SCHRIFTEN 124. Kommissionsvertrieb Wirtschafts- und Verlagsgesellschaft Gas und Wasser mbh, Bonn 1999

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1 DVWK SCHRIFTEN 124 Hochwasserabflüsse I. Einsatz von Niederschlag-Abfluß-Modellen zur Ermittlung von Hochwasserabflüssen DVWK-Arbeitskreis Niederschlag-Abfluß-Modelle" II. Extreme Hochwasserabflüsse - Möglichkeiten zur Abschätzung und Anwendung Datenbank HOWEX DVWK-Fachausschuß Extreme Abflüsse" INSTITUT für WASSERBAU UND WASStRW'CISCHAfT TECHNISCHE ÜW-.-E-.-Ü: : r L-A'tt.'.STADT PETEnsENSTR. 13, DARMSTADT Tal / Fax: Kommissionsvertrieb Wirtschafts- und Verlagsgesellschaft Gas und Wasser mbh, Bonn 1999

2 IX INHALT I Einsatz von Niederschlag-Abfluß-Modellen zur Ermittlung von Hoehwasserabfliissen 1 1 Vorbemerkungen Einführung Einsatz von Niederschlag-Abfluß-Modellen zur Hochwasserermittlung Aufgaben und Modelltypen Einzelereignis-und Langzeitsimulation Aufgabenstellung 10 2 Niederschlag-Abfluß-Modelle Beschreibung des Abflußprozesses Modellstruktur Gebietscharakteristika, Kenngrößen und Modellparameter 16 3 Niederschlag Beobachtete Niederschlagsereignisse Vorgeschichte Räumliche und zeitliche Niederschlagsverteilung Schneeschmelze Statistische Bemessungsniederschläge 19 4 Modellbausteine Teilfläche Abflußbildung Abflußkonzentration Fließstrecke Fließzeitverschiebung Hydrologischer Wellenablauf Abfluß-Volumen-Beziehung ' Hydrodynamische Berechnung Ausuferungsabfluß 35

3 4.3 Zusammenfluß Aufteilung Speicherung 37 5 Modellerstellung Modelldetaillierung Systemplan Erforderliche Daten Berechnungszeitintervall 42 6 Ermittlung der Modellparameter (Modellanpassung) Meßdaten zur Anpassung Durchführung der Anpassung Ermittlung von Modellparametern ohne Meßdaten 47 7 Modellanwendungen Festlegung maßgebender Ereignisse Ermittlung extremer Abflüsse Prüfung der berechneten Hochwasserabflüsse 51 ANHANG: HYDROLOGISCHE MODELLANSÄTZE 53 1 Einleitung 55 2 Modellansätze für die Abflußbildung Niederschlagshöhenabhängige Ansätze Niederschlagsintensitätsabhängiger Ansatz Bodenspeichermodelle 62 3 Modellansätze zur Abflußkonzentration 64 4 Modellansätze für den Wellenablauf im Gewässer Translation in der Gewässerstrecke Hydrologischer Wellenablauf Abfluß-Volumen-Beziehung 75 LITERATUR 77

4 XI II Extreme Hochwasserabflüsse - Möglichkeiten zur Abschätzung und Anwendung Datenbank HOWEX 79 1 Veranlassung und Ziel 81 2 Begriffe und Definitionen Haupttypen von Hochwassern Bemessungshochwasser und Hochwasserwahrscheinlichkeit Datenqualität und historische Daten 88 3 Bedarf an Prognosen von extremen Abflüssen Vorsorgender Hochwasserschutz Herabsetzung der Schadensanfälligkeit Hochwasserwarnung bei lokalen Ereignissen Grundlagen zur Klärung von Fragen der risikoorientierten Hochwasserversicherung Sicherheits- und Risikoanalysen beim Versagen wasserbaulicher Anlagen infolge von Hochwasser Schutz technisch bedeutsamer Anlagen gegen Hochwasser Anthropogen bedingte Verschärfung extremer Abflüsse Merkmale maximaler Hochwasser Datenbank HOWEX Hochwasserscheitelabflüsse Abflußbeiwerte Abflußwirksame Niederschläge (Abflußvolumina) Verfahren zur Abschätzung extremer Abflüsse Grundsätzliches Einleitung Schwachstellen bei der Extrapolation mit Verteilungsfunktionen Schwachstellen bei der Simulation mit Niederschlag-Abfluß-Modellen Verfahren auf der Basis von Abflußdaten 113

5 XII Empirische regionale Formeln Umhüllungskurven Verteilungsfunktionen von Hochwasserscheitelabflüssen Maximierung von Parametern der allgemeinen Verteilungsfunktion Maximierung der Schiefe c Maximierung des Verhältnisses a zweier Häufigkeitsparameter k T Maximierung abflußwirksamer Niederschläge Verfahren auf der Basis von Niederschlag-Abfluß-Berechnungen Allgemeines Statistische Verteilungsfunktionen extremer Niederschläge Maximierte Gebietsniederschläge Probable Maximum Precipitation (PMP) Maximierte Gebietsniederschläge (MGN) für Deutschland nach DWD(1996) Bewertung der MGN Maximierter Gebietsniederschlag nach statistischer Methode Transformation von Niederschlägen in Hochwasserabflüsse Anwendung der Verfahren in der Ingenieurpraxis Deutschland, Frankreich, England Nordamerika Australien, Südafrika Ermittlung von extremen Abflüssen - Beispielrechnungen Allgemeines Umhüllungskurve nach Wundt Maximierung des Verhältnisses a des Häufigkeitsparameters kj Ermittlung mit Niederschlag-Abfluß-Modellen bei maximierten Gebietsniederschlägen Maximierung abflußwirksamer Niederschläge N eff und Transformation in Abflüsse Vergleich der berechneten extremen Hochwasserabflüsse 156

6 XIII 6.7 Bewertung Handlungsempfehlungen für die Abschätzung und Bewertung extremer Abflüsse Praktische Anwendung Notwendige Forschungs-und Entwicklungsarbeiten 170 Literatur, Quellen zum Text 172 Literaturliste 1: Extreme historische Abflußereignisse 176 Literaturliste 2: Theoretische Grundlagen zur Ermittlung extremer Abflüsse 181 Literaturliste 3: Extreme Niederschläge 186 ANHÄNGE 189 ANHANG 1: SCHÄTZUNG EFFEKTIVER NIEDERSCHLÄGE (ABFLUSS- VOLUMINA) AUS HOCHWASSERSCHEITELABFLUSSEN U. Maniak und A. Weihrauch, Braunschweig Einleitung Daten grundlage Vorgehensweise Berechnungen mit Zeit-Flächen-Diagrammen Statistische Auswertung Anwendung des Zeit-Flächen-Diagramms Retentionskonstante Basisabfluß Berechnetes und gemessenes Abflußvolumen Methoden zur Berechnung des Abflußvolumens Berechnung des Abflußvolumens mit dem Zeit-Flächen-Diagramm Berechnung des Abflußvolumens mit Regressionen Synthese 204

7 XIV Literatur ANHANG 2: MAXIMIERTE GEBIETSNIEDERSCHLÄGE (MGN) FÜR DIE BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND T. Günther, Berlin Grundlagen der Wassergehaltsmaximierung Die Arbeitsschritte zur Abschätzung des MGN Zu den Ergebnissen der MGN-Schätzung 217 Literatur 221 ANHANG 3: ERGEBNISPROTOKOLL EINER BESPRECHUNG ÜBER MAXIMIERTE GEBIETSNIEDERSCHLÄGE AM 26. NOVEMBER 1998 IN LEIPZIG H.-B. Kleeberg, München, T. Günther, Berlin, G. Malitz, Berlin, W. Kästner, München, G. Tetzlaff, Leipzig 223 I. Darlegung der konsensfähigen Grundpositionen der Besprechungsteilnehmer 223 II. Diskussion zu Detailfragen 226 III. Zusammenfassender Konsens 228 ANHANG 4: BERECHNUNG VON HOCHWASSERABFLÜSSEN (HQ max ) AUS BEOBACHTETEN HOCHWASSERABFLÜSSEN UND DEREN WAHRSCHEINLICHKEITEN H.-B. Kleeberg, München Einleitung Abschätzung seltener Hochwasserscheitelabflüsse mit Hilfe von Verteilungsfunktionen 233

8 XV 3 Quantitative Bewertung eines Quotienten x = HQ 1O oi/hqioo Anwendung extremer Abflüsse in der wasserwirtschaftlichen Planungspraxis Anmerkungen zu maximalen Abflüssen HQ max aus MGN 238 Literatur 239 ANHANG 5: HOWEX - HOCHWASSER-INFORMATIONSSYSTEM EXTREME ABFLÜSSE, VERSION 1.2 (Juni 1998) BENUTZERHANDBUCH H.-B. Kleeberg und W. Willems, München Einleitung Inhalt der Datenbank (Stand Juni 1998) Nutzungsmöglichkeiten und Funktionalitäten (Stand Juni 1998) Installieren von HOWEX Das Hauptformular Konfigurieren Erfassen, Ändern und Sichten von Pegel-Stammdaten Erfassen, Ändern und Sichten von Hochwasser-Ereignisdaten Erzeugen von Druckausgaben Anwenden der GIS-Schnittstelle 252