Diplomarbeit. Berechnung der Hochwasserscheitelminderung der Windach am Auslass des Windachspeichers durch den Bau zweier geplanter Retentionsbecken

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1 Diplomarbeit Zur Erlangung des Grades eines Diplomingenieurs (Univ.) der Fachrichtung Bauingenieurwesen und Umwelttechnik an der Universität der Bundeswehr München Fakultät für Bauingenieur- und Vermessungswesen Institut für Wasserwesen Berechnung der Hochwasserscheitelminderung der Windach am Auslass des Windachspeichers durch den Bau zweier geplanter Retentionsbecken Vorgelegt bei: Univ.-Prof. Dr.-Ing. Markus Disse Verfasser: cand. ing. Stefan Thunig Betreuer: Dipl. Ing. Alpaslan Yörük Beginn: Abgabe:

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3 UNIVERSITÄT DER BUNDESWEHR MÜNCHEN Fakultät für Bauingenieur- und Vermessungswesen Institut für Wasserwesen Univ.-Prof. Dr.-Ing. Markus Disse Lehrstuhl für Wasserwirtschaft und Ressourcenschutz Universität der Bundeswehr München. Prof. Dr.-Ing. Markus Disse Tel: 089/ , Werner-Heisenberg-Weg Neubiberg Fax: 089/ Aufgabenstellung der Diplomarbeit von Herrn cand.-ing. Stefan Thunig Thema: Berechnung der Hochwasserscheitelminderung der Windach am Auslass des Windachspeichers durch den Bau zweier geplanter Retentionsbecken Extreme Hochwasserereignisse der letzten Jahre haben das Bewusstsein über die Notwendigkeit von Hochwasserschutzmaßnahmen gestärkt. Neben dem naturnahen Gewässerausbau und der Anordnung von Poldern ist der Einsatz von ungesteuerten Hochwasserrückhaltebecken (HRB) ohne Dauerstau ein wirksamer und unter wirtschaftlichen und ökologischen Gesichtspunkten erstrebenswerter Hochwasserschutz. Auch in Teilen Bayerns kam es in den vergangenen Jahren häufiger zu Hochwasserereignissen. Neben der letzten Hochwasserkatastrophe im August 2002 war auch das Einzugsgebiet des Windachspeichers im bayerischen Voralpenland zwischen Lech und Ammersee im Mai 1999 und März 2000 von Hochwasserereignissen betroffen. Dabei stieß der Windachspeicher an seine Leistungsgrenzen, wodurch der Bedarf an zusätzlichen Strategien zum Hochwasserschutz gestiegen ist. Im Rahmen einer Diplomarbeit sollen von Herrn cand.-ing. Stefan Thunig die Wirkungen von zwei geplanten Hochwasserrückhaltebecken untersucht werden, wodurch im Hochwasserfall der Zufluss zum Windachspeicher gedämpft wird. Die Lage sowie die entsprechenden Daten (Standort, Dammhöhe, Rückhaltevolumen etc.) der geplanten Hochwasserrückhaltebecken werden durch das Wasserwirtschaftsamt Weilheim vorgegeben. Folgende Rückhaltevarianten für das Ereignis im Mai 1999 sind zu untersuchen: Rückhaltebecken Windach - Dettenschwang Beckenkombination Beurerbach - Oberbeuern und Windach - Dettenschwang Folgende Vorgaben gelten: Beckentyp: Trockenbecken Ungesteuerter Rückhalt Grundablässe der HRB sind rechteckig und aus Beton (µ = 0,6). Die Grundablassquerschnitte sollten eine Querschnittsfläche von A = 0,5 0,8 m² besitzen ( A1 = a x b = 0,25 x 2,0 m = 0,5 m² ; A2 = O,40 x 2,0 m = 0,8 m²)

4 Im Einzelnen sollen folgende Aufgaben bearbeitet werden: 1. Kurze Beschreibung der hydrologischen Verhältnisse des Modellgebietes. 2. Kompakte Erläuterung der Grundlagen des verwendeten NA-Modells (IHW-Softwarepaket 5.01). 3. Erstellung eines Flussgebietsmodells (FGM) mit dem IHW-Softwarepaket für das Einzugsgebiet der Windach bis zur Sperrenstelle des Windachspeichers. 4. Kalibrierung des Modells für das Hochwasserereignis im Mai 1999 (Pegel Obermühlhausen) und Validierung mit dem Hochwasserereignis im März Die weiteren Berechnungen sind mit dem Hochwasserereignis im Mai 1999 durchzuführen. 6. Untersuchung der Rückhaltewirkung zum einen für den Bau beider Hochwasserrückhaltebecken (Windach - Dettenschwang und Beurerbach - Oberbeuern) und des weiteren für den Bau des Hochwasserrückhaltebeckens Windach - Dettenschwang. Für beide Varianten sind die Becken ungesteuert und für zwei vom Wasserwirtschaftsamt (WWA) Weilheim vorgegebenen Grundablassquerschnitt zu berechnen. 7. Berechnung der Abflussganglinien des Windachspeichers für die o. a. Varianten bei einem gesteuerten Abfluss von 8 m³/s. Ermittlung der "optimalen Steuerstrategie" des Windachspeichers für die o. a. Varianten im Hinblick auf einen geringstmöglichen Spitzenabfluss. 8. Diskussion, Bewertung und Zusammenfassung der Ergebnisse. Ausgabe der Arbeit: Abgabe der Arbeit: Betreuung der Arbeit: Fachliche Begleitung der Arbeit (WWA Weilheim): Dipl.-Ing. A. Yörük Dipl.-Ing. E. Winner, Dipl.-Geogr. M. Hannweber Neubiberg, Univ.-Prof. Dr.-Ing. M. Disse

5 Ehrenwörtliche Erklärung Ich erkläre hiermit ehrenwörtlich, dass ich die vorliegende Arbeit selbständig verfasst und keine anderen als die angegebenen Quellen und Hilfsmittel verwendet habe. Die Arbeit wurde weder einer anderen Prüfungsbehörde vorgelegt noch veröffentlicht. Neubiberg, den

6 Inhalt 6 Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung Veranlassung Ziel der Arbeit Vorgehensweise Theoretische Grundlagen Der Niederschlag - Abfluss Prozess Die Abflussbildung Die Abflusskonzentration Die Wellenverformung entlang einer Fließstrecke / Flood Routing Hochwasser Ereignisspezifische Parameter Gebietsspezifische Faktoren Anthropogene Einflussfaktoren Hochwasserrückhaltebecken Steuerung von Hochwasserrückhaltebecken Wirkung der Steuerungsvarianten Beschreibung der Software Datenermittlung und Datenauswertung Beschreibung des Einzugsgebietes und Ermittlung der Kenngrößen Größe und Grenzen des Einzugsgebietes und der Teileinzugsgebiete Flächennutzung, Bebauungsanteil und Waldanteil Ermittlung der Gefälledaten Charakteristische Flussprofile und deren Rauheiten Der Boden im Einzugsgebiet Ermittlung der Ereigniskenngrößen Niederschlagsdaten und Ermittlung des Gebietsniederschlags Auswertung der gemessenen Abflussdaten Erfassung der Speicherkenndaten Die Flussgebietsmodellierung Abflussbildung Rückrechnung mit IWK- Software... 61

7 Inhalt SCS - Verfahren / modifiziertes SCS - Verfahren Abflussbeiwertberechnung nach dem Verfahren von Lutz Anpassung der Abflussbeiwerte an das Hochwasserereignis Mai Auswertung und Diskussion der berechneten Abflussbeiwerte Die Abflusskonzentration Die Wellenverformung (Flood Routing) Die Kalibrierung Die Validierung Vergleich mit NASIM Variantenuntersuchung und -auswertung Fehlerdiskussion und Zusammenfassung Fehlerdiskussion Probleme bei der Abflussbildung und Abflusskonzentration Zusammenfassung Literatur und Quellenverzeichnis Abbildungs- und Tabellenverzeichnis Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Anlagen

