Hydrologische Gutachten für Thüringer Talsperren. 05. November 2014 Jena M. Möller / Dr. Thiele Hydrologische Gutachten für Thüringer Talsperren

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1 Hydrologische Gutachten für Thüringer Talsperren 1

2 Inhalt Veranlassung und Zielstellung Eingesetzte Verfahren und Ergebnisse Maßgebende Bemessungsabflüsse Gewässerkundliche Hauptzahlen Bewertung der Gutachtenergebnisse Herausforderungen und Lösungsansätze Weitere Verwendung der Ergebnisse Zusammenfassung und Ausblick 2 M. Möller / Dr. Thiele Hydrologische Gutachten für Thüringer Talsperren

3 Veranlassung und Zielstellung Talsperren Multifunktionale, robuste Infrastruktur erfüllt vielfältige wasserwirtschaftliche Aufgaben Betrieb und Steuerung anhand jeweils aktueller Bewirtschaftungspläne Sachgerechte Sicherheitsbemessung erfordert Kenntnisse der hydrologischen Standortbedingungen hydrologische Gutachten Talsperre Ohra im Mittleren Thüringer Wald 3

4 Veranlassung und Zielstellung Die Stauanlagen der Thüringer Fernwasserversorgung (blau - Trinkwasser, grün Brauchwasser, rot Hochwasserschutz) 4

5 Veranlassung und Zielstellung Klassifizierung und Sicherheitsbemessung Einteilung der Talsperren nach Geometrie und Gefahren- sowie Gefährdungspotenzials in vier Klassen Unterscheidung von drei Hochwasserbemessungsfällen Hochwasserbemessungsabfluss 1 Bemessung der Hochwasserentlastungsanlage Hochwasserbemessungsabfluss 2 Tragsicherheit des Absperrbauwerkes nicht gefährdet Hochwasserbemessungsfall 3 Bemessung des gewöhnlichen Hochwasserrückhalteraumes Je nach Kombination aus Talsperrenklasse und Hochwasserbemessungsfall sind unterschiedliche Wiederkehrintervalle zu betrachten 5

6 Veranlassung und Zielstellung Talsperrenklasse Bemessungshochwasserabfluss 1 BHQ 1 ; T [a] Bemessungshochwasserabfluss 2 BHQ 2 ; T [a] 1 (große Talsperren) (mittlere Talsperren) (kleine Talsperren) (sehr kleine Talsperren) Wiederkehrintervalle T für die Hochwasserbemessungszuflüsse BHQ 1 und BHQ 2 für Talsperren in Thüringen (TMLNU, 2007) 6

7 Veranlassung und Zielstellung Aktualisierungsbedarf Periodische Aktualisierung und Fortschreibung der hydrologischen Grundlagendaten ist im Regelwerk festgeschrieben (DIN 19700, ThürTAStau) Daten- und Kenntnisstand aus Planungs- und Bauzeit, bzw. 1980er Weiterentwicklung der hydrologischen Verfahren sowie Verlängerung der Messreihen Im Zeitraum : neue hydrologische Gutachten für alle 65 bestehenden Stauanlagen Ermittlung der hydrologischen Bemessungswerte für die Sicherheitsnachweise nach DIN unter Berücksichtigung der Retention 7

9 Eingesetzte Verfahren und Ergebnisse Übersicht zu den Verfahren Ermittlung der HQ(T) aus Extremwertstatistik Verfahren Kleeberg-Schumann HQ(T)-Bestimmung nach dem Schweizerischen Sicherheitskonzept Niederschlag-Abfluss-Modell (NAM) 9

10 Eingesetzte Verfahren und Ergebnisse Bezugspegel für den Anlagenquerschnitt Einzugsgebiete von Anlagenquerschnitt und Bezugspegel sollen hydrologisch ähnlich sein Fall 1: Bezugspegel vorhanden HQ(T) am Anlagenquerschnitt mit Übertragungsfunktion aus HQ(T) am Bezugspegel HQ( T ) HQ T unb. = ( ) beob. AE AE unb. beob. EXP 10

