Projekt 1 - Hydrology of extraordinary floods – event analysis

Wie ein extremes Hochwasser entsteht, welche Faktoren Einfluss darauf haben und wie diese Faktoren interagieren, wird im Teilprojekt 1 „Hydrology of extraordinary floods – event analysis“ untersucht. Hierzu wird zunächst eine detaillierte Analyse von Extremereignissen in verschiedenen Regionen durchgeführt. Die größten Hochwasser ausgewählter deutscher und österreichischer Einzugsgebiete werden auf ihre Entstehungsprozesse und deren Zusammenspiel analysiert. Besonderes Augenmerk wird dabei auf den Niederschlag, die Bodenfeuchte und die abflussbildenden Prozesse sowie auf die Wellenfortpflanzung gelegt. Das Teilprojekt umfasst zwei Phasen. In der ersten Phase werden regionale Hochwasserereignisse der Mulde und des Inns ausgewählt und analysiert. In der zweiten Phase findet die Testung, Validierung und falls nötig Anpassung der in der ersten Phase gewonnenen Erkenntnisse anhand des Einzugsgebietes der Aller-Leine und des Neckars statt.
Zu Beginn der ersten Phase werden die vorhandenen hydrologischen und meteorologischen Daten der zu untersuchenden Einzugsgebiete (Mulde und Inn) aufgearbeitet. Mit Hilfe der Volumen-Scheitelbeziehung von Hochwassern werden dabei Unterschiede und Ähnlichkeiten zwischen verschiedenen Hochwassertypen charakterisiert. Dazu wird die Vorfeuchte für ausgewählte Einzugsgebiete im Untersuchungsgebiet ermittelt, sowie die Niederschlagsabflussverhältnisse und die Koinzidenz von Hochwassern in diesen Gebieten untersucht. Dieses Vorgehen ist aus (Schumann et al. 2016) entnommen. Die Vorfeuchteuntersuchung wird in drei Bereiche unterteilt.
Zuerst wird der Vorregen mit dem 5, 6-10 und 30 Tage Vorregenwert des Gebietsniederschlags ermittelt und eine Gewichtung der Vorregenereignisse durchgeführt. Diese Gewichtung berücksichtigt nicht nur die zeitlichen Abstände zum Scheitel sondern auch die verschiedenen Gegebenheiten des Einzugsgebiets in verschiedenen Jahreszeiten. Der somit ermittelte gewichtete Vorregen der Einzugsgebiete wird zu einem Maximalwert, dem in diesem Zusammenhang höchsten ermittelten Vorregenwert, in Relation gesetzt, um zu sehen, welche Hochwasserereignisse ähnliche Vorregenverhältnisse aufweisen. Darauffolgend wird der Abfluss vor Beginn des Hochwasserereignisses betrachtet. Es wird der Abflusswert vor Anstieg der Hochwasserwelle mit dem Mittelwasserabfluss in der Saison des Hochwasserereignisses (Sommer, Winter) in Relation gesetzt. Daraus wird die Höhe des Basisabflusses zum Hochwasserereignisbeginn ersichtlich. Im nächsten Schritt der Vorfeuchtebetrachtung wird die zeitliche Verteilung der hochwasserauslösenden Niederschläge beurteilt. Zur Gegenüberstellung von Niederschlagsereignissen unterschiedlicher Dauer werden für die untersuchten Einzugsgebiete die Maximalsummen des Gebietsniederschlags über 72, 48, 24, 12 und 6 h gebildet. Abbildung 1 zeigt beispielhaft die 24h-Niederschlagsmaxima verschiedener Zwischeneinzugsgebiete der Mulde für die Hochwasserereignisse von 1954, 1958, 1995, 2002 und 2013. Die Unterschiede zwischen den beiden Extremereignissen 2002 und 2013 werden deutlich. Der konvektive Niederschlagsanteil und die Niederschlagsdauer werden mit Hilfe der Ungleichförmigkeit in der zeitlichen Niederschlagsverteilung untersucht. Hierzu werden die Maximalsummen der Gebietsniederschläge (6h, 12h, 24h, 48h) mit der nächst höheren Dauerstufe für die einzelnen Hochwasserereignisse verglichen und ein Unförmigkeitsquotient gebildet.