8 Einleitung 8 1 Einleitung 1.1 Veranlassung Seit vielen Jahrhunderten sucht der Mensch vor allem an Gewässern nach Möglichkeiten zum Siedeln. Die Gründe dafür sind klar. Das Wasser der Flüsse und Seen wird und wurde zur Trinkwassergewinnung und Bewässerung von landwirtschaftlich genutzten Flächen verwendet. Jedoch birgt das Siedeln an Gewässern, vor allem an Flüssen, auch ein erhöhtes Risiko von Hochwassern betroffen zu werden. Grundsätzlich sind Hochwasser Bestandteil von natürlichen Prozessen, die immer wiederkehren. Dabei sind Hochwasser keine neue Erscheinung unserer Zeit. Auch in der Vergangenheit gab es Hochwasser mit beträchtlichem Ausmaß, bei denen die Pegelstände noch beträchtlich höher waren als bei heutigen Hochwassern. Zur Katastrophe werden sie erst, wenn menschliche Werte betroffen sind. Im Zuge der fortschreitenden Landnutzung wurden immer größere Flächen, die Hochwassergefahren ausgesetzt sind, genutzt. Somit stieg die Bedrohung durch Hochwässer ständig. Zudem wirkt die menschliche Flächennutzung (Versiegelung der Landschaft) sowie der Ausbau der Gewässer (lineare Regulierung, Verminderung der Retentionsräume) verschärfend auf den Hochwasserabfluss. Zumeist sind jedoch extreme Hochwasserereignisse in mittleren und großen Einzugsgebieten auf extreme Niederschläge zurückzuführen. Bei diesen Extremereignissen sind die Auswirkungen menschlicher Eingriffe gering, da die meisten Regulierungen und Deiche versagen. Ebenso ist der Einfluss der Versiegelung der Landschaft gering, da wegen der Sättigung des Bodens durch den Regen der Abflussbeiwert auch in natürlichen Einzugsgebieten hoch ist. Besonders trifft dies auf Niederschlagsereignisse zu, die nach Vorregen folgen oder auf gefrorenen Boden treffen. Der Beitrag des Klimawandels zum Hochwassergeschehen ist strittig und von den örtlichen Verhältnisse abhängig (Steigerung von Extremereignissen, Verschiebung von Schnee zum Regen etc.). In manchen Regionen ist mit einer Steigerung des Jahresniederschlages, in anderen mit einer Verminderung zu rechnen. In den letzten Jahren ist es jedoch vermehrt zu extremen Hochwassern gekommen. Hierbei sind vor allem die Hochwasser an der Oder 1997, an der Donau 1999 und der Elbe 2002 zu nennen. Besonders nach diesen Ereignissen wurde in der Bevölkerung der Ruf nach einem besseren Hochwasserschutz laut. Die Wasserwirtschaftsämter oder beauftragte Ingenieurbüros haben die Aufgabe, die Ursachen und Auswirkungen von

9 Einleitung 9 Hochwassern zu untersuchen und danach einen verbesserten Hochwasserschutz zu entwickeln. Bei dem so genannten Pfingsthochwasser 1999 war auch das Gebiet der Windach stark betroffen. Der als Hochwasserrückhaltebecken eingesetzte Windachspeicher geriet dabei an seine Leistungsgrenzen. Auch beim Folgehochwasser 2000 wurde dieser Zustand wieder erreicht. Um die Gebiete unterhalb des Windachspeichers vor solchen Hochwassern zu schützen ist weiterer Hochwasserrückhalteraum notwendig. Dabei sind die flussabwärts des Windachspeichers liegenden Ortschaften auf eine Minimierung des Speicherabflusses angewiesen, weil sie zusätzlich von Hochwassern weiterer Flüsse betroffen werden, die teilweise nicht mit hochwasserrückhaltenden Maßnahmen versehen sind. 1.2 Ziel der Arbeit Das Ziel dieser Arbeit ist es, zu untersuchen, ob der Abfluss des Windachspeichers durch den Bau zweier geplanter Hochwasserrückhaltebecken minimiert werden kann. Es ist zu prüfen, ob der Abfluss für ein 100-jährliches Niederschlagsereignis, unter Berücksichtigung der zusätzlichen Hochwasserrückhaltebecken, bis auf den Wert von maximal 8 m³/s gesenkt werden kann. Als 100-jährliches Niederschlagsereignis wird unter Absprache mit dem Wasserwirtschaftsamt (WWA) Weilheim das Niederschlagsereignis vom Mai 1999 für die Berechnungen hinzugezogen. Im Rahmen dieser Arbeit soll ein Flussgebietsmodell für die Windach erstellt werden, welches mit den gemessenen Niederschlags- und Abflusswerten für den gegeben Zeitraum kalibriert wird. Als Grundlage für die Kalibrierung des Modells dienen die gemessenen Abflüsse am Windachpegel bei der Ortschaft Obermühlhausen. Das kalibrierte Modell soll anschließend mit den Niederschlags- und Abflussdaten des Hochwassers vom März 2000 validiert werden. In das kalibrierte Flussgebietsmodell sollen zwei geplante Hochwasserrückhaltebecken eingebaut werden, mit denen dann die Auswirkungen auf die Hochwasserwelle und das Abflussverhalten des Windachspeichers untersucht werden können. Die geplanten Hochwasserrückhaltebecken sind als durchflossene Trockenbecken mit ungesteuertem Rückhalt geplant. Sie befinden sich später im Falle einer Bauausführung zum einen an der Windach im Bereich der Ortschaft Dettenschwang und zum anderen am Beurerbach im Bereich der Ortschaft Oberbeuern. In dieser Arbeit sollen verschiedene

10 Einleitung 10 Möglichkeiten der Konstruktion (unterschiedliche Abflussquerschnitte) und die Möglichkeiten des Einsatzes beider Becken bzw. des Einsatzes nur eines Beckens an der Windach auf den Abfluss des Windachspeichers untersucht werden. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen sollen zum Abschluss der Arbeit ausgewertet und eine oder mehrere sinnvolle Möglichkeiten für die Bauausführung vorgeschlagen werden. 1.3 Vorgehensweise Für das Erreichen der geforderten Ziele ist es notwendig sich im Vorfeld mit notwendigen hydrologischen Themengebieten auseinanderzusetzen. Dies umfasst vor allem die Themengebiete des Niederschlag Abfluss Prozesses. Auch das Bekanntmachen und Üben mit der verwendeten Software zählt zu den außerordentlich wichtigen Punkten der vorbereitenden Arbeiten. Anschließend folgt die Betrachtung des Einzugsgebietes. Das Einzugsgebiet wurde im Rahmen einer Geländebegehung erkundet und dabei bereits erste Daten für das Flussgebietsmodell gesammelt. Für die Erstellung eines Flussgebietsmodells ist eine Geländebegehung zwingend notwendig, da nur so wichtige Erkenntnisse über die in das Modell eingehenden Parameter gesammelt werden können. Es handelt sich hierbei vor allem um Parameter wie Gerinnebeschaffenheit und form, Waldanteil und Struktur des Waldes (Nadel-, Lauboder Mischwald), die Art und der Umfang der Bebauung, sowie die Landnutzung bzw. landwirtschaftliche Nutzung. Auch Parameter wie die Bodenart bzw. -typ und das mittlere Gefälle können teilweise bestimmt, bzw. grob eingeordnet werden. Nach der Geländebegehung ist eine ausgiebige Studie von Kartenmaterial notwendig. Mit den Karten werden die bereits im Gelände gewonnen Erkenntnisse verglichen und weitere tiefgehende Untersuchungen vorgenommen. Hierbei handelte es sich vor allem um Parameter wie Bodenart / -typ, Gefälle, Bebauungsanteil und Waldanteil. Auch die Größe des Einzugsgebietes sowie der Teileinzugsgebiete wird anhand von topografischen Karten festgestellt. Nachdem die Größe des Einzugsgebietes fest steht, kann dieses in weitere Teileinzugsgebiete unterteilt werden. Aus dieser Festlegung heraus entsteht ein Knotenplan des Einzugsgebietes das Grundgerüst des Flussgebietsmodells. Nach der Festlegung der Teileinzugsgebiete werden die Daten des Niederschlages und des Abflusses für das maßgebende Ereignis ausgewertet. Hauptbestandteil der Arbeit ist die Auswertung der gewonnen Daten und Parameter sowie die Anpassung des Flussgebietsmodells an die gemessenen Werte. Das genaue Vorgehen bei der Erfassung der Eingangsdaten sowie die Berechnung und Kalibrierung

11 Einleitung 11 der Parameter wird in den folgenden Kapiteln dieser Arbeit noch genauer beschrieben. Nach der Kalibrierung erfolgt eine Validierung mit dem Hochwasser vom März 2000 und ein Vergleich der Berechnungen mit dem Programm NASIM, welches für eine parallel laufende Diplomarbeit mit annähernd gleicher Aufgabenstellung von Herrn cand. ing. Matthias Ebert eingesetzt wird. Nach der Kalibrierung und Validierung stellt die Untersuchung der verschiedenen Einbauvarianten der einzubringenden Hochwasserrückhaltebecken den nächsten Schritt dar. Den Abschluss der Diplomarbeit bildet die Ermittlung des geringstmöglichen Spitzenabfluss am Windachspeicher, sowie der Vorschlag einer oder mehrerer Varianten des Anlegens der geplanten Hochwasserrückhaltebecken. Das in Abbildung 1.1 gezeigte Schema soll die Vorgehensweise bei dieser Diplomarbeit noch einmal grafisch verdeutlichen.

