. Es ist abzusehen, dass Wetterextreme wie Starknieder- schlagsereignisse, Flusshochwasser aber auch langanhaltende Dürreperio- den in Zukunft häufiger und intensiver auftreten. Unter Einbeziehung von öffentlichen Akteuren (z. B. Umweltämter, Stadtplanung), der Wissenschaft sowie ausführender Industriepartner werden disziplinübergreifende Lösun- gen für die städtische Wasserwirtschaft gesucht, um die mit urbanen Was- serextremen verbundenen Herausforderungen zu bewältigen. Basierend auf vorherigen Entwicklungen von Rink et al. (2016) und Heyer et al. (2020) stellen wir in „WetUrban“ eine Methodik für das urbane Wassermanagement vor, dessen Fokus auf den hydraulischen Interaktionen des städtischen Un- tergrundes liegt. Ausgehend von digitalen 3D-Stadtmodellen, werden meh- rere hydronumerische Simulationsmodelle unter Nutzung von Open Data und freier bzw. offener Software erstellt, teilautomatisiert und mittels ein- heitlicher Schnittstellen gekoppelt. Die Simulationsergebnisse werden in ei- nem 3D-Stadtmodell visualisiert und können parallel in einer Virtual Reality (VR) Umgebung kollaborativ analysiert werden. Ziel ist es, den Anwendern
WetUrban – Modellbasiertes Management von Wasserextremen in urbanen Räumen
ein einheitliches Werkzeug für eine gekoppelte Modellierung urbaner Was- serextremereignisse und eine fortschrittliche Visualisierung und Ergebnisin- teraktion zur verbesserten Entscheidungsfindung zu ermöglichen.
2 Methodik und Ergebnisse
Das Forschungsprojekt "WetUrban“ umfasst die Entwicklung eines teilauto- matisierten Modellierungs- und Simulationsverfahrens zur Integration der hydrologischen und hydrodynamischen Prozesse Oberflächen-, Kanalnetz- und Grundwasserströmung in eine dreidimensionale, digitale Stadtmodell- plattform (Abbildung 1). Vor dem Hintergrund zeitkritischer Simulationen wurde eine Vorgehensweise zur schnellen, parallelen Ausführung gekoppel- ter Modelle benötigt. Dessen Kern besteht aus voneinander unabhängig lauffähigen, aber nach festen Intervallen miteinander kommunizierenden, Simulationen. Dazu wurde ein Python-Framework (Abbildung 2) entwickelt, welches, neben der Automatisierung, einen Austausch von Randbedingun- gen mittels offener Datenformate ermöglicht. Dies ermöglicht eine gestaf- felte Ausführung nach Anwendungsbedarf. Abseits der technischen Realisie- rung, stellen die raumzeitlich stark unterschiedlichen, gekoppelten Prozesse eine hohe Komplexität dar und mussten sorgfältig betrachtet werden.
3D Digitales Stadtmodell Dresden, Ausschnitt des Untersuchungsgebie- tes (Alter Elbarm um Kiesgrube Leuben)
Die Methodik wurde anhand des hydrologischen Einzugsgebiets des Lock- witzbaches, inklusive dessen Anbindung an das umliegende Kanalnetzsys- tem evaluiert. Das ca. 35 km² große Untersuchungsgebiet im Südosten Dres- dens umfasst variierende Urbanisierung, Infrastruktur, Vegetation, Landnut- zung sowie Fließgewässer und erstreckt sich von Dresden-Nickern nach Dresden-Laubegast. „WetUrban“ besteht aus drei Hauptkomponenten: a) dem digitalen Stadtmodell in Form eines zentralen Datenspeichers, b) den gestaffelten, gekoppelten Simulationen und c) den Visualisierungs- und Aus- wertungswerkzeugen innerhalb der 3D Umgebung. Die dreifach gekoppel- ten Prozesse Oberflächenabfluss (BASEMENT), Kanalnetz- (SWMM) und Grundwasserströmung (OpenGeoSys), nutzen die im digitalen Stadtmodell hinterlegten Geobasisdaten als einheitliche Datenquelle. Randbedingungen werden über vorher definierte Schnittstellen z. B. Schächte, Gullys, Versicke- rung, Leckage oder Exfiltration regelmäßig und nach Bedarf ausgetauscht. Es stehen zwei Betriebsmodi zur Verfügung: a) die Verwendung von Euler II De- signniederschlägen, die mittels des stochastischen Wettergenerators LARS- WG erzeugt wurden und b) die kontinuierliche Bereitstellung von Simulatio- nen auf Basis von ICON-D2 Niederschlagsvorhersagen. Die Simulationser- gebnisse werden aggregiert, verarbeitet und in die digitale 3D Stadtumge- bung integriert. Die fortgeschrittene Visualisierung dient dabei sowohl der Kommunikation mit Expert:innen als auch mit Bürger:innen.
Im Rahmen der Projektlaufzeit konnte ein funktionsfähiger Prototyp erstellt und getestet werden. Die Auswirkungen der Kopplung zur Steigerung der Modellqualität waren nachweisbar. Dabei können die Simulationen verteilt parallel ausgeführt werden und eignen sich auch für zeitkritische Szenarien.
Ablaufdiagramm der gekoppelten Simulationsmodelle, inkl. Automati- sierter Generierung, Ausführung und Austausch von Randbedingungen
WetUrban – Modellbasiertes Management von Wasserextremen in urbanen Räumen
3 Schlussfolgerungen und Ausblick
Mit "WetUrban" stellen wir einen methodischen Ansatz vor, um auf Basis von digitalen 3D-Stadtmodellen hydrologische und hydronumerischer Modelle automatisiert zu generieren, zu koppeln und mit fortgeschrittenen Visuali- sierungstechniken für die Kommunikation auszuwerten. Der gestaffelte Kopplungsansatz erlaubt es weitere Komponenten bzw. Prozesse (z. B. Was- serqualität, Schadstofftransport, Evapotranspiration) in zukünftigen Iteratio- nen hinzuzufügen.
4 Danksagung
Das Forschungsprojekt WetUrban wurde durch Daten des Sach- gebiets Geoservice Dresdens maßgeblich unterstützt. Diese Maß- nahme wird mitfinanziert mit den Steuermitteln auf Grundlage des vom Sächsischen Landtag beschlossenen Haushaltes.
5 Literatur
Karsten Rink, Cui Chen, Lars Bilke, Zhenliang Liao, Karsten Rinke, Marieke Anna Frassl, Tian-Xiang Yue, Olaf Kolditz (2016): Virtual geographic environments for water pollution control
Torsten Heyer, Hellen Hammoudi, Rocco Zimmermann; Lars Backhaus, Jürgen Stamm, Arne Schilling, Stefan Trometer (2020): FloRiCiMo – Hochwasserrisikoanalyse und -kommunikation auf Basis von semantischen 3D-Stadtmodellen
Autor:
Lars Backhaus M.Sc.
Institut für Wasserbau und Technische Hydromechanik Technische Universität Dresden
August-Bebel-Straße 30 01062 Dresden
Tel.: +49-(0)351-463 32262 Fax: +49-(0)351-463 37120 E-Mail: lars.backhaus@tu-dresden.de