11 Eingesetzte Verfahren und Ergebnisse Verfahren Schweizerisches Sicherheitskonzept 11

12 Eingesetzte Verfahren und Ergebnisse Bezugspegel für den Anlagenquerschnitt Fall 2: Bezugspegel nicht vorhanden Ermittlung der HQ(T) direkt für den Anlagenquerschnitt Ermittlung der HQ(2), HQ(5) und HQ(10) nach dem Einfachen Extrapolationsverfahren nach DYCK Ermittlung des HQ(100) nach regionalisierter Funktion Hq(100) = f(ae) Stochastische Simulation einer 1000-jährigen Reihe unter Bezug auf die Stützpunkte HQ(2), HQ(5), HQ(10) und HQ(100) Ermittlung der HQ(T) mit dem Programm HQ-EX auf Basis der 1000-jährigen Reihe von HQ 12

13 Eingesetzte Verfahren und Ergebnisse Stochastische Simulation einer 1000-jährigen Reihe 13

14 Eingesetzte Verfahren und Ergebnisse Ermittlung der HQ(T) mit dem Programm HQ-EX 14

15 Eingesetzte Verfahren und Ergebnisse Ergebnisvergleich der Verfahren für das HQ 1000 an der Talsperre Heyda 15

16 Eingesetzte Verfahren und Ergebnisse Verfahren KLEEBERG & SCHUMANN MHQ, Standardabweichung s HQ und Schiefe c aus den beobachteten HQ(a) am Bezugspegel HQ(Pü) = MHQ + s HQ k 10-2 f Pü mit k 10-2 = 2, ,7725 c - 0,065 c² f Pü = 1,0 für T= 100 a bis f Pü = 2,8 für T= a Transformation der HQ(T) vom Bezugspegel zum Anlagenquerschnitt nach Verfahren DYCK 16

19 Eingesetzte Verfahren und Ergebnisse Verfahren Niederschlag-Abfluss-Modell (NAM) 19

20 Verfahren Niederschlag-Abfluss-Modell (NAM) Eingesetzte Verfahren und Ergebnisse Einsatz des NAM des Instituts für Hydrologie und Wasserwirtschaft der Universität Karlsruhe Gebietskenngrößen Verschneidung des Einzugsgebietes mit digitaler Nutzungskartierung und Bodenkarte gewogenes Gefälle entlang des Hauptvorfluters Länge des Hauptvorfluters Basisabfluss als Anfangszustand Niederschläge nach KOSTRA und REWANUS 20

21 Verfahren Niederschlag-Abfluss-Modell (NAM) Eingesetzte Verfahren und Ergebnisse Kalibrierung des NAM Ziel der Kalibrierung -> Anpassung der berechneten an beobachtete Hochwasserganglinie durch Variation von Parametern Fall 1: Bezugspegel vorhanden Erstellung eines NAM für das Pegeleinzugsgebiet Beschaffung von Niederschlags- u. Abflussdaten für Hochwasserereignisse Aufbereitung der Kalibrierwellen und Separation des Basisabflusses Kalibrierung Erstellung eines NAM für das Einzugsgebiet der Stauanlage Übernahme der kalibrierten Parameter des NAM Ermittlung der HQ(T) an der Stauanlage durch Belastung des NAM mit Niederschlägen 21

22 Eingesetzte Verfahren und Ergebnisse Beispiel Separation der Hochwasserwellen zur Kalibrierung HW ,0 4,5 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0, Niederschlag [mm] Niederschlag Q-beobachtet Q-Rückgang Basisabfluss 1,000 0,900 0,800 0,700 0,600 0,500 0,400 0,300 0,200 Abfluss [m³/s] 0,100 0,000 Verfahren Niederschlag-Abfluss-Modell (NAM) 22

