Projekt 3 - Von kleinen zu extremen Hochwassern

(Teilprojekt 3 der Forschergruppe SPATE - Space-time Dynamics of Extreme Floods)

Das Teilprojekt 3 (SP3) der Forschergruppe SPATE (Space-time Dynamics of Extreme Floods) mit Förderung durch die DFG wurde im September 2017 am GeoForschungszentrum (GFZ) Potsdam begonnen. In der ersten Projektphase bis August 2020 ist das übergeordnete Ziel dieses Teilprojekts, die Gründe für das Auftreten von extremen Hochwassern im Vergleich zu kleinen und mittleren Hochwassern besser zu verstehen. In einer umfassenden Analyse sollen dazu die wichtigsten Faktoren und deren Interaktionen identifiziert werden, die zu einer höheren Wahrscheinlichkeit für das Auftreten von extremen Hochwassern führen. Wissenschaftlicher Austausch im SPATE-Projekt ist von besonderer Wichtigkeit und wird in Form von Arbeit in vier Themencluster gefördert. Im Teilprojekt 3 findet der Austausch in den Clustern Ereignisskala sowie räumliche und zeitliche Variabilität statt.

Die Arbeit im Teilprojekt 3 am GFZ gliedert sich in drei Arbeitspakete:

Im Arbeitspaket 1 (WP1) steht die Analyse des sogenannten Upper-Tail-Verhalten von Extremwertverteilungen im Vordergrund. Das Tail-Verhalten einer Verteilungen nennt man ‚heavy-tailed‘, wenn extreme Werte mit einer höheren Wahrscheinlichkeit auftreten als im Vergleich zu einer exponentiellen Verteilung. Verschiedenen Studien zeigen, dass Heavy-Tail-Verhalten insbesondere bei hydrologischen und meteorologischen Variablen weit verbreitet ist (Katz et al., 2002). Da die potentiellen Folgen von Extremereignissen in diesen Bereichen dramatisch sein können, ist die qualifizierte Betrachtung der Heavy Tails von großer Wichtigkeit.
Regionale Muster von Heavy-Tail-Verhalten in einem Datensatz aus 173 Einzugsgebieten wurden von Bernadara et al. (2008) detektiert. Basierend auf ihrer Analyse interpretierten Bernadara et al. (2008), dass die Verteilungen von Einzugsgebieten, in denen Schneeschmelze der Hauptfaktor für Hochwasserentstehung ist, leichtere Tails aufweisen. Villarini und Smith (2010) zeigten, dass Wetterlagen einen großen Einfluss auf das Tail-Verhalten von Hochwasserzeitreihen im Osten der USA haben.
Das Upper-Tail-Verhalten von Verteilungen und die wichtigsten Faktoren und Interaktionen, die es beeinflussen, sind bislang nur wenig erforscht. Durch die Komplexität in der Entstehung von Extremereignissen wie Hochwasser und Starkregen sind klassische statistische Methoden in der Regel nicht ausreichend, um wichtigste Kontrollfaktoren zu identifizieren und Zusammenhänge zu entdecken. Daher ist weitere Forschung in diesem Feld unerlässlich.

Im Arbeitspaket 1 soll daher komplexe, multivariate Datenanalyse in Verbindung mit Prozessanalysen genutzt werden, um die Kernfaktoren und –prozesse des Auftretens von Heavy-Tail-Verhalten in Verteilungen zu identifizieren. Dabei sollen sowohl Starkregen- als auch Hochwasserzeitreihen in Deutschland und Österreich analysiert werden. Der Datensatz enthält etwa 1200 Niederschlagszeitreihen und etwa 500 Abflusszeitreihen und spiegelt die topographische und meteorologische Vielfalt der Einzugsgebiete in Deutschland und Österreich wider. Der zweite, wichtige Datensatz besteht aus einer Vielzahl von Einzugsgebiets- und Ereignischarakteristika, mithilfe derer das Upper-Tail-Verhalten der Zeitreihen eingehend analysiert wird. Die wichtigsten Arbeitsschritte im Arbeitspaket 1 sind die folgenden:

- Erstellung einer Datenbank mit konsistenten Abfluss- und Niederschlagszeitreihen aus Deutschland und Österreich
- Recherche, Analyse und Anwendung von Methoden, um das Upper-Tail-Verhalten von Verteilungen zu quantifizieren
- Ableitung von Einzugsgebiets- und Ereignischarakteristika aus verschiedenen Quellen, Beispiele sind die Bodenfeuchte vor dem
Ereignis, der Basisabflussindex oder Großwetterlagen zum Zeitpunkt des Ereignisses
- Vergleichende Analysen des Upper-Tail-Verhaltens und der Charakteristika mithilfe von Data-Mining-Ansätzen wie beispielsweise
Random Forest und Bayes’sche Netze
- Vergleich von Upper-Tail-Verhalten von Hochwasserzeitreihen und dazugehörigen Gebietsniederschlägen

Das Arbeitspaket 2 (WP2) widmet sich der Transformation von Hochwasserwellen in Flussnetzen. Der Hauptfokus des Arbeitspakets liegt hierbei auf der Überlagerung oder Superposition von Hochwasserwellen beim Zusammenfluss von Flüssen. Die Überlagerung von Hochwasserwellen kann das Abflussvolumen, die Abflussspitzen und Hydrographenform als auch die Ausmaße von möglichen Überschwemmungen beeinflussen. Da dadurch die Hochwasserspitzen deutlich höher sein können als sie es ohne Überlagerung wären, kann dies auch das Auftreten von Heavy-Tail-Verhalten in Hochwasserverteilungen beeinflussen.
Wellenüberlagerung wird von verschiedenen Faktoren beeinflusst, dazu zählen zeitliche und räumliche Muster der Niederschläge, Hochwasserentstehungsprozesse, Topographie des Flussgebiets und Zeitpunkt und Höhe der Abflussspitze. Des Weiteren wird vermutet, dass große Einzugsgebiete mit höherem Abflussaufkommen potentiell stärker von Wellenüberlagerung betroffen sind als kleinere. In zahlreichen Studien wurde belegt, dass die Regulierung von Flüssen durch Maßnahmen wie Vertiefung des Flussbetts, Begradigung und Rückbau von Überschwemmungsflächen zu einer signifikanten Veränderung von Hochwassereigenschaften führt. Die damit einhergehende Erhöhung der Abflussspitzen wurde zum Bespiel beim Rhein nachgewiesen (Lammersen et al., 2002; Vorogushyn und Merz, 2013). Vorogushyn und Merz (2013) konnten außerdem zeigen, dass die höheren Abflussspitzen zum Teil durch die Überlagerung der Hochwasserwellen aus Rhein und Neckar beeinflusst waren. Die Regulierung des Flusses verstärkte diesen Effekt durch die Beschleunigung der Wellengeschwindigkeit im Flussbett und die Verkürzung des Zeitabstands zwischen den Abflussspitzen der beiden Flüsse (Kalweit et al., 1993).
Die Transformation von Hochwasserwellen ist ein Phänomen, das von vielen verschiedenen Faktoren beeinflusst wird. Obwohl die Überlagerung von Hochwasserwellen potentiell große Risiken für extreme Hochwasser birgt, ist die Forschung zu diesem Thema bis jetzt auf wenige Studien beschränkt.
Daher ist das Ziel von WP2, das Wissen zur Überlagerung von Hochwasserwellen zu erweitern und ein besseres Verständnis für die wichtigsten Faktoren und Prozesse zu entwickeln. Dafür werden Überlagerungsmuster aus Abflusszeitreihen von großen Einzugsgebieten in Deutschland und Österreich detektiert und historische Ereignisse eingehend analysiert. Dabei werden die Überlagerungsmuster und Eigenschaften der Abflussspitzen den Hochwasserentstehungsprozessen gegenüber gestellt, um die wichtigsten Faktoren und Prozesse zu identifizieren. Weiterhin wird untersucht, inwiefern die sich die Überlagerung von Hochwasserwellen zwischen kleinen und extremen Hochwasserereignissen unterscheidet.

Die wichtigsten Arbeitsschritte im Arbeitspaket 2 sind:

- Charakterisierung von Hochwasserwellen in Abflusszeitreihen deutscher und österreichischer Einzugsgebiete, dabei werden
insbesondere die Form des Hydrographen sowie die Abflussspitzen untersucht
- Detektion von Überlagerungsmuster in historischen Hochwasserereignissen in großen Flussgebieten
- Analyse von potentiellen Hochwasserentstehungsprozessen
- Gegenüberstellung der Überlagerungsmuster mit den Hochwasserentstehungsprozessen


Fig. 1: Schema der Hochwasserwellenüberlagerung (aus Vorogushyn und Merz, 2013)

Auf der Grundlage der Ergebnisse von Arbeitspaket 1 und 2 wird im Arbeitspaket 3 das nichtlineare Verhalten von extremen Hochwassern untersucht. Mithilfe der Betrachtung der gesamten Hochwasserentstehungskaskade wird analysiert, inwiefern sich die Prozesse der Hochwasserentstehung bei extremen Hochwassern von denen kleiner und mittlerer Hochwasser unterscheiden. Das Heavy-Tail-Verhalten von Hochwasserverteilungen resultiert aus dem komplexen Zusammenwirken verschiedener Prozesse, wobei häufig erst die nichtlineare Überlagerung der Prozessauswirkungen zum Entstehen von Extremereignissen führt (Blöschl and Zehe, 2005). So wurde in vielen Studien ein starker Zusammenhang zwischen atmosphärischen Prozessen und den Vorbedingungen im Einzugsgebiet bei der Entstehung von Extremhochwassern gefunden. Das Zusammenwirken von initialer Bodenfeuchte im Einzugsgebiet und der Niederschlagsmenge wurde beispielsweise als wichtiger Faktor für die Entstehung der extremen Hochwasser im August 2002 und Juni 2013 in Deutschland identifiziert (Schröter et al., 2015; Stohl und James, 2004). Das Auftreten von Schwellenwertprozessen ist ein weiterer wichtiger Grund für Nichtlinearitäten bei der Entstehung von Hochwasser, da diese zu einem Umschalten im System führen können. Ein klassisches Beispiel ist das Umschalten des Abflussregimes von Zwischenabfluss zu Oberflächenabfluss, wenn Schwellenwerte überschritten werden.
So führt die Überschreitung der Bodeninfiltration durch die Niederschlagsintensität zur Entstehung von Oberflächenabfluss durch Infiltrationsüberschuss und die Überschreitung der Bodenwasserspeicherkapazität zur Entstehung von Oberflächenabfluss als Folge von Sättigungsüberschuss. In Hochwasserhäufigkeitsdiagrammen werden Nichtlinearitäten häufig anhand von sprunghaften Änderungen der Verteilungsfunktion, sog. Step Changes, erkannt (Rogger et al. 2012). So konnten Kusumastuti et al. (2007) zeigen, dass die beobachteten Step Changes in den Daten auf das Umschalten zwischen verschiedenen Abflussprozessen zurückzuführen sind. Schwellenwertprozesse können auch innerhalb des Flussnetzes auftreten, so zum Beispiel bei Deichbrüchen.
Nichtlineares Verhalten im Zusammenhang mit extremen Hochwassern kann innerhalb der gesamten Hochwasserentstehungskaskade auftreten. Die Analyse der Faktoren und Prozesse, die Nichtlinearitäten beeinflussen ist von großer Wichtigkeit, da hier der Schlüssel zu einem besseren Verständnis der Entstehung von Extremhochwassern liegt. Das Ziel des Arbeitspakets 3 ist daher, die Quellen und Ausmaße von Nichtlinearitäten im Hochwasserentstehungsprozess zu identifizieren, um dadurch Unterschiede in der Entstehung von extremen und mittleren Hochwassern zu finden. Mit dem Fokus auf dem Prozessverständnis wird das Heavy-Tail-Verhalten von Hochwasserverteilungen untersucht und insbesondere das Zusammenwirken von Bedingungen im Einzugsgebiet (z.B. initiale Bodenfeuchte) und atmosphärischer Situation (z.B. Niederschlagscharakteristika und Großwetterlagen) analysiert. Die wichtigsten Arbeitsschritte im Arbeitspaket 3 sind:

- Auswahl von extremen Hochwassern in den Einzugsgebieten Mulde und Inn und deren Gegenüberstellung mit den verbleibenden
mittleren und kleinen Hochwassern im Datensatz
- Ableitung von raumzeitlichen Prozessfeldern entlang der Hochwasserentstehungskaskade aus Beobachtungen und Simulationen,
Charakteristika dieser Prozessfelder sind atmosphärische Bedingungen, Einzugsgebietscharakteristika, Ereignismeteorologie
und Hochwasserentstehung im Einzugsgebiet.


Fig. 2: Verschiedene Möglichkeiten der Extrapolation von Extremhochwasserereignissen. Die Extrapolation 3 berücksichtigt eine Schwellenwertänderung (Step Change), sobald die Wasserspeicherkapazität überschritten wird (aus Rogger et al., 2012, WRR)

Wissenschaftler:
Dr. Heidi Kreibich (Leitung des Teilprojekts)
Prof. Dr. Bruno Merz
Dr. Sergjy Vorogushyn
Dr. Björn Guse (Post-Doc im Teilprojekt)
Luzie Wietzke (Doktorandin im Teilprojekt)

Literatur

Bernardara, P., Schertzer, D., Sauquet, E., Tchiguirinskaia, I. and Lang, M.: The flood probability distribution tail: how heavy is it? Stoch Environ Res Risk Assess, 22, 107–122, 2008.
Blöschl, G. and Zehe, E.: On hydrological predictability, Hydrol. Process., 19, 3923–3929, 2005.
Kalweit, H., Buck, W., Felkel, K., Gerhard, H., van Malde, J., Nippes, K.-R., Ploeger, B., and Schmitz, W: Der Rhein unter der Einwirkung des Menschen – Asubau, Schiffahrt, Wasserwirtschaft, Report Nr. I-11, Internationale Kommission für die Hydrologie des Rheingebietes, Lelystad, The Netherlands, 1993.
Kusumastuti, D. I., Struthers, I., Sivapalan, M., and Reynolds, D. A.: Threshold effects in catchment storm response and the occurrence and magnitude of flood events: implications for flood frequency, Hydrol. Earth Syst. Sci., 11, 1515-1528, 2007.
Lammersen, R., Engel, H., van de Langemheen, W., and Buiteveld, H.: Impact of river training and retention measures in flood peaks along the Rhine, J. Hydrol., 267, 115–124, 2002.
Merz, R. and Blöschl, G.: A process typology of regional floods, Water Resources Research 39 (12), 1340, 2003
Merz, R. and Blöschl, G.: Process controls on the statistical flood moments – a data based analysis, Hydrol. Process, 23, 675-696, 2008
Rogger, M., H. Pirkl, A. Viglione, J. Komma, B. Kohl, R. Kirnbauer, R. Merz, and G. Blöschl, Step changes in the flood frequency curve: Process controls, Water Resour. Res., 48, W05544, 2012
Schröter, K., Kunz, M., Elmer, F., Mühr, B., and Merz, B.: What made the June 2013 flood in Germany an exceptional event? A hydro-meteorological evaluation. Hydrol. Earth Syst. Sci., 19, 309-327, 2015
Stohl, A. and James, P., A Lagrangian analysis of the atmospheric branch of the global water cycle.
Part I: Method, description, validation, and demonstration for the August 2002 flooding in Central Europe, Journal of Hydrometeorology, 5, 656-678, 2004
Villarini, G. and Smith, J. A.: Flood peak distributions for the eastern United States, Water Resources Research, Vol. 46, W06504, 2010
Vorogushyn, S. and Merz, B.: Flood trends along the Rhine: the role of river training, Hydrol. Earth Syst. Sci. 17, 3871-3884, 2013.