Niederschlag Abfluss Modell für die Obere Treenelandschaft

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1 Niederschlag Abfluss Modell für die Obere Treenelandschaft Dr. Alexandra Weihrauch, Carola Müller Abbildung 1: Übersicht des Modellgebietes Veranlassung Seit Juli 2001 läuft das vom Naturschutzverein Obere Treenelandschaft e.v., Oeversee, getragene und von der Bundesrepublik Deutschland sowie vom Land Schleswig-Holstein geförderte Naturschutzgroßprojekt Obere Treenelandschaft. Eines der Projektziele stellt die Wiederherstellung des natürlichen Bodenwasserhaushaltes dar. Dies soll im wesentlichen durch das Entfernen der Entwässerungseinrichtungen, wie Dränagen oder Gräben, und durch den Einbau von Grabenstauen in den Niederungen und Mooren realisiert Für die Fließgewässer wird eine möglichst unbeeinflusste Entwicklung angestrebt. Für einige Abschnitte ist eine Remäandrierung vorgesehen. Die im Projektantrag formulierten Leitbilder und naturschutzfachlichen Planungen werden zur Zeit in einem Pflege- und Entwicklungsplan, der unter anderem einen wasserwirtschaftlichen Teil umfasst, überprüft und überarbeitet. Das wasserwirtschaftliche Gutachten wird Aussagen darüber treffen, wie sich die Wasserspiegellagen bei verschiedenen Szenarien verändern Dabei sind sowohl die Höhe des Wasserspiegels und die Lage der überfluteten Bereiche als auch die Einstaudauern bei verschiedenen Abflussereignissen von Interesse. Um hierfür den zeitlichen Verlauf synthetischer Hochwasserereignisse zu ermitteln, wurde ein Niederschlag Abfluss Modell aufgestellt. Modellgebiet Das rund Hektar große Kerngebiet des Naturschutzgroßprojektes Obere Treenelandschaft umfasst Gebiete entlang der Gewässerläufe der Bondenau und der Kielsau, des Treßsees, der Treene zwischen Treßsee und Tüdal. Weiterhin gehören die Nebengewässer Dingwatter Au und Ihlseestrom dazu. Die Niederschlag Abfluss Modellierung wird für die Einzugsgebiete der Kielstau und der Bondenau sowie das Einzugsgebiet der Bek durchgeführt. 64

2 Modellansatz Für die Niederschlag Abfluss Modellierung wurde das am Landesamt für Natur miteinander verschnitten, so dass sogenannte Elementarflächen mit gleichen Eigenschaften entstehen. Der Bearbeitungsablauf ist in Abbildung 2 dargestellt. Abbildung 2: Import der flächenhaften Grundlagendaten in ein geographisches Informationssystem und Umwelt des Landes Schleswig Holstein (LANU) vorgehaltene Modell NASIM (Niederschlag Abfluss - Simulationsmodell) der Firma Hydrotec verwendet. Zunächst müssen alle Daten eingelesen werden, die das Abflussverhalten eines Einzugsgebietes beschreiben. Diese Daten lassen sich unterteilen in flächenhafte Daten und Zeitreihen. Die Übernahme flächenhafter Daten (Teilgebietsgrößen, Landnutzung, Bodenart) wird durch die Anbindung an ein geographisches Informationssystem gewährleistet. Die damit erzeugten Karten werden Die Elementarflächen werden entsprechend ihrer Fließrichtung miteinander verknüpft. Für jede Elementarfläche werden dann die Prozesse Abflussbildung, Abflusskonzentration und Retention im Gewässerlauf modelliert. Die Berechnung der Abflussbildung basiert auf einem Bodenspeichermodell, welches schematisch in Abbildung 3 dargestellt ist. Die im Bodenkörper stattfindenden Prozesse werden bei einem solchen Ansatz modellhaft nachgebildet. Sie sind insbesondere abhängig von der Landnutzung und der Bodenart. Abbildung 3: Bodenspeichermodell (schematische Darstellung, HYDROTEC, 2000) 65

3 Voraussetzung für die Berechnung der Abflusskonzentration sind die Fließzeiten, die in Abhängigkeit von den Höhenverhältnissen mit Hilfe einer Zeitflächenfunktion ermittelt Die Zeitflächenfunktion gibt an, in welcher Zeit ein bestimmter Anteil des Einzugsgebietes entwässert. Die Retention im Gewässerlauf ist abhängig von der Gewässergeometrie und von der Rauhigkeit. Für die Niederschlag Abfluss Modellierung sind nur Schätzwerte der Querprofile und der Rauhigkeitsbeiwerte erforderlich. Erforderliche Zeitreihen sind Niederschläge als Belastungsgrößen sowie an Pegeln gemessene Abflüsse, die für die Kalibrierung und Validierung des Modells benötigt Modellaufbau Für die Modellierung wurden die Teileinzugsgebiete verwendet, die derzeit im gewässerkundlichen Flächenverzeichnis verfügbar sind. Die Landnutzung im Einzugsgebiet wurde den Daten des amtlichen topographisch kartographischen Informationssystems entnommen. Berücksichtigt wurden Getreideanbau, Weidenutzung, Siedlung (befestigte Fläche), Wald, Gewässer, Ödland, Obstanbau und Grünanlagen sowie Garten. Die im Modellgebiet am häufigsten vorkommende Nutzungsart ist der Getreideanbau (66 % der Fläche). Es folgen Weidenutzung (14,5 %), Siedlungsflächen (9 %) und Wald (8 %). Die Bodenarten stammen aus einer digitalisierten Bodenübersichtskarte im Maßstab 1: Die am häufigsten vorkommenden Bodenarten sind Sandlehme (55 %) und Reinsande (32 %). Diese Böden weisen hohe Infiltrationsraten auf und verfügen damit über ein sehr gutes Versickerungsvermögen. Zur Aufstellung der Zeitflächenfunktion wurde ein digitales Höhenmodell mit 50 Meter Raster verwendet. Niederschläge und Abflüsse werden an verschiedenen Stationen im Modellgebiet gemessen (Abbildung 1). In Ergänzung zu den im LANU vorhandenen Tageswerten verschiedener Niederschlagsstationen wurden vom Deutschen Wetterdienst fünf Minuten Werte der dem Modellgebiet am nächsten gelegenen Klimastation Schleswig zur Verfügung gestellt. Diese wurden für die Kalibrierung des Niederschlag Abfluss - Modells verwendet, um den Verlauf der Hochwasserwellen besser nachbilden zu können. Modellkalibrierung und -validierung Es wurden die folgenden drei Hochwasserereignisse für die Kalibrierung und Validierung des Niederschlag Abfluss Modells ausgewählt Anhand der gewählten Hochwasser sind diverse Modellparameter solange zu variieren, bis die gemessenen und die berechneten Abflussganglinien ausreichend übereinstimmen. Abbildung 4: Vergleich zwischen gemessener und berechneter Abflussganglinie beispielhaft am Pegel Soltfeld für das Hochwasserereignis vom 4.1. bis dargestellt. 66

4 Der erste Abflussscheitel ( ) wird durch die Berechnung weniger gut nachgebildet, da die Niederschläge auf gefrorenen Boden treffen, der im Laufe des Hochwasserereignisses auftaut. Dies ist modelltechnisch nicht nachzubilden, da das hier verwendete Niederschlag Abfluss Modell kein zeitlich variables Versickerungsvermögen zulässt. Neben der Kielstau und der Bondenau wurde die Bek modelliert, deren Abflüsse durch den Sankelmarker See sehr stark beeinflusst sind. Die Kalibrierung des Niederschlag-Abfluss-Modells erfolgte für die Bek an dem am Auslauf des Sankelmarker Sees befindlichen Pegel Oeversee. Die synthetischen Niederschläge wurden dem Atlas der koordinierten Starkregenauswertung (KOSTRA) entnommen, der eine Zusammenstellung statistisch ausgewerteter Starkniederschläge für das gesamte Bundesgebiet enthält (DWD, 1997). Daraus lassen sich die maßgebenden Niederschlagssummen für die gewünschten Wiederkehrintervalle und Niederschlagsdauern ermitteln. Zur Simulation von Hochwasserwellen ist außerdem der zeitliche Verlauf des Niederschlages vorzugeben. Gewählt wurde eine Verteilung nach einer Regel des Deutschen Verbandes für Wasserwirtschaft und Kulturbau. Die Niederschlagsdauer wurde solange variiert, bis sich ein maximaler Abflussscheitel einstellte. Maximale Abflüsse an den Pegeln Soltfeld und Mühlenbrück sind hiernach bei 48-stündiger Niederschlagsdauer zu erwarten. Abbildung 5: Berechnete Abflussganglinien verschiedener Wiederkehrintervalle am Pegel Mühlenbrück Insgesamt sind die Ergebnisse der Kalibrierung und der Validierung des Niederschlag-Abfluss-Modells als befriedigend bis gut zu bezeichnen. Das Niederschlag- Abfluss-Modell ist damit für die Berechnung von synthetischen Hochwassern geeignet. Berechnung synthetischer Hochwasserereignisse Grundlage für die Berechnung synthetischer Hochwasserereignisse ist die Annahme, dass Abflüsse mit einem bestimmten Wiederkehrintervall durch Niederschläge des gleichen Wiederkehrintervalls verursacht Zur Einschätzung der Qualität der Ergebnisse dient der Pegel Mühlenbrück, der mit einer Beobachtungsdauer von 31 Jahren über eine für die Aufstellung einer zuverlässigen Hochwasserstatistik ausreichend lange Zeitreihe verfügt. Die berechneten Abflussscheitel fügen sich gut in die statistische Verteilungsfunktion ein, so dass davon auszugehen ist, dass die Modellergebnisse in einem realistischen Bereich liegen. Ausblick Die mit dem Niederschlag Abfluss Modell berechneten Abflussganglinien gehen als Randbedingungen in eine hydraulische Modellierung ein. Ziel der hydraulischen Modellierung ist die Berechnung von Was- 67

5 serständen im Flussschlauch und im Talraum sowie von Überflutungsdauern. Damit können zum Beispiel Aussagen darüber getroffen werden, welche Flächen wie lange während eines 100-jährlichen Hochwasserereignisses überflutet sein So können die Auswirkungen der im Pflege- und Entwicklungsplan aufgeführten Maßnahmen prognostiziert und mit den gegenwärtigen Verhältnissen verglichen Summary The Nature Conservation Project Upper Treene landscape has started in July One of the project objectives is the restoration of the natural soil water budget by the elimination of drainage systems. The water level will therefore rise in the future. In order to predict the amount of the water level difference and the duration of inundation at varying runoff conditions a hydrodynamic model will be set up. The discharge boundary conditions for this model have been calculated by a rainfall runoff model. Before starting the modelling, a lot of data had to be collected. Data concerning areas, e.g. catchment areas, soil data, land use, were prepared using a geographic information system (GIS). Measured rainfall and runoff data were also available. The model calculates runoff generation by a soil retention model and runoff concentration by a timearea-function. The calibration and validation of the model shows good results except for the times when the soil is frozen at the beginning of the calculation period. The model is therefore suitable for the modelling of synthetic flood events. For the modelling of synthetic flood events it is assumed that the probability of a rainfall event equals the probability of the corresponding flood event. Synthetic rainfalls for Germany are described in the literature. The quality of the model results is proved by a statistical evaluation of Mühlenbrück gauge. The modelled flood peaks fit very good to the statistical flood peaks. Literatur DVWK (1991): Starkniederschläge in der Bundesrepublik Deutschland, DVWK Schriften 97, Bonn. DVWK (1999): Hochwasserabflüsse, DVWK Schriften 124, Bonn. DWD (1997): Starkniederschlagshöhen für Deutschland: KOSTRA-Atlas, Hella Bartels [Bearb.]; Deutscher Wetterdienst, Offenbach am Main. HYDROTEC (10/2000): Niederschlag-Abfluss-Modell NASIM Version 2.7.2, Handbuch, Aachen Oktober. Dr. Alexandra Weihrauch Dezernat 42 - Hydrologie und Morphologie der Fließ- und Küstengewässer; Geographische Informationssysteme Carola Müller Dezernat 42 - Hydrologie und Morphologie der Fließ- und Küstengewässer; Geographische Informationssysteme 68