23 Verfahren Niederschlag-Abfluss-Modell (NAM) Eingesetzte Verfahren und Ergebnisse Kalibrierung des NAM Ziel der Kalibrierung -> Anpassung der berechneten an beobachtete Hochwasserganglinie durch Variation von Parametern Fall 2: Bezugspegel nicht vorhanden Erstellung eines NAM für das Einzugsgebiet der Stauanlage Ermittlung der Niederschlagsdauer für T = 100a, die den maximalen Scheitel generiert Parameter des NAM so variieren, dass das HQ(100) mit den übrigen Verfahren verträglich ist Analoges Vorgehen für T>100a Zusammenschau der ermittelten suboptimalen Parametersätze Entscheidung für eine Parametersatzvariante Ermittlung der HQ(T) an der Stauanlage durch Belastung des NAM mit Niederschlägen 23

24 Eingesetzte Verfahren und Ergebnisse TS Seebach - Verfahren Niederschlag-Abfluss-Modell (NAM) bei Belastung mit N(100) nach KOSTRA (August) 24

25 Eingesetzte Verfahren und Ergebnisse Vergleich unterschiedlicher Verfahren für HQ(T) an der TS Seebach 25

27 Ermittlung der maßgebenden Bemessungshochwasserzuflüsse durch Retentionsrechnungen Belastung eines Simulationsmodells für den Stauanlagenbetrieb mit den ermittelten Bemessungshochwasserganglinien Maßgebende Bemessungsabflüsse Einsatz des Programms WinKBM (Entwickler THIELE & BÜTTNER (2012)) Bestimmung der Leistungskurven für GA und HWE Randbedingungen für die Hochwasserbemessung gemäß Tabelle 1 der DIN Simulation des Stauanlagenbetriebs 27

28 Ermittlung der maßgebenden Bemessungshochwasserzuflüsse durch Retentionsrechnungen Maximale Inhalte bei der Stauanlagenbetriebssimulation für die Bemessungsfälle BHQ1 und BHQ2 an der TS Seebach (Belastung mit Niederschlägen nach REWANUS) Maßgebende Bemessungsabflüsse BHQ 1 maximaler Inhalt BHQ 2 maximaler Inhalt Dauer [h] [Mio. m³] [Mio. m³] 12 4,2767 4, ,6407 5, ,0451 5, ,1751 5, ,1962 5, ,2025 5, ,2023 5, ,1998 5, ,1961 5, ,1921 5, ,1876 5,247 28

29 Maßgebende Bemessungsabflüsse Ermittlung der maßgebenden Bemessungshochwasserzuflüsse durch Retentionsrechnungen Zufluss Wildbettabgabe Grundablaß Überlauf Inhalt : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :00 Durchfluß [m³/s] Inhalt [Mio m³]

30 Ermittlung der maßgebenden Bemessungshochwasserzuflüsse durch Retentionsrechnungen Maximale Inhalte bei der Stauanlagenbetriebssimulation für die Bemessungsfälle BHQ1 und BHQ2 an der TS Seebach (Belastung mit Niederschlägen nach REWANUS) Maßgebende Bemessungsabflüsse maximaler maximale maximaler maximaler Zufluss Abgabe TS-Inhalt WSP Freibord Freibord [m³/s] [m³/s] [Mio. m³] [mnhn] Hauptdamm Nebendamm [m] [m] HWBF1 (ZH 1 ) 11,6 9,14 5, ,69 1,77 1,54 HWBF2 (ZH 2 ) 18,6 16,2 5,3 207,79 1,67 1,44 Analoges Vorgehen für den Bemessungsfall BHQ3 30

32 Ermittlung von langjährigen Reihen mittlerer täglicher Zuflüsse und gewässerkundlicher Hauptzahlen Gewässerkundliche Hauptzahlen Ermittlung mittlerer täglicher Abflüsse sowie NNQ, MNQ und MQ auf Basis eines Bezugspegels Transformation der Abflüsse über die Einzugsgebietsgröße und Wichtung mit dem langjährigen mittleren Abfluss gemäß Wasserhaushaltsmodell J2000g (TLUG Jena) Transformation von MHQ und HHQ vom Bezugspegel zum Stauanlagenquerschnitt gemäß Längsschnittverfahren nach DYCK Für die TS Seebach wurden folgende Hauptzahlen ermittelt. Hauptzahlen Pegel Flarchheim/Cammerbach [m³/s] TS Seebach [m³/s] NNQ 0,000 0,000 MNQ 0,002 0,004 MQ 0,037 0,076 MHQ 1,19 2,01 HHQ 2,78 4,69 32

34 Bewertung der Gutachtenergebnisse Einzugsgebietsgrößen 1 km² bis km² Stauanlagen ohne Bezugspegel spezifische Füllen: 229 Tm³/km² im Thür. Wald und 10 Tm³/km² in Flachlandgeb. maßgebende Niederschlagsdauern unabhängig von Einzugsgebietsgröße Scheitelabflüsse für die HWBF nicht identisch mit max. Scheitel Verhältnis HQ(1.000)/HQ(100) in den HyGa sehr hoch Schweizerisches Sicherheitskonzept liefert meist größte HQ(T) Verfahren Kleeberg/Schumann liefert meist kleinste HQ(T) 34

35 Bewertung der Gutachtenergebnisse 22,00 HQ(T) TS Lütsche Vergleich der Ergebnisse verschiedener Verfahren 20,00 18,00 Scheitelwert [m³/s] 16,00 14,00 12,00 10,00 8,00 NAM Extremwertstatistik Schweizkonzept Einf. Extrapol.n. DYCK Einf. Extrapol.n. Hq(100)-Grafik 6,00 4,00 2,00 0, Wiederkehrintervall [a] 35

37 Herausforderungen und Lösungsansätze Probleme bei der Bearbeitung der Hydrologischen Gutachten und Lösungsvorschläge Regionalbezogene Ermittlung des Exponenten für das Längsschnittverfahren nach DYCK EXP AEunb HQ T unb HQ T beob. ( ). = ( ). AE beob. Vorschlag: Exponent kalibrieren aus der Abflussspendengrafik gemäß Schweizer Sicherheitskonzept Festlegung des Basisabflusses beim Verfahren NAM Vorschlag: langjährigen mittleren Abfluss für März und August 37

38 Herausforderungen und Lösungsansätze Probleme bei der Bearbeitung der Hydrologischen Gutachten und Lösungsvorschläge Niederschlagsverteilung innerhalb der Niederschlagsdauer Vorschlag: Modellregen nach Euler (Arbeitsblatt DWA-A 118) Im Modellregen nach Euler II sind bei Ansatz langer Regendauern auch die Regenmengen kürzerer Dauer impliziert Euler- 2 -Verteilung N [mm] Zeit [h] 38

39 Herausforderungen und Lösungsansätze Probleme bei der Bearbeitung der Hydrologischen Gutachten und Lösungsvorschläge Erweiterung der hydrologischen Informationsbasis Vorschlag: Verbesserung der W/Q-Beziehung für hohe Wasserstände durch hydraulische Modellierung des Gewässers im Pegelbereich W/Q am Pegelquerschnitt Pegel [cm] Q-Messungen WQ-Tabelle HEC-RAS.n=0,04, I=0,0015 2D-Test KST25/25 2D-Test KST25/20 2D-Test KST25/ Abfluss [m ³/s] 39

40 Herausforderungen und Lösungsansätze Probleme bei der Bearbeitung der Hydrologischen Gutachten und Lösungsvorschläge Ermittlung des Restrisikos von Stauanlagen durch Ermittlung des PMF Vorschlag: Kostenoptimale Bestimmung des PMF durch Ansatz der Zeitflächenfunktion auf Basis DGM des Einzugsgebiets und Kalibrierung der Impulsantwort des NAM am Bezugspegel Niederschläge (Regendauer = 24 h) Altenberg 350,0 <200a aus KOSTRA, sonst PEN-LAWA, MGN = 350mm, 24h, AE=100 km² 300,0 250,0 hn [mm] 24h-Regen 2002=312mm beobachtet T=20 000a festgelegt T= a nach LAWA-Verteilung Scheitelwert [m³/s] 200,0 150,0 100,0 50,0 0, Wiederkehrintervall [a] 40

41 Herausforderungen und Lösungsansätze Probleme bei der Bearbeitung der Hydrologischen Gutachten und Lösungsvorschläge Regionalisierung von HQ(T)-Faktoren Vorschlag: HQ(T)-Faktoren entsprechend des KIT in Baden-Württemberg 41

42 Herausforderungen und Lösungsansätze Probleme bei der Bearbeitung der Hydrologischen Gutachten und Lösungsvorschläge Nutzung von historischen Hochwasserabflüssen zur Verifizierung von Bemessungsabflüssen mit großen Wiederkehrintervallen Risiko R (Eintrittswahrscheinlichkeit) für den Eintritt eines Hochwasserereignisses R = 1 - (1-1/T) n T [a] Wiederkehrintervall n [a] Länge der Beobachtungsreihe n = 20a, T = 100a, R = 18,2% n = 90a, T = 100a, R = 59,5% Vorschlag: Standorte mit hist. Hochwassermarken einem Bezugspegel zuordnen Ermittlung des hist. Abflusses mit hydraulischem 2D-Modell Transformation des hist. Abflusses zum Bezugspegelquerschnitt Extremwertstatistik am Pegelquerschnitt mit hist. Abflüssen 42

43 Herausforderungen und Lösungsansätze Probleme bei der Bearbeitung der Hydrologischen Gutachten und Lösungsvorschläge Verifizierung der Parameter von NAM für Einzugsgebiete in Thüringen Hydrologische Gutachten werden häufig mit Standardparametern bearbeitet Vorschlag: Verifizierung der Parameter mit Hilfe beobachteter Hochwasserereignisse an Pegeln Auswahl geeigneter Bezugspegel Erstellung eines NAM für die Pegeleinzugsgebiete Auswahl relevanter Hochwasserereignisse Bestimmung der Flächenniederschläge mit Hilfe von RADOLAN Ermittlung der beobachteten Abflussbeiwerte bei den Ereignissen Belastung des NAM mit den Flächenniederschlägen unter Ansatz der beobachteten Abflussbeiwerte Variation der Parameter für die Impulsantwort bis der beobachtete Abflussscheitel durch das NAM generiert wird. 43

45 Weitere Verwendung der Ergebnisse Sicherer Langfristbetrieb der Stauanlagen Verwendung der Ergebnisse für Vielzahl von praxisorientierten Folgearbeiten - Freibordnachweis / Nachweis der Hochwassersicherheit - Wasserwirtschaftspläne und wasserwirtschaftliche Betriebspläne - Stauanlagenstatistik und operativer Talsperrenbetrieb - Sicherheitsnachweise 45 M. Möller / Dr. Thiele Hydrologische Gutachten für Thüringer Talsperren

