Modellierung von Strömungsvorgängen für Wassereinzugsgebiete

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1 Modellierung von Strömungsvorgängen für Wassereinzugsgebiete Modellierung im Interdisziplinären StudienProgramm MISP Katastrophenvorhersage und management Universität Kaiserslautern Kindsbach, Pfingsten 2000 Photo: G. Kries

2 Übersicht 1. Überblick Fraunhofer ITWM und Abteilung SKS 2. Allgemeine Einleitung, Studien 3. Zwei Projekte: a. Hochwasser in Erlenbach Mai 2000 b. Gekoppelte Strömung im Kanalnetz und an der Oberfläche 4. Zusammenfassung Der Vortrag ist nicht denkar ohne meinen Kollegen, Herrn Dr. N. Ettrich, ITWM, Danke. Daten entstammen dem Amt für Bodenmanagement und Stadtvermessung

3 1. Überblick Fraunhofer ITWM und Projektbereich

4 Mathematik als Technologie Hier Partnerlogo einfügen Hier Partnerlogo einfügen An linker oberer Ecke dieses Rechtecks ausrichten, Rechteck An linker anschließend oberer Ecke dieses löschen. Rechtecks ausrichten, Rechteck anschließend löschen. Wenn kein Partnerlogo verwendet wird, Rechteck und Wenn Gliederungslinie kein Partnerlogo löschen. verwendet wird, Rechteck und Gliederungslinie löschen.

5 TECHNOLOGIE Klassische Disziplinen Numerik Differentialgleichungen Stochastik Optimierung Finanzmathematik Mathematische Kernkompetenzen des ITWM Grenzgebiete Strömungsdynamik Bildverarbeitung Neuronale Netze Inverse Probleme SPH System- und Kontrolltheorie Warteschlangentheorie Fluid-Struktur-Interaktionen Standortplanung High Performance Computing HPC MATHEMATIK

6 Organigramm Strömungsvorgänge für Wassereinzugsgebiete Institutsleitung Prof. Dr. Dieter Prätzel-Wolters Competence center High Performance Computing Dr. Franz-Josef Pfreundt Strömung und komplexe Strukturen SKS Dr. Konrad Steiner Modelle u. Algorithmen in der Bildverarbeitung Dr. Ronald Rösch Transportvorgänge Dr. Raimund Wegener Adaptive Systeme Dr. Patrick Lang Finanzmathematik Prof. Dr. Ralf Korn Optimierung Prof. Dr. Stefan Nickel

7 Simulation poröser Medien - Feuchte- und Wärmetransport - Filtration und Filterauslegung Virtuelles Materialdesign - Mikrostruktursimulation - Strömungswiderstand, akustische Absorption Füllprozesse - Gießereisimulation - Faserverstärkte Kunststoffe Strömungsvorgänge für Wassereinzugsgebiete Abteilung»Strömung und komplexe Strukturen«Hochwasser- und Risikomanagement - städtische Entwässerungssysteme - naturräumliche Einzugsgebiete

8 2. Allgemeine Einleitung, Studien

9 Rheinpfalz,

10 Hilden, 2001

11 Kanalnetz Haltung Überflutetes Gebiet Oberflächenwasser Überlasteter Kanal

12 Konzept der Dualen Drainage (dual drainage) Virtuelles Reservoir in der City Nach Maksimovic, 2000

13 Europäische Norm EN (Entwässerungssysteme außerhalb von Gebäuden) Anforderungen an Entwässerungssysteme: Maximale Überflutungshäufigkeit, die eingehalten werden soll: LändlicheGebiete: 1 Überflutung in 10 Jahren Wohngebiete: 1 Überflutung in 20 Jahren Stadtzentren, Industriegebiete: 1 Überflutung in 30 Jahren... Problem: Die derzeit existierenden Programme sind nicht in der Lage, die Überflutungshäufigkeit zu ermitteln

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15 25 s MB 43 s (water) Level [m] (water) Level [m] 25 s 25 s SWE (water) Level [m] (water) Level [m]

16 Michael Hilden, Dissertation :30h: Herausforderungen der Flachwassergleichungen

17 Beispiel Fluss Strömungsvorgänge für Wassereinzugsgebiete

18 Kosten Zone minimaler Gesamtkosten Kostensumme Anlagenkosten Unsicherheit Mittlere jährliche Schadenskosten Jährlichkeit für Störfälle

19 Mittlerer Schaden [DM] mean damage [DM] n: 59 Mean: DM Min.: DM Max.: DM n: 64 Mean: DM Min.: DM Max.: DM Schaden [DM] Empirische Funktionen 0 Cellar Keller First floor and cellar EG & Keller Aus: Deutsche Rückversicherung AG: Das Pfingsthochwasser im Mai 1999, 1999 Keller Wasserstand [m] Nach: Niekamp,O. Hochwasserschäden. In: Patt, H. Handbuch Hochwasser. Springer, erscheint. EG

20 3a. Projekt Hochwasser Mai 2000 in Erlenbach

21 Rheinpfalz,

22 Projekt: Ermittlung und Simulation des Fließverhaltens von Iller- und Ellerbach und ihrer Zuflussbereiche in einem festgelegten Untersuchungsgebiet Auftraggeber: Stadt Kaiserslautern

23 Lokalisierung Strömungsvorgänge für Wassereinzugsgebiete GIS Karte

24 F i l e d S u r f N o D Strömungsvorgänge für Wassereinzugsgebiete Höhen, Fließwege, Einzugsgebiet

25 Teileinzugsgebiete Strömungsvorgänge für Wassereinzugsgebiete natürliches EZG städtisches EZG

26 EZG, Fließwege Strömungsvorgänge für Wassereinzugsgebiete Ortslagen EZG Straßen Kreisgrenze Fließwege

27 EZG, Kataster, Höhenlinien, Zoom

28 Berücksichtigte Features: DGM: Digitales Geländemodell Nachvermessung Oberfläche Flächennutzungsplan Verteilte Beiwerte und verteilte Rauhigkeiten (Manning) nach Nutzung und Belag Überlauf Morlautern Böschung am Spielplatz Abzug von Wasser durch Bachverrohrung und Kanalnetz aus dem EZG Niederschläge Bemessungsregen (sog. Eulerregen) verschiedener Dauerstufen und Jährlichkeiten (10a, 20a, 50a, 100a)

29 Rechengebiet Strömungsvorgänge für Wassereinzugsgebiete

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32 Biotoptypenkarte

33 Rauhigkeiten und Beiwerte Landwirtschft Ortslagen Wald Feucht Baugebiet? Gewerbe

34 Abflussbildung o Verluste auf unbefestigten Flächen (Grenzwertmethode) o Verluste auf unbefestigten Flächen (Richardsgleichung 1D) Abflusskonzentration o Flachwassergleichungen o Ganglinienverfahren

35 Systembelastung Erlenbach Realregen, Mai 2000 Modellregen, 20a Zuflüsse, Mai 2000

36 dh dt = fs q = vh q Massenerhaltung, Wassertiefe Fluss q h Quellterm fs (Regen, Wasser aus Kanalschacht) v ( 2 ) ( h + z) ( h z) 1 h ( h + z) n + = 3 2D Geschwindigkeitsvektor topographische Höhe Manning Koeffizient n z v

37 Triangulierung des Berechnungsgebietes (Alternative: Rechteck-Gitter) Y Für jedes Dreieck: Bilanz der Wasserflüsse in das Dreieck hinein und aus dem Dreieck heraus. qij nij Xi,Yi Xn,Yn X Ermittlung gemittelter Wasserstände h für jede Zelle i mit dh dt i 3 1 = qndl + Ai j= 1 L ij f s, i

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39 Numerik: Finite-Volumen Methode Upwind Differenzen Adaptive Zeitschritte dt nach Courant-Friedrichs-Levy (CFL) Bedingung dt < Min_i [ d / ( 2 RS ) ]_i, 1,..., alle Dreiecke -RS = rechte Seite der Differentialgleichung -d = Abstand zwischen zwei benachbarten Mittelpunktsvektoren