12 Einleitung 12 Abbildung 1.1: Vorgehensweise bei der Diplomarbeit

13 Theoretische Grundlagen 13 2 Theoretische Grundlagen 2.1 Der Niederschlag - Abfluss Prozess Um das Ziel dieser Arbeit, die Erstellung eines Flussgebietsmodells erreichen zu können, ist es im Vorfeld wichtig, sich mit den Vorgängen des Niederschlag - Abfluss - Prozesses auseinander zu setzen. Der Niederschlag Abfluss Prozess stellt einen Teilprozess des Wasserkreislaufes dar, der wiederum in mehrere Unterprozesse unterteilt werden kann. In der Wasserwirtschaft werden für die einzelnen Prozesse Modelle erstellt, die dann zusammen ein Niederschlag Abfluss Modell bilden. Diese Modelle sind stochastisch oder deterministisch aufgebaut, können aber auch in gemischter Form Anwendung finden. Der Aufbau der Modelle stellt sich wie folgt dar: Ein Input (Niederschlag) wirkt auf ein System (Einzugsgebiet), welches dann wiederum auf Grund seiner Systemeigenschaften einen Output (Abfluss) erzeugt. Für die Modellierung wird der komplexe natürliche Prozess in drei Teilprozesse: die Abflussbildung, die Abflusskonzentration und die Wellenverformung auf einer Gewässerstrecke (Flood Routing) unterteilt Die Abflussbildung Die Abflussbildung (Abbildung 2.1) stellt den ersten komplexen Teilprozess dar, der als Ergebnis die am Ende tatsächlich zum Abfluss kommende Wassermenge liefert. Sie ist nach DIN 4049 wie folgt definiert: Abflussbildung ist die Gesamtheit aller Vorgänge, die in einem Einzugsgebiet zur Bildung des abflusswirksamen Niederschlags führen. Abbildung 2.1: Die Abflussbildung (Quelle

14 Theoretische Grundlagen 14 Der tatsächlich gefallene Niederschlag kommt nicht vollständig oder nur stark zeitverzögert in einen Vorfluter (Graben, Bach oder Fluss) an. Ein Teil verdunstet von der Bodenoberfläche (Verdunstung, Evaporation) ein anderer von den Blättern der Pflanzen auf die er fällt (Interzeptionsverdunstung). Das von den Pflanzen aus dem Boden aufgenommene Wasser wird zu einem Teil über die Blätter wieder an die Atmosphäre abgegeben. Diesen Vorgang nennt man Transpiration. Als Evapotranspiration bezeichnet man die Zusammenfassung von Verdunstung von der Bodenoberfläche und die physiologisch regulierte Abgabe von Wasser durch die Pflanzenorgane an die Atmosphäre (Firma Hydrotec 2004). Weiterhin werden Teile des Niederschlages ganz oder teilweise gespeichert. Die Speicherung kann in Geländemulden, im Boden oder auf den Pflanzen (Interzeption) erfolgen. Eine Speicherung im Boden erfolgt, nachdem das Wasser durch Infiltration im Boden versickert ist. Das versickerte Wasser kann dann in oberflächennahen Bodenschichten dem Vorfluter zufließen, oder in tiefere Bodenschichten versickern. Eine Versickerung von Grundwasser aus oberen Bodenschichten in tiefere Bodenschichten wird als Perkolation bezeichnet. Zur Modellierung des Abflussbildungsprozesses gibt es die verschiedensten Berechnungsverfahren, welche alle einen für das betrachtete Einzugsgebiet oder Teileinzugsgebiet spezifischen Abflussbeiwert liefern. Der Abflussbeiwert stellt den Quotienten zwischen effektiv zum Abfluss kommendem und tatsächlich gefallenem Niederschlag dar. Die wichtigsten Verfahren zur Bestimmung des Abflussbeiwertes sind das: - Koaxialdiagramm - SCS und modifiziertes SCS Verfahren - Verfahren nach Lutz Der Abflussbeiwert kann über die Dauer des Ereignis konstant bleiben (Verfahren mit konstantem Prozentsatz) oder zeitliche Veränderungen aufweisen (z.b. Verfahren mit exponentiellem Prozentsatz und Φ Index Verfahren). Der gefallene Niederschlag kann auf drei verschieden Wegen, als Oberflächenabfluss, als Zwischenabfluss und als Basisabfluss zum Vorfluter gelangen. Unter Oberflächenabfluss versteht man die zum Gewässer fließende Wassermenge, die nicht versickert oder gespeichert wird, sondern direkt zum Abfluss kommt. Zwischenabfluss (oder auch Interflow) wird die teilweise in obere Bodenschichten eindringende Wassermenge genannt, die unmittelbar oder auch zeitverzögert zum Abfluss kommt.

15 Theoretische Grundlagen 15 Als Direktabfluss wird die Summe von Oberflächen- und oberflächennahem Zwischenabfluss bezeichnet. Der Basisabfluss ist der Teil des Abflusses der weder Oberflächen- noch Zwischenabfluss ist. Er wird zu einem großen Teil aus grundwasserbürtigem Abfluss gebildet. Beim Basisabfluss handelt es sich um einen zeitlich verzögerten Abfluss, der sich aus vorangegangenen Ereignissen bildet und daher nicht als unmittelbare Folge des betrachteten Ereignisses gewertet werden kann. Ergebnis der Abflussbildung ist der effektiv zum Abfluss kommende Niederschlag (Effektivniederschlag) aus dem betrachteten Niederschlagsereignis. Der Effektivniederschlag führt zum Direktabfluss des Einzugsgebietes Die Abflusskonzentration Der Effektivniederschlag wird über kleine Rinnsäle, Gräben, Bäche und Flüsse in einer bestimmten für das Einzugsgebiet charakteristischen zeitlichen Abfolge dem tiefsten Punkt im Einzugsgebiet, dem Gebietsauslass zugeführt. Diesen Vorgang bezeichnet man als Bildung der Abflusskonzentration. Die zeitlich verteilte relative Höhe des Abflusses kann am Gebietsauslass in einer Systemfunktion bzw. Einheitsganglinie dargestellt werden. Diese Funktion dient bei Niederschlag - Abfluss Modellen als Übertragungsfunktion, mit der aus dem effektiven Niederschlag eine Abflussganglinie erzeugt wird. Bei der Einheitsganglinie wird von einer zeitinvarianten Funktion ausgegangen, die für jedes gleichartige Niederschlagsereignis auch proportionale Abflussganglinien liefert. Sie ist spezifisch für das untersuchte Einzugsgebiet. Die Ermittlung der Einheitsganglinie kann zum einem aus aufgezeichneten Niederschlags - und Abflussdaten, zum anderen durch verschiedene Regionalisierungsverfahren erfolgen. Als Möglichkeiten der Bestimmung der Einheitsganglinie seien hier die Methode über Einzelordinaten, Lineare Speicherkaskade (mit Momentenmethode oder Methode der kleinsten Fehlerquadrate) und die Lineare Doppelspeicherkaskade genannt. Zu den Regionalisierungsverfahren gehört zum Beispiel das von Lutz (1984) entwickelte Regionalisierungsmodell für die Einheitsganglinie Die Wellenverformung entlang einer Fließstrecke / Flood Routing Eine Hochwasserwelle wird, während sie durch ein Gerinne fließt, in ihrer Form verändert. Die Rauheiten des Gerinnes, und der Vorländer sowie die Gerinneform wirken dämpfend auf die Hochwasserelle, die in Folge davon abgeflacht wird. Das

16 Theoretische Grundlagen 16 Flood Routing wird in der Hydrologie und Wasserwirtschaft in Wasserlaufmodellen behandelt. In diesen Modellen werden für das Gerinne repräsentative Querschnittsprofile ausgesucht und für eine bestimmte Fließstrecke in das Modell eingegeben, der Abfluss wird also nur über diskrete Punkte verfolgt. Weiterhin werden eventuelle Zuflüsse in das Gerinne auf der betrachteten Fließstrecke im Modell berücksichtigt. Es wird hierbei nach Disse (2003) zwischen drei Möglichkeiten unterschieden: Auf der Gewässerstrecke gibt es: - einen Zufluss und einen Abfluss - mehrere Zuflüsse und einen Abfluss - punktuelle oder kontinuierliche Zuflüsse aus dem durchströmten Zwischengebiet (laterale Zuflüsse) und ein Abfluss In der Praxis angewandte Verfahren zur Berechnung der Wellenverformung sind nach Rosemann (1970) und Plate (1977) zum Beispiel das Muskingum Verfahren, das Kalinin - Miljukov Verfahren und das Translations Diffusions- Modell. 2.2 Hochwasser Hochwasser sind Folge von extremen Niederschlagsereignissen. Sie entstehen meist nach sehr langen Niederschlägen, Schneeschmelze oder kurzen heftigen Niederschlägen. Hochwasserereignisse nach Dauerregen haben eine große Fülle und relativ kleine Abflussscheitelwerte, kurze heftige Niederschläge hingegen haben meist eine kleinere Fülle, aber dafür höhere Scheitelwerte. Die Hochwasserbildung wird von einer Reihe von Faktoren beeinflusst. Es wird dabei zwischen ereignisspezifischen und gebietsspezifischen Parametern unterschieden. Alternativ kann auch (wie Abbildung 2.2 zeigt) zwischen abiotischen / biotischen und anthropogenen Faktoren unterschieden werden.