46 Weitere Verwendung der Ergebnisse Definitionsskizze zum Freibord (DVWK, 1997) 46

47 Weitere Verwendung der Ergebnisse Stauziel Teilstauraum Wasserstand Staufläche Stauinhalt Teilstauraum insgesamt [m PN] 2) [ha] [Mio. m³] [Mio. m³] Kronenstau (Z K ) Freiraum im HWBF2 I F2 58,00 ca. 92 ca. 20,5 ca. 2,0 Hochwasserstauziel im Freiraum im HWBF1 I F1 55,74 87,1 18,46 HWBF2 (Z H2 ) Außergewöhnlicher HW- I AHR2 0,64 Hochwasserstauziel im rückhalteraum im BHQ2 55,58 86,7 18,32 HWBF1 (Z H1 ) Außergewöhnlicher HW- I AHR1 0,50 rückhalteraum im BHQ1 Vollstau (Z V ) 55,00 85,6 17,82 Gewöhnlicher I 2,0 1) GHR Hochwasserrückhalteraum Stauziel (Z S ) 52,61 81,0 15,82 Betriebsstauraum I BR 13,98 Absenkziel (Z A ) 24,40 20,1 1,84 Reserveraum I R Tiefstes Absenkziel (Z T ) 0,40 0,01 Sohle Grundablass Totraum I T Talsohle 0,00 0,00 1) Entsprechend der Schneerücklage zusätzlicher gewöhnlicher Hochwasserrückhalteraum: 25 % der 3,4 Mio. m 3 überschreitenden Menge der im Einzugsgebiet der Talsperre Ohra vorhandenen Schneerücklage (maximal 2,7 Mio. m 3 ) 2) Pegelnullpunkt: 470,00 m NN = 469,99 m NHN 1,84 0,00 0,00 0,00 Stauraumeinteilung Talsperre Ohra 47 M. Möller / Dr. Thiele Hydrologische Gutachten für Thüringer Talsperren

48 Weitere Verwendung der Ergebnisse Konkurrierende Nutzungen bei der Stauraumeinteilung einer Talsperre 48 M. Möller / Dr. Thiele Hydrologische Gutachten für Thüringer Talsperren

49 Weitere Verwendung der Ergebnisse Sicherer Langfristbetrieb der Stauanlagen Verwendung der Ergebnisse für Vielzahl von praxisorientierten Folgearbeiten - Freibordnachweis / Nachweis der Hochwassersicherheit - Wasserwirtschaftspläne und wasserwirtschaftliche Betriebspläne - Stauanlagenstatistik und operativer Talsperrenbetrieb - Zuverlässigkeitsnachweise (Gebrauchstauglichkeit, Dauerhaftigkeit und Tragsicherheit) nach DIN unter Verwendung des Wasserdrucks und weiteren Einwirkungen (Erdbeben, Erddruck, Eisdruck, Temperatur) in sogenannten Einwirkkombinationen oder Lastfällen 49 M. Möller / Dr. Thiele Hydrologische Gutachten für Thüringer Talsperren

50 Weitere Verwendung der Ergebnisse Operative Talsperrensteuerung im ereignisbezogenen Kurzfristbetrieb 50 M. Möller / Dr. Thiele Hydrologische Gutachten für Thüringer Talsperren

51 Inhalt Veranlassung und Zielstellung Eingesetzte Verfahren Maßgebende Bemessungsabflüsse Gewässerkundliche Hauptzahlen Bewertung der Gutachtenergebnisse Herausforderungen und Lösungsansätze Weitere Verwendung der Ergebnisse Zusammenfassung und Ausblick 51

52 Zusammenfassung und Ausblick Zusammenfassung Hydrologische Grundlagendaten in mehrjährigem Projekt aktualisiert heute guter Sach- und Kenntnisstand zu den Einzugsgebieten und hydrologischen Bemessungsgrößen an allen Stauanlagenstandorten Praxisorientierte Lösung der angetroffenen Herausforderungen während der Gutachtenbearbeitung (Eingang in Richtlinien) Konstruktive Zusammenarbeit mit der TLUG in der Gutachtenprüfung Anbindende Sicherheitsnachweise zur Zeit in Bearbeitung, oder werden im Rahmen der vertieften Überprüfungen abgearbeitet Punktuell sind Maßnahmen zur Anpassung an neue Bemessungswerte und Klassifizierungsänderung notwendig (z.b. HRB Grimmelshausen) Turnunsmäßige Aktualisierung der Gutachten aller Jahre 52 M. Möller / Dr. Thiele Hydrologische Gutachten für Thüringer Talsperren

53 Zusammenfassung und Ausblick Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Für Hinweise oder Fragen danken wir Ihnen. Vollstau am HRB Straußfurt 2. Juni M. Möller / Dr. Thiele Hydrologische Gutachten für Thüringer Talsperren