Abbildung 1: 24h-Niederschlagsmaxima für 15 Einzugsgebiete und fünf Hochwasser der Mulde. (Schumann et al. 2016)

Im Anschluss an die Vorfeuchtebetrachtung werden die Niederschlagsabflussverhältnisse der einzelnen Hochwasserereignisse dargestellt. Diesbezüglich wird die Relation (Abflussbeiwert) zwischen dem Direktabfluss und den Niederschlagssummen unter Anwendung eines homogenen Regressionsmodells ermittelt. Darauffolgend wird eine Unterteilung der Hochwasserganglinien in intensitätsabhängige und mengenabhängige Ereignisverläufe durchgeführt, um den Einfluss der Niederschlagsverhältnisse auf das Hochwasserereignis zu verdeutlichen. Um den Zusammenhang zwischen Abflussbildung und Abflusskonzentration zu konkretisieren, wird die Scheitelabflussspende mit dem Abflussbeiwert verglichen. Dies geschieht unter Berücksichtigung von mengenabhängigen und intensitätsabhängigen Scheitelabflussspenden, was mit Hilfe des Unförmigkeitsquotienten des Niederschlags geschieht. Abschließend wird die Koinzidenz der Hochwasser untersucht. Dabei wird untersucht, wie sich das Zusammentreffen von Hochwasserwellen auf den gesamten Hochwasserscheitel und damit auf die Jährlichkeit des Hochwasserereignisses auswirkt. Wie bei einem Vergleich von Abbildung 2 und 3 ersichtlich wird, käme es bei einer angenommen kritischen Überlagerung der Hochwasserscheitel des Hochwassers von 2002 zu einem deutlich höheren Scheitelabfluss am Pegel Golzern. Mögliche Überlagerungen und deren Wahrscheinlichkeiten können mit multivariaten statistischen Modellen beurteilt werden.


Abbildung 2: Beobachtete Überlagerung der zeitlich versetzten Hochwasserganglinien von Zwickauer Mulde, Zschopau und Freiberger Mulde (Pegel Nossen) 2002 (Schumann et al. 2016)


Abbildung 3: Eine angenommene scheitelgleiche Überlagerung der Hochwasserganglinien von Zwickauer Mulde, Zschopau und Freiberger Mulder (Pegel Nossen) bei dem Hochwasserereignis 2002 hätte zu einem etwa 13% höheren Scheitel geführt (Schumann et al. 2016)

Die zu untersuchenden extremen Hochwasser werden dann aus den betrachteten Einzugsgebieten ausgewählt. Es folgt eine datenbasierte Analyse der ausgewählten Hochwasser. Dazu wird der analytische Ansatz von Woods und Sivapalan (Woods und Sivapalan 1997) und Viglione et al. (Viglione et al. 2010) durch einen GIS-basierten Modellansatz erweitert, um Hochwassercharakteristika zu schätzen, welche nicht von direkt beobachteten Daten abgeleitet werden können. Hierzu werden großräumige Niederschlagsfelder mit Verfahren des „machine learning“, zum Beispiel mit SVM (support vector machines), analysiert, um spezielle Verteilungsmuster des Niederschlages zu ermitteln und somit zunächst die Grundbelastung mit Niederschlagsmengen zu klassifizieren. Die Reaktionen der Einzugsgebiete werden auf dieser Grundlage räumlich differenziert, d.h. je nach Niederschlagsbelastung, ermittelt und anhand der Abflussganglinie in Reaktionsmuster kategorisiert. Ein Beispiel für verschiedene Niederschlagsbelastungen und daraus resultierenden Unterschieden in den Abflussreaktionen wird in Abbildung 4 gezeigt. Obwohl die Hochwasserscheitelabflüsse nahezu gleich groß sind, sind die zeitlichen Niederschlagsverteilungen sehr unterschiedlich (hohe Intensitäten, geringe Gesamtdauer 2002, geringe Intensitäten und lange Dauer 2013).



Abbildung 4: Hochwasserauslösende Niederschläge der Hochwasser 2002 (oben links) und 2013 (oben rechts) mit den dazugehörigen Hochwasserganglinien (unten) am Pegel Zwickau/ Zwickauer Mulde.

Diese Reaktionsmuster werden genutzt, um Ereignisse mit vergleichbaren Entstehungsmechanismen in der Vielfalt der nichtextremen Hochwasserereignisse der Vergangenheit in den jeweiligen Flussgebieten zu identifizieren. Hierzu wird eine modellbasierte Analyse der Hochwassersteuerungsprozesse extremer Ereignisse im Einzugsgebiet der Mulde und des Inn durchgeführt, um so die Faktoren zu ermitteln, die für eine Extremierung maßgebend sind (zum Beispiel Vorfeuchte, räumliche Überlagerung von Hochwasserwellen, extreme Niederschlagsintensität oder Niederschlagsmengen). Für beobachtete kleinere Hochwasserereignisse werden auf dieser Grundlage Extremierungsszenarien abgeleitet. In der Abbildung 5 werden die unterschiedlichen Ganglinien der Hochwasser von 2002 und 2013 an ausgewählten Pegeln der Mulde gezeigt. Die zu erkennenden Unterschiede in den Ganglinienformen zwischen den Ereignissen entlang der Mulde sind wahrscheinlich auf die oben genannten Extremisierungsfaktoren zurückzuführen.


Abbildung 5: Hochwasserganglinien des Hochwasser 2002 (links) und 2013 (rechts) entlang der Mulde und deren Nebenflüsse an ausgewählten Pegeln.

Im Ergebnis wird ein Klassifizierungsverfahren bereitgestellt, mit dem die Ursachen extremer Hochwasserereignisse in einer Region ermittelt werden können, die Extremierungsfaktoren kausal und statistisch charakterisiert und etwaige Einflussmöglichkeiten im Rahmen der vorbeugenden Hochwasserschutzplanung aufgezeichnet werden können. In der zweiten Phase des Teilprojektes wird die Vergleichsanalyse auf die Einzugsgebiete der Aller-Leine und des Neckars ausgeweitet. Damit werden die in der ersten Phase gewonnenen Erkenntnisse in andere Regionen übertragen, um die verschiedenen Hochwasserreaktionen vergleichen zu können, die aus verschiedenen Einzugsgebietseigenschaften und hydrometeorologischen Antriebskräften resultieren. Ziel ist es, ein generalisiertes Verständnis der Entstehung von Extremhochwassern und deren regional spezifischen Steuerungsprozessen zu schaffen.

Literaturverzeichnis

Schumann, A.; Fischer, B.; Büttner, U.; Bohn, E.; Walther, P.; Wolf, E. (2016): Vergleich der größten Hochwasser im Muldegebiet (Schriftenreihe des Landesamtes für Umwelt, Landwirtschaft und Geologie Freistaat Sachsen, 18). Online verfügbar unter https://publikationen.sachsen.de/bdb/artikel/26907, zuletzt aktualisiert am 2016, zuletzt geprüft am 29.09.2016.
Viglione, A.; Chirico, G. B.; Komma, J.; Woods, R.; Borga, M.; Blöschl, G. (2010): Quantifying space-time dynamics of flood event types. In: Journal of Hydrology 394 (1-2), S. 213–229. DOI: 10.1016/j.jhydrol.2010.05.041.
Woods, R.A; Sivapalan, M. (1997): A connection between topographically driven runoff generation and channel network structure. In: Water Resources Research (33 (12)), S. 2939–2950.