17 Theoretische Grundlagen 17 Abbildung 2.2: Einflussfaktoren auf die Hochwasserbildung (Quelle: Ereignisspezifische Parameter Ereignisspezifische Parameter sind alle Parameter, die mit dem jeweiligen Ereignis zusammenhängen und für jedes Ereignis unterschiedlich sein können. Darunter zählen beispielsweise: meteorologische Größen (hier besonders der Niederschlag), die Jahreszeit, die Vegetation, der Feuchtegehalt des Bodens und die Großwetterlage. Die jeweilige Großwetterlage bestimmt die Hauptwindrichtung und -stärke, die Niederschlagsintensität und die Niederschlagsdauer. Die Windrichtung bestimmt, wie der Niederschlag zeitlich und räumlich im Einzugsgebiet verteilt wird (Dyck, Peschke 1983). Fällt der Niederschlag in Fließrichtung des Vorfluters, so entstehen größere Scheitelwerte als wenn er gegen die Fließrichtung fällt (Abbildung 2.3).

18 Theoretische Grundlagen 18 Abbildung 2.3: Einfluss der Windrichtung auf die Überregnung des Einzugsgebietes (Quelle: Dyck, Peschke, 1983) Die Vegetation und die Jahreszeit sind Parameter die zusammen betrachtet werden müssen, weil sie unmittelbar zusammenhängen. In der Vegetationsperiode wird ein großer Teil des Niederschlages von den Pflanzen durch Interzeption zurückgehalten. Des Weiteren sind die Rauheiten der Vorfluter in dieser Zeit durch Bewuchs höher und die Hochwasserwelle erfährt dadurch eine Dämpfung. Im Winter kann es vorkommen, dass der Boden gefroren ist und kein Wasser infiltrieren kann, was zu höheren Abflussbeiwerten führt. Zusätzlich kann es passieren, dass Regen auf Schnee fällt und sich die ursprünglich getrennten Niederschlagsereignisse im Abfluss summieren. Bei einem solchen Ereignis kann der Abflussbeiwert, der normalerweise kleiner eins ist, auch Werte von größer eins annehmen. Auch der Bewuchs der Gewässer ist im Winter nicht gegeben, wodurch sich die Hochwasserwellen schneller fortbewegen. Der Einfluss der Bodenfeuchte stellt ebenfalls einen wichtigen Parameter dar. Ist der Boden durch vorausgehende Ereignisse stark vorgesättigt, kann weniger Wasser infiltrieren. Der Abfluss wird dementsprechend zum größten Teil als Direktabfluss ablaufen und zum Steigen der Hochwasserfülle und -scheitel führen Gebietsspezifische Faktoren Unter diesen Faktoren versteht man alle Faktoren, die für das Einzugsgebiet charakteristisch und für jedes eintretende Ereignis annähernd gleich sind. Darunter zählen zum Beispiel: Einzugsgebietsfläche, Form des Einzugsgebietes, Relief, Bodenarten, Flussbettgeometrie, Vorfluterdichte, Versiegelungs- bzw. Bebauungsgrad, Waldanteil und landwirtschaftliche Nutzung.

19 Theoretische Grundlagen 19 Die Größe des Einzugsgebietes bestimmt in besonderem Maße die Form der Hochwasserwelle. In kleinen Einzugsgebieten führen kurze heftige Niederschläge zu großen Abflussspenden, wohingegen das gleiche Ereignis in einem großen Einzugsgebiet zu kleineren Abflussspenden führt. Das kommt daher, dass in großen Einzugsgebieten die Hochwasserwelle durch Retention und Translation stärker verformt (abgeflacht und lang gestreckt) wird. Unter der Abflussspende versteht man den Quotienten aus Abfluss [m³/s] und zugehöriger Einzugsgebietsfläche [km²]. Die Form des Einzugsgebietes in Zusammenhang mit dem Relief und der Vorfluterdichte bestimmen die Form der Welle ebenfalls in großem Maße. Schmale lang gestreckte Einzugsgebiete führen (wie Abbildung 2.4 zeigt) zu gestreckten Hochwasserwellen mit kleinem Scheitel, gedrungene Einzugsgebiete zu kurzen Wellen mit hohem Scheitelabfluss. Abbildung 2.4: Abhängigkeit der Hochwasserwelle von der Form des Einzugsgebietes (Quelle: Rahn 2003) Denselben Effekt auf die Form der Hochwasserwelle haben die Anzahl der Vorfluter in den Einzugsgebieten. Eine hohe Vorfluterdichte führt zu höheren Abflussscheiteln als eine geringe Vorfluterdichte. Besonders bei gedrungenen Einzugsgebieten, bei denen die Vorfluter kurz vor dem Gebietsauslass zusammenfließen, wird der Scheitelwert der Hochwasserwelle enorm angehoben. Beim Relief ist das Gefälle der maßgebende Parameter. Große Gefälle führen zu höheren Fließgeschwindigkeiten und somit zu großen Hochwasserscheiteln und kurzen Anstiegszeiten der Ganglinie, kleine Gefälle bewirken das Gegenteil. Hier hat der Niederschlag, auf Grund des kleinen Hang abwärts gerichteten Gravitationspotentials, mehr Zeit zu infiltrieren bzw. das Wasser kann tiefer in den Boden eindringen und kommt erst zeitverzögert zum Abfluss. Die oben unter Gebietsgröße, -form und Vorfluterdichte beschriebenen Wellenformen werden in ihrer Form je nach Gefälle noch verstärkt oder abgemindert. Ein flaches gedrungenes

20 Theoretische Grundlagen 20 Einzugsgebiet kann bei kleinem Gefälle also eine ähnliche Wellenform zeigen wie ein schmales gestrecktes Einzugsgebiet mit großem Gefälle. Der Boden mit seinen Infiltrationseigenschaften ist verantwortlich für die Versickerung und Speicherung von Niederschlagswasser. Nichtbindige porenreiche Böden wie Kies und Sand ermöglichen eine hohe Infiltrationsrate. Das Wasser kann schnell zum Grundwasserleiter vordringen und kommt erst verzögert zum Abfluss. Der Oberflächenabfluss nimmt also ab, was auch eine Abminderung des Hochwasserscheitels zur Folge hat. Bindige Böden mit wenigen bzw. kleinen Poren besitzen ein kleineres Infiltrationsvermögen. Das führt zu einem Ansteigen des Oberflächenabflusses und einer Erhöhung des Hochwasserscheitels. Die Landnutzung beeinflusst den zum Abfluss kommenden Niederschlag sowie die Retentions- und Translationswirkung. Weideland hat beispielsweise eine höhere Rückhaltewirkung als Ackerflächen mit Hackfrüchten oder Getreidekulturen. Eine besondere Bedeutung kommt den Waldflächen zu. Je mehr Wald in einem Einzugsgebiet vorhanden ist, umso höher ist die Retentionswirkung des Einzugsgebietes. Waldflächen haben eine größere Speicherwirkung durch Interzeption als landwirtschaftliche Flächen. Auch die Transpiration ist in Waldgebieten höher. In Gebieten mit viel Wald wird sich keine so große Hochwasserwelle ausbilden, wie bei landwirtschaftlich genutzten oder unbewaldeten Flächen. Eine Hochwasserwelle, bei der das Gerinne durch ein Waldgebiet verläuft bzw. dessen Vorländer bewaldet sind, wird eine stärkere Dämpfung erfahren als eine Hochwasserwelle, wo das Gerinne durch unbewaldete Gebiete verläuft. Das kommt unter anderem daher, dass Gerinnevorländer in Waldgebieten eine größere Rauheit aufweisen, als unbewaldete Vorländer. Ein hoher Versiegelungs- bzw. Bebauungsanteil in Einzugsgebieten führt zu hohen Abflussbeiwerten und damit zu großen Hochwasserwellen. Zum einen sind bebaute Flächen weniger rau als unbebaute, zum anderen kann hier auch kaum Wasser im Boden versickern oder durch Pflanzen zurückgehalten werden. Auf versiegelten Flächen kommt fast der gesamte gefallene Niederschlag zum Abfluss. Diesen Gebieten wird bei der Hochwasserbildung eine besondere Rolle zu Teil, weil sie ausgeprägte Hochwasserscheitelwerte verursachen. Hinzu kommt, dass das Niederschlagswasser aus diesen Gebieten meist kanalisiert zum Vorfluter geleitet wird und dadurch weitere negative Auswirkungen auf die Hochwasserbildung haben kann. In Niederschlag- Abfluss Modellen werden diese Flächen meist getrennt betrachtet. Bei großen Einzugsgebieten fällt der Anteil versiegelter Flächen oft nicht so sehr ins Gewicht wie