40 Flachwassergleichung, SWE dv dt + dh + ( vh) = dt v v + g h + g z f S a f = 0 (1) (2) Massenerhaltung Impulserhaltung

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42 Wasserstand nach 1h

43 Dauer s Regen- Summe Regen m 3 Regen, abflusswirksam Zusätzl. Einträge Bachverrohrung, Kanal Über Böschung Qmaxm³/s Restmenge Realregen Jahre Jahre Jahre Ergebnisübersicht Erlenbach

44 Summe Überlauf Böschung Wasserstand Spielplatz Fluss über Böschung

45 GIS - Visualisierung 3D

46 GIS-Ankopplung: Dreiecksnetz, Höhenlinien, Wasserstände, Straße

47 Vergleich Szenario Offen-geschlossen

48 3b. Projekt Gekoppelte Strömung im Kanalnetz und an der Oberfläche

49 EUREKA Project 2255 RisUrSim Risk Management in Urban Areas - Simulation and Optimisation Laufzeit: ; am ITWM 3 Jahre. Gefördert durch das BMBF und den norwegischen Forschungsrat.

50 Kaiserslautern Bærum Trondheim

51 Wertanalyse Planung Kanalströmung Oberflächenströmung Schadensprognose Totalkostenanalyse Parameter und Randbedingungen Geographisches Informationssystem (GIS) Schadensvermeidung Maßnahmenmanagement Kanaldatenbank

52 ITWM, Stadtentwässerung ArcView ITWM GIS Externe Daten U KL Datenhaltung XML ITWM, U KL ITWM Engine Ergebnisse Oberflächliches Fließen, grob Oberflächliches Fließen, fein Strömung im Kanalnetz Schaden RisoReff RisoSurf ITWM Hamoka U KL SINTEF

53 Kopplung zwischen den Modulen an Austauschknoten o Oberfläche hydraulisch Kanal : Schächte, Gullies o Oberfläche hydrologisch Oberfläche hydraulisch: Grundstücksentwässerung in den Straßenraum o Oberfläche hydrologisch Kanal : Hausanschluss o Austauschzeitintervalle 1-5s

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55 Detailkarte verschiedene Oberflächentypen Häuser Garagen Kanalnetz Mauern Viel Arbeit im Detail: Stadtentwässerung KL

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59 4. Zusammenfassung/Ergänzungen

60 Thema Neues Baugebiet: Developing an area without rainwater runoff (Modellierungsseminar WS 1997/98; zusammen mit PD Dr. Beckmann, Fachgebiet Ökologische Planung, U Kaiserslautern): Komponenten des Wasserkreislaufs sind zu berechnen: Infiltration mit der Richards - Gleichung (Boden als poröses Medium) Niederschlag abzüglich Verdunstung aus dem Boden (Evaporation): oberer Rand Verdunstung aus dem Bewuchs (Transpiration) als Senke.

61 Thema Bewässerung: Simulation of irrigation processes (Modellierungsseminar WS 1999), Irrigation System in a tropical region: A case study in Awassa, Ethiopia (Atena, Masterarbeit 2001): Auch hier sind Komponenten des Wasserkreislaufs zu berechnen: Infiltration mit der Richards - Gleichung Niederschlag abzüglich Verdunstung aus dem Boden (Evaporation): oberer Rand Verdunstung aus den Anpflanzungen (Transpiration) als Senke Und zusätzlich: Strömung über die Oberfläche mit Flachwassergleichungen Bemerkung: Prinzipiell sind Optimierungsfragen Inhalt der Fragestellungen!

62 Quelle:

63 Konkret: Katastrophenmanagement Beteiligung an der Fraunhofer - internen Gemeinsamen Studie Katastrophen- und Notfallmanagementsysteme 2001 Leitung PD Dr. Nickel, OPT. Weitere Beteiligte IGD, IITB, CRCG, UMSICHT

64 Zusammenfassung Werkzeuge, Prozesse, Fragestellungen im Umfeld Simulation aller Abflussvorgänge nach (Stark-)regenfällen im (rand-)städtischen Raum und im naturräumlichen Einzugsgebiet Ausgabe von Wasserständen (Fließgeschwindigkeiten) an kritischen Objekten Bi-direktionale Kopplung zwischen Oberfläche und Kanalnetz Infiltrationsprozesse (Stofftransport, Bewässerung,...)