21 Theoretische Grundlagen 21 bei kleinen Einzugsgebieten und hat damit auch weniger Einfluss auf die Hochwasserwelle. Grund dafür ist, dass der prozentuale Anteil an versiegelten Flächen in großen Einzugsgebieten im Allgemeinen geringer ist als bei kleinen Einzugsgebieten Anthropogene Einflussfaktoren Die abiotischen und biotischen Einflussgrößen (Abbildung 2.2) sind Faktoren, die als gegeben hingenommen werden müssen. Anthropogene (von Menschen verursachte) Einflussgrößen können hingegen verändert werden. Durch Maßnahmen im Bereich der Landnutzung, im Siedlungswesen und im Gewässerausbau kann der zeitliche Abfluss der Niederschläge beeinflusst werden. Der Mensch hat es also in der Hand die Hochwasserentstehung zu fördern oder zu bremsen. Zur Abwehr von Hochwasser findet in Bayern, aber auch deutschlandweit, eine auf 3 Säulen beruhende Schutzstrategie Anwendung (Abbildung 2.5). Abbildung 2.5: 3 - Säulen Schutzstrategie vor Hochwasser Grundsätzlich ist festzuhalten, dass Hochwasser Naturereignisse sind, die man nicht verhindern und vor denen man sich nicht 100%-ig schützen kann. Ein guter Hochwasserschutz kann den Schaden durch Hochwasser jedoch beträchtlich minimieren.

22 Theoretische Grundlagen Hochwasserrückhaltebecken Um den volkswirtschaftlichen Schaden nach einem extremen Niederschlagsereignis, das zu einem Hochwasser führt möglichst gering zu halten, ist es notwendig, geeignete Hochwasserschutzmaßnahmen zu treffen. Nach Vischer und Hager (1992) gibt es grundsätzlich drei verschiedene technische Arten Vorkehrungen gegen Hochwasser zu treffen: - Verbesserung der Überschwemmungsgebiete - Erhöhung der Abflusskapazität des Gewässers - Verringerung der Hochwasserspitzen bzw. Scheitelabflüsse Dabei wird die erste Maßnahme als passive, die beiden zu letzt genannten als aktive Hochwasserschutzmaßnahmen bezeichnet. Bei der Verbesserung der Überschwemmungsgebiete handelt es sich um Maßnahmen, die nicht in die natürlichen Überschwemmungsgebiete des Flusses durch Rückhalt des Wassers o. ä. eingreifen, sondern nur einzelne Bauwerke wie Straßen oder kleine Siedlungen und Gehöfte durch Höherlegung oder lokale Schutzmaßnahem schützen. Eine Erhöhung der Abflusskapazität wird durch flussbauliche Maßnahmen flussabwärts des zu schützenden Gebietes erreicht. Dies kann beispielsweise durch Ausweitung des Flussquerschnittes, Flussbegradigungen und Beseitigung von Hindernissen oder Schaffung von Entlastungsgerinnen erreicht werden. Bei den Maßnahmen zu Verringerung der Hochwasserspitze werden bauliche Eingriffe im Fluss oberhalb des zu schützenden Gebietes notwendig. Dazu zählen alle Maßnahem die Hochwasser zurückhalten, wie Stauseen, Hochwasserrückhaltebecken, Polder usw. Mit geeigneten Abflusssteuerungsvarianten in den Bauwerken wird der Scheitelwert des Hochwassers soweit reduziert, dass für das zu schützende Gebiet keine Überschwemmungen zu erwarten sind. Für diese Maßnahem ist der Wirkungsgrad umso höher, je näher sich das Rückhaltebauwerk an den zu schützenden Gebieten befindet. Der Wirkungsgrad von Hochwasserrückhaltebecken wird maßgebend vom Dämpfungsfaktor bestimmt, welcher sich wie in (Gl. 2.1) gezeigt, aus dem Quotienten von Ab- und Zufluss des Beckens errechnet. HQ = HQ ab κ (Gl. 2.1) zu

23 Theoretische Grundlagen 23 κ HQ ab HQ zu [-]...Dämpfungsfaktor [m³/s]...ablaufende Hochwasserwelle [m³/s]...zufließende Hochwasserwelle Ein weiterer Wert, der den Wirkungsgrad eines Hochwasserrückhaltebeckens bestimmt, ist die Beanspruchungszeit t B. Sie ist die Summe aus Füllzeit t F und Entleerungszeit t E. Die Füllzeit ist die Zeit, bei der das Hochwasserrückhaltebecken seine, von der Hochwasserwelle abhängige, größte Füllung erreicht. Die Entleerungszeit ist die Zeitspanne bis zu der sich das Becken wieder soweit entleert hat, dass der Abfluss näherungsweise dem Abfluss vor dem Ereignis entspricht. Je kleiner die Beanspruchungszeit des Beckens ist, umso schneller steht es der Aufnahme einer nachfolgenden Hochwasserwelle zur Verfügung. Die beiden Faktoren Dämpfungsfaktor und Beanspruchungszeit legen somit fest, wie groß und mit welchen Entleerungsorganen ein Hochwasserrückhaltebecken gebaut werden muss. Der Bau des Hochwasserrückhaltebeckens ist also dort am sinnvollsten, wo mit kleinen Rückhaltevolumen die Werte Dämpfungsfaktor und Beanspruchungszeit minimiert werden können Steuerung von Hochwasserrückhaltebecken Die Auslassvorrichtungen eines Hochwasserrückhaltebeckens setzen sich aus einem Betriebsauslass, einem Grundablass und der Hochwasserentlastungsanlage zusammen. Grundablass und Betriebsauslass können auch zu einem Ablassorgan zusammengefasst sein. Der Grundablass ist der tiefste Ablass in einem Hochwasserrückhaltebecken und wird zur vollständigen Entleerung bzw. Trockenlegung des Beckens genutzt. Der Betriebsauslass dient der dosierten Weiterleitung einer zufließenden Hochwasserwelle, wobei der Rückhalteraum mobilisiert wird. Die Hochwasserentlastung dient dem Schutz des Bauwerkes bei Hochwasserwellen, die über dem Bemessungshochwasser liegen. Die dosierte Ableitung der Hochwasserwelle hat so zu erfolgen, dass flussabwärts das Grenzhochwasser des Flusses nicht überschritten wird. Unter Grenzhochwasser wird das Hochwasser verstanden, bei dem das zu schützende Gebiet gerade noch nicht überflutet wird. Bei der Steuerung von Hochwasserrückhaltebecken unterscheidet man

24 Theoretische Grundlagen 24 zwischen ungesteuerten und gesteuerten Hochwasserrückhaltebecken, die wie Abbildung 2.6 zeigt noch in vier Arten unterteilt werden kann. Abbildung 2.6 Steuerungsvarianten von Hochwasserrückhaltebecken Ungesteuerte Becken besitzen ein klar definiertes Auslassorgan in Form eines Wehres, Durchlasses oder eines Kombinationsbauwerkes, das nicht ohne weiteres verändert werden kann. Der Abfluss aus dem Becken Q ab ist eine Funktion des Beckenwasserstandes H. Q ab = Q(H ) (Gl. 2.2) Bei ungesteuerten Becken fallen der Betriebsauslass und der Grundablass zusammen. Der Bau dieser Becken bietet sich besonders in infrastrukturell schlecht erschlossenen Regionen an. Die Vorteile dieser Becken liegen vor allem darin, dass im Vergleich zu gesteuerten Becken geringere Investitionskosten anfallen und das Becken keine technischen Steuereinrichtungen besitzt, die versagen können. Auch menschliches Versagen durch Steuerungsfehler können hier ausgeschlossen werden. Die Nachteile dieser Becken liegen in den, im Vergleich zu den gesteuerten Becken, unregulierbaren Auslassquerschnitten. Eine Hochwasserwelle führt bekanntlich am Anfang viel Treibgut und Geschwemmsel mit sich, was dazu führen kann, dass der Auslassquerschnitt verstopft und das Becken in seiner Wirkung stark beeinträchtigt oder sogar wirkungslos wird. Der Einsatz eines Rechens kann dieses Risiko zwar verkleinern, jedoch kann auch

25 Theoretische Grundlagen 25 ein Rechen verklausen, was dieselben Folgen wie ein verstopfter Auslass nach sich zieht. Gesteuerte Hochwasserrückhaltebecken haben einen größeren und zusätzlich regelbaren Abflussquerschnitt als für das gleiche Hochwasser bemessene ungesteuerte Becken. Hier ist es möglich bei Eintreffen der Hochwasserwelle den Abflussquerschnitt kurzzeitig zu vergrößern um mit einem Spülstoß das zu Beginn der Hochwasserwelle mitgeführte Geschwemmsel abzuführen. So kann ein Verstopfen des Auslasses verhindert werden. Alle gesteuerten Hochwasserrückhaltebecken sind mit technischen Regulierungseinrichtungen versehen. Die Steuerung wird durch Drosselorgane wie Schütze oder Schieber vorgenommen, deren Stellung mechanisch per Hand oder automatisch vorgenommen werden kann. Die technische Regulierungseinrichtung stellt einen Nachteil gegenüber ungesteuerten Becken dar, weil diese beim Versagen dieselben Folgen nach sich ziehen kann, wie das Verstopfen des Auslasses bei ungesteuerten Becken. Bei der Steuerung nach dem Beckenwasserstand ist der Abfluss Q ab nicht nur eine Funktion des Beckenwasserstandes H, sondern auch noch der Durchflussfläche F, welche durch die Stellung des Drosselorgans bestimmt wird. Q ab = Q( H, F) (Gl. 2.3) In diesem Fall der Steuerung wird aber die Durchflussfläche auf den Beckenwasserstand ausgerichtet. Das bedeutet wiederum, dass die Durchflussfläche auch gleichzeitig eine Funktion des Wasserstandes im Becken ist. F = F(H ) (Gl. 2.4) Damit ist die nach (Gl. 2.2) dargestellte Abhängigkeit auch für diesen Fall hergestellt. Q ab = Q(H ) (Gl. 2.5) Ein Becken mit Steuerung nach dem Beckenwasserstand ist folglich ähnlich wie ein ungesteuertes Hochwasserrückhaltebecken. Auf den ersten Blick macht ein gesteuertes

26 Theoretische Grundlagen 26 Becken, welches wie ein ungesteuertes arbeitet wenig Sinn. In der Praxis ist die Steuerung oftmals nicht kontinuierlich sondern beruht auf Betriebsregeln, die dann meist eine Schieber- oder Schützstellung für einen Beckenwasserstandsbereich vorschreiben. Eine solche Regel kann dann wie folgt aussehen: z.b. Wasserstand zwischen 0m und 2m Stellung 1 (offen); zwischen 2m und 4m Stellung 2; zwischen 4m und 6m Stellung 3 (halb offen). Die Steuerung auf konstanten Abfluss arbeitet in zwei unterschiedlichen Zuständen. Bei niedrigem Beckenwasserstand (bis zu einem Grenzwasserstand H*) richtet sich der Abfluss nur nach dem Beckenwasserstand. Q ab = Q(H ) für H<H* (Gl. 2.6) Bei höherem Wasserstand wird der Abfluss durch eine Steuerung des Drosselorgans konstant gehalten. Er entspricht dann dem Grenzabfluss Q Gr. Q ab = Q Gr für H>H* (Gl. 2.7) Der Hauptvorteil dieser Steuerungsvariante im Vergleich zum ungesteuerten Becken liegt darin, dass es ein kleineres Beckenvolumen beansprucht. Das ermöglicht Einsparungen hinsichtlich des vom Becken beanspruchten Landes und der Sperrengröße. Die Steuerung nach anderen Gesichtspunkten mit fester Betriebsregel kann als eine Vorstufe zur adaptiven Steuerung angesehen werden. Hierbei wird versucht bei jedem Hochwasser das Beckenvolumen voll auszuschöpfen. Dazu sind Erkenntnisse über das Entwässerungsverhalten des Einzugsgebietes notwendig. Bei einer Steuerung nach Beckenwasserstand wird die maximale Beckenauslastung nur beim Bemessungshochwasser erreicht. Bei kleineren Hochwassern, die bekanntlich eine höhere Eintrittswahrscheinlichkeit haben, wäre das Becken nur teilweise gefüllt. Um das Retentionsvolumen für jedes Hochwasser voll ausnutzen zu können, sind Informationen über dessen Fülle notwendig. Es wird versucht die konstanten Abflüsse jeweils an einen Sollwert anzupassen. Beim Bemessungshochwasser wäre der Sollwert gleich dem Grenzabfluss, bei kleineren Hochwassern liegt er darunter. Es muss für das jeweilige Hochwasserereignis ein Anpassungsfaktor C eingeführt werden.

27 Theoretische Grundlagen 27 Es gilt: CQGr Q Gr (Gl. 2.8) Die Steuerung des Beckens würde sich demzufolge nicht nur nach dem Beckenwasserstand, sondern auch nach dem erwatetem Hochwasservolumen V HW richten. Es gilt die Beziehung: C = C( V HW ) (Gl. 2.9) Diese Beziehungen werden aus aufgezeichneten Hochwasserereignissen mit unterschiedlichen Eintrittswahrscheinlichkeiten bestimmt und aufgestellt. Problematisch bei dieser Steuerungsvariante ist, dass die Betriebsregel nur auf diskrete Hochwasserereignisse zugeschnitten ist und nicht für den Allgemeinfall ausgelegt ist. Tritt ein Hochwasserereignis ein, welches nicht in der Ermittlung der Betriebsregel berücksichtigt ist, kann das zu Beeinträchtigungen in der Wirkung des Hochwasserrückhaltebeckens führen. Dieser Fall tritt besonders dann ein, wenn Hochwasserereignisse eintreten, die bei kleinen Scheitelabflüssen hohe Abflussfüllen mit sich bringen oder eine so genannte Kamelhöcker Ganglinie haben. Falls dennoch ein solches Ereignis eintritt, ist es notwendig genügend Vorwarnzeit zu haben, um die Steuerung an die neuen Gegebenheiten anzupassen. Ein Einsatz dieser Steuerungsart für Becken mit kleinen Einzugsgebieten ist somit nicht sinnvoll. Unter einer adaptiven d. h. anpassungsfähigen Steuerung versteht man eine während des Hochwasserereignisses wiederholte, computergesteuerte Anpassung der Abgabeentscheidung für den Speicher unter Berücksichtigung aller unmittelbar im Einzugsgebiet mess- und abrufbaren Informationen (Seus, Uslu 1978). Für diese Art von Steuerung ist es notwendig eine Prognose für die dem Hochwasserrückhaltebecken zufließende Hochwasserwelle zu erhalten. Es muss ein Niederschlag Abfluss Modell für das Einzugsgebiet bestehen, welches ständig mit Niederschlags- und Pegeldaten gespeist wird. Die adaptive Steuerung ist eine sehr aufwendige Steuerungsvariante, die sich nur für große Einzugsgebiete lohnt.

28 Theoretische Grundlagen Wirkung der Steuerungsvarianten In diesem Abschnitt sollen die Verhaltensweisen der einzelnen Steuerungsvarianten auf verschieden Belastungsfälle dargestellt werden. Als Vereinfachung bzw. wegen ähnlicher Verhaltensmuster werden die Varianten ungesteuertes Becken und Steuerung nach Beckenwasserstand, sowie Steuerung nach fester Betriebsregel und die adaptive Steuerung als jeweils eine zusammengefasste Variante betrachtet. Bei den Belastungsfällen soll zwischen den folgenden nach Vischer und Hager (1992) unterschieden werden: - Fall 1: Das Bemessungshochwasser tritt ein - Fall 2: ein von der Fülle her kleineres Hochwasser als das Bemessungshochwasser, welches aber noch über dem Grenzabfluss liegt - Fall 3: ein von der Fülle her kleineres als das Bemessungshochwasser und mit dem Abflussscheitel unter dem Grenzabfluss liegendes Hochwasser - Fall 4: ein in Fülle und Abflussscheitel größeres Hochwasser - Fall 5: Das Auslassorgan ist verstopft - Fall 6: die Steuereinrichtung versagt In Abbildung 2.7 sind die Fälle 1 bis 4 dargestellt, Fall 1 ist dabei als das Bemessungshochwasser definiert. Abbildung 2.7: Hochwasserganglinien für die Fälle 1 bis 4 (Quelle: Vischer, Hager 1992) Im Fall 1 tritt das Hochwasser ein, wofür das Hochwasserrückhaltebecken ausgelegt ist. Der Ablass führt seinen maximalen Abfluss ab und die Hochwasserentlastungsanlage springt gerade noch nicht an. Es herrscht Vollstau im Becken und das Retentionsvermögen wird vollkommen ausgeschöpft (Abbildung 2.8). Ein Vergleich zwischen einem ungesteuerten und einem auf konstanten Abfluss gesteuerten Becken zeigt, dass aufgrund ihrer Bemessung für genau diesen Fall, bei gleichem

29 Theoretische Grundlagen 29 Dämpfungsfaktor die Beanspruchungszeit des konstant gesteuerten Beckens geringer ist, als bei dem ungesteuerten Becken. Demzufolge steht das gesteuerte Becken früher für ein Folgehochwasser bereit als das ungesteuerte Becken. Ein Becken mit adaptiver Steuerung zeigt annähernd dasselbe Verhalten wie das auf konstanten Abfluss gesteuerte Becken. Beim auf konstanten Abfluss gesteuerten Becken ist der Scheitelwert jedoch noch etwas kleiner. Abbildung 2.8: Belastungsfall 1 - a) Ungesteuertes Becken b) mit konstantem Abfluss gesteuertes Becken (Quelle: Vischer, Hager 1992) Für die in den Abbildungen verwendeten Variablen gilt: R [m³]...retentionsvolumen (vertikal schraffiert) Ü [m³]...überstauraum und gleichzeitig Überstauzeit...(horizontal schraffiert) F [h]...füllzeit E [h]...entleerungszeit Q Gr [m³/s]...grenzabfluss Bei Eintritt des Fall 2 (Abbildung 2.9) wird das Hochwasser beim Durchlaufen der unterschiedlichen Becken auch unterschiedlich gedämpft. Beim ungesteuerten Becken wird der Abflussscheitelwert auf einen Wert unterhalb des Grenzabflusses gedämpft. Das auf konstanten Abfluss gesteuerte Becken dämpft den Abflussscheitelwert genau bis auf den Grenzabfluss und hat für diesen Fall einen schlechteren Dämpfungsfaktor, wohingegen die Beanspruchungszeit wesentlich kürzer ausfällt als bei der ungesteuerten Variante. Bei adaptiver Steuerung kann der Abflussscheitelwert unter den Grenzabfluss

30 Theoretische Grundlagen 30 gedrückt werden. Dabei wird das Retentionsvolumen besser ausgeschöpft, was aber wieder einen Anstieg der Beanspruchungszeit zur Folge hat. Diese liegt in diesem Falle aber noch unter der Beanspruchungszeit des ungesteuerten Beckens. Abbildung 2.9. Belastungsfall 2: a) ungesteuertes Becken, b) auf konstanten Abfluss gesteuertes Becken, c) adaptiv gesteuertes Becken (Quelle: Vischer, Hager 1992) Beim Fall 3 (Abbildung 2.10) wird die ankommende Hochwasserwelle nur vom ungesteuerten Becken gedämpft, bei den beiden gesteuerten Varianten findet in diesem Fall keine Dämpfung statt. Abbildung 2.10: Belastungsfall 3: a) ungesteuertes Becken, b) gesteuertes Becken (Quelle: Vischer, Hager 1992)

31 Theoretische Grundlagen 31 Im Fall 4 (Abbildung 2.11) kann das Hochwasser nicht mehr ohne Überschreitung des Grenzabflusses abgeführt werden. Dennoch wird auch dieses Hochwasser bei allen Varianten unterschiedlich gedämpft. Die Hochwasserrückhaltebecken mit ungesteuerter Abgabe und mit konstantem Abfluss gesteuerter Abgabe benötigen ihren gesamten Retentionsraum und zusätzlich springt noch die Hochwasserentlastungsanlage an. Es wird bei beiden Varianten ein Überstauraum beansprucht. Das gesteuerte Becken hat im Gegensatz zum ungesteuerten einen, wegen seines kleineren Retentionsraumes, geringern Anteil an der Dämpfung der Hochwasserwelle. Dafür ist seine Beanspruchungszeit kürzer. Dieser Aussage liegt die Festlegung zu Grunde, das sich die Betrachtung der beiden Beckenvarianten auf das gleiche Hochwasser, das gleiche Einzugsgebiet und den gleichen Standort beziehen. Wie bereits erwähnt, benötigt das ungesteuerte Becken mehr Retentionsvolumen als das gesteuerte Becken. Demzufolge ist bei einem ungesteuerten Becken das Volumen des Überstauraumes auch größer als das beim gesteuerten. Daraus folgt wiederum, dass in diesem Fall das Retentionsvermögen des ungesteuerten Beckens im Überstauraum größer ist als das Retentionsvermögen des auf konstanten Abfluss gesteuerten Beckens. Das mit adaptiver Steuerung versehene Becken kann, bei ausreichend groß bemessenem Auslassorgan, eine bessere Dämpfung erreichen. Bei optimaler Steuerung wird zwar auch hier der Grenzabfluss überschritten, jedoch kann verhindert werden, dass die Hochwasserentlastungsanlage anspringt.

32 Theoretische Grundlagen 32 Abbildung 2.11: Belastungsfall 4: a) ungesteuertes Becken, b) auf konstanten Abfluss gesteuertes Becken, c) adaptiv gesteuertes Becken (Quelle: Vischer, Hager 1992) Im Lastfall 5 (Abbildung 2.12) kommt es zu einer Verstopfung und damit zu einer Wirkungsminderung der Auslassorgane. Die Verstopfung tritt meist zu Beginn des Hochwasserereignisses ein, weil hier im Wasser das meiste Geschwemmsel mitgeführt wird. Es ist hier nur zwischen der ungesteuerten und der gesteuerten Variante zu unterscheiden, da alle gesteuerten Varianten in diesem Lastfall dasselbe Verhalten zeigen. In diesem Fall füllt sich in allen Varianten zuerst der Retentionsraum und danach springt die Hochwasserentlastungsanlage an und der Überstauraum wird genutzt. Trifft der Scheitel der Hochwasserwelle auf den vollen Retentionsraum, so wird die Welle bei allen Varianten etwa gleich gedämpft. Trifft der Scheitel der Welle vor vollständiger Füllung des Retentionsraumes ein, wird die Hochwasserwelle beim ungesteuerten Becken besser gedämpft als bei den gesteuerten Varianten. Falls die Verstopfung nicht beseitigt wird bzw. infolge Durchsickerung sich der Retentionsraum nicht entleeren kann, bleibt dieser ganz oder teilweise gefüllt und steht für Folgehochwasser nicht zur Verfügung. Tritt eine Verstopfung zusammen mit dem Bemessungshochwasser ein, wird der Grenzabfluss zwangsläufig überschritten. Ist das

33 Theoretische Grundlagen 33 Hochwasser jedoch kleiner als das Bemessungshochwasser, so wird zwar die Hochwasserentlastungsanlage anspringen, allerdings wird die Welle trotzdem gedämpft und auch der Grenzabfluss muss nicht unbedingt überschritten werden. Ein Hochwasserrückhaltebecken muss bei Verstopfung also nicht zwingend versagen, sondern wirkt immer noch dämpfend auf die Hochwasserwelle, wenn auch nicht im gleichen Maße wie im Normalfall. Abbildung 2.12: Belastungsfall 5: a) ungesteuertes Becken, b) gesteuertes Becken (Quelle: Vischer, Hager 1992) Der letzte betrachtet Fall, der Belastungsfall 6 in Abbildung 2.13 kann nur gesteuerte Becken betreffen. In diesem Fall ist für Aussagen über die Dämpfung der Hochwasserwelle die Schieber- bzw. Schützstellung zu betrachten bei der die Steuerung versagt. In jedem Fall ist das Becken dann wie ein ungesteuertes Becken zu betrachten. Fällt die Steuerung bei vollständig geöffnetem Auslassorgan aus, so steigt der Abfluss schnell über den Grenzabfluss. Die Wirkung des Beckens ist demnach stark eingeschränkt. Bei Hochwassern mit einem Scheitelabfluss unterhalb des Grenzabflusses ist dieser Mangel ohne Bedeutung. Abbildung 2.13: Belastungsfall 6 für gesteuerte Becken (Quelle: Vischer, Hager 1992)

34 Theoretische Grundlagen 34 Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass ungesteuerte Hochwasserrückhaltebecken ihre Vorteile bei der Dämpfung von Ereignissen haben, die über dem Bemessungshochwasser liegen. Auch bei Hochwassern die unter dem Bemessungshochwasser liegen tritt hier eine Dämpfung der Welle ein. Weiterer Vorteil ist, dass bei diesen Becken keine Steuerung vorhanden ist die ausfallen kann. Der Nachteil eines ungesteuerten Beckens liegt vor allem in dem, im Vergleich zu gesteuerten Becken, kleineren Auslassorgan. Diese sind besonders beim Eintreffen einer Hochwasserwelle von der Gefahr der Verklausung bedroht. Die Vorteile der gesteuerten Hochwasserrückhaltebecken liegen in der geringeren Beanspruchungszeit und dem kleineren benötigten Retentionsraum. Die Verklausungsgefahr ist hier wegen der größeren Abflussquerschnitte geringer. Als Fazit der sechs betrachteten Belastungsfälle bleibt festzuhalten, dass ungesteuerte Hochwasserrückhaltebecken besonders in infrastrukturell schwer zugänglichen Gegenden errichtet werden sollten. Auch in sehr kleinen Einzugsgebieten oder Einzugsgebieten mit kurzen Fließzeiten sollten bevorzugt ungesteuerte Becken errichtet werden. Die Errichtung von auf konstanten Abfluss gesteuerter Becken bietet sich besonders in Gebieten an, in denen nur ein kleiner Retentionsraum zur Verfügung steht. Der Bau von Becken mit Betriebsregel und Becken mit adaptiver Steuerung ist für große Einzugsgebiete mit ausreichender Reaktionszeit auf zufließende Hochwasserwellen empfehlenswert. 2.4 Beschreibung der Software Eine Aufgabe der Diplomarbeit war, ein Flussgebietsmodell mit dem Software Paket zur Hochwasseranalyse und Hochwasserberechnung in der Version 5.01 vom Institut für Wasserwirtschaft und Kulturtechnik der Universität Karlsruhe (TU) aufzubauen. Der Aufbau des Software Pakets und die Möglichkeiten der genutzten Programme soll hier im Folgenden erklärt werden. Das Software Paket besteht aus 29 Teilprogrammen die jeweils eigenständig ausgeführt, oder über das Hauptprogramm IWK_HW.EXE gestartet werden können. Dabei ist es möglich die Ausgabedatei einiger Unterprogramme wieder direkt als Eingabedatei anderer Programme einzulesen und zu verarbeiten. Das Paket ist in 5 Teilgebiete unterteilt - die statistische Analyse von Messwerten, Auswertung von Hochwasserereignissen, Bemessungsgrundlagen von Einzelgebieten, Modellierung eines flächendetaillierten Flussgebietsmodell und diverse

35 Theoretische Grundlagen 35 Zusatzprogramme. In Tabelle 2.1 ist der Aufbau des Software Paketes schematisch dargestellt. Die im Rahmen dieser Arbeit genutzten Unterprogramme sind mit * gekennzeichnet. Tabelle 2.1: Aufbau des IWK - Software Pakets Statistik EXTREM Analyse von Extremwerten einer Beobachtungszeitreihe LINREG Allgemeine lineare oder linearisierte Regressionsberechnung Auswertung von Hochwasserereignissen GEBREG* Ermittlung des Gebietsniederschlages aus Stationsniederschlägen NQEDIT* Eingabe und Editieren von Hochwasserereignissen UH* Berechnung der Einzelordinaten der Einheitsganglinie UHSP* Berechnung der Einheitsganglinie als lineare Speicherkaskade UHDSP* Berechnung der Einheitsganglinie als lineare Doppelspeicherkaskade QPLOT Grafische Darstellung berechneter Einheitsganglinien KOAX Anpassung eines Koaxialdiagramms für die Ermittlung von Abflussbeiwerten Bemessungsgrundlagen für Einzelgebiete ABFLUED Dateneditor zur Erstellung von Dateien zur Berechnung von Bemessungsereignissen ABFLUSS Berechnung von Abflussereignissen QPLOT Grafische Darstellung von Abflussganglinien SPWIRK Ermittlung der Rückhaltewirkungslinie für gesteuerte Hochwasserrückhaltebecken SEERET* Berechnung der ungesteuerten Abflussganglinie aus Hochwasserrückhaltebecken über das Seeretentionsverfahren Flächendetailliertes Flussgebietsmodell FGMED* Dateneditor zur Bearbeitung der erforderlichen Dateien FGM* Berechnung von Hochwasserereignissen FGMRES* Ausgabe der Ereignisse einer Berechnungsvariante FGMPL* Grafische Darstellung von Abflussganglinien FGMVER* Tabellarische Ausgabe von Berechnungsergebnissen FGMPRO Grafische Darstellung eines Hochwasserlängsschnitts Zusatzprogramme KOSTRA Ermittlung einer Niederschlagsstatistik auf der Basis der KOSTRA- Daten GEFAELLE* Berechnung des gewogenen Gefälles PSIKOAX Ermittlung von Abflussbeiwerten über das Koaxialdiagramm PSILUTZ Ermittlung von Abflussbeiwerten über das Regionalisierungsverfahren nach Lutz PSISCS Ermittlung von Abflussbeiwerten über das SCS Verfahren UHPLOT Grafische Darstellung von Einheitsganglinien KALININ* Ermittlung der Parameter für das Kalinin Miljukov Verfahrens NQ_WEL* Umformatierung von Einheitsganglinien in das Datenformat *.WEL

36 Theoretische Grundlagen 36 Bei der Arbeit mit den Programmen des IWK Software Pakets hat es sich als praktisch erwiesen, die Daten für die jeweiligen Berechnungen nicht in den Eingabemasken der Programme einzugeben, sondern über Eingabedateien einlesen zu lassen. Dies ist besonders nützlich und zeitsparend, wenn eine große Anzahl an Daten eingegeben werden muss, wie beispielsweise bei der Eingabe von Niederschlags- oder Abflussordinaten. Für die Erstellung der Eingabedateien empfiehlt es sich einen Texteditor zu verwenden der eine Spaltenfunktion beinhaltet, oder die Eingabedateien sollten mit selbst erstellten Makros und dem Programm Microsoft Excel oder einem anderen Tabellenkalkulationsprogramm erstellt werden. Als Texteditor hat sich bei dieser Arbeit das Programm UltraEdit-32 der Firma IDM Computer Solutions, Inc. bewährt. Auf die Arbeitsweise der genutzten Programme und die zugrunde gelegten Berechnungsverfahren wird im in den folgenden Kapiteln noch näher eingegangen.

37 Datenermittlung und Datenauswertung 37 3 Datenermittlung und Datenauswertung 3.1 Beschreibung des Einzugsgebietes und Ermittlung der Kenngrößen Das betrachtete Einzugsgebiet der Windach von den Quellen bis zum Windachspeicher befindet sich im bayerischen Voralpenland zwischen dem Lech und dem Ammersee. Die Windach ist ein Zufluss zur Amper (nördlich des Ammersees), welche wiederum nördlich von Moosburg in die Isar mündet. Das betrachtete Gebiet umfasst eine Fläche von ca. 61 km² und gehört mit einer West Ost Ausdehnung von ca. 7,3 km und einer Nord Süd Ausdehnung von ca. 11,6 km noch zu den gedrungen geformten Einzugsgebieten. Die höchsten Erhebungen des Gebietes stellen am Gebietsrand, im Westen, die Ortschaft Ludenhausen mit 730 mnn und der Berg Feldpeter mit 729 mnn im Süden dar. Der tiefste Punkt des Einzugsgebietes ist mit 626 mnn der Windachspeicher, der auch gleichzeitig den Gebietsauslass darstellt. Die Windach ist das Hauptgewässer des Gebietes und entspringt im Süden des Einzugsgebietes. Sie entsteht aus mehreren kleinen Gräben, die aus dem Vilgersthofener Forst und von den Weideländern ostwärts bzw. südostwärts der Ortschaft Ludenhausen entwässern. Die Windach erhält bis zum Zufluss des Windachspeichers noch drei weitere maßgebende Zuflüsse durch den Hauserbach (mit Klingelbächel) von Westen her, dem Beurerbach (mit Kohlstattgraben) von Osten her und dem Schlöglbach mit seinen Zuflüssen vom Nordwesten her. Obwohl der Hochwasserschutz der Ortschaften Finning, Windach und Greifenberg Ziel der beschriebenen Untersuchungen dieser Arbeit ist, bleibt der weitere Verlauf der Windach und deren Zuflüsse nach dem Windachspeicher für die Untersuchungen unberücksichtigt. Diese Festlegung wurde zusammen mit dem Wasserwirtschaftsamt Weilheim getroffen. Das Einzugsgebiet hat einen typisch ländlichen Charakter. In ihm befinden sich ausschließlich kleine Dörfer und vereinzelte allein stehende Gehöfte. Aus dieser Feststellung heraus wird festgelegt, dass im Flussgebietsmodell nur Land- und kein Stadtabfluss zu berücksichtigen ist.

38 Datenermittlung und Datenauswertung Größe und Grenzen des Einzugsgebietes und der Teileinzugsgebiete Zur Bestimmung der Größe des Einzugsgebietes wurden digitale topografische Karten verwendet und danach mit bereits bestehenden Karten für das Einzugsgebiet der Windach verglichen. Bei den bestehenden Karten handelt es sich um Kartenverzeichnisse vom Bayerischen Landesamt für Wasserwirtschaft (1978).Die Bestimmung der Gebietsgröße und der Teileinzugsgebiete erfolgte mit der Software des Deutschen Militärgeographischen Dienstes im Maßstab 1:50000 und mit der Software Bayern 3D der Firma MagicMaps im Maßstab 1:25000, welche sich dabei auf die amtlichen topografischen Karten des Bayerischen Landesvermessungsamt stützt. Die erhaltenen Gebietsgrößen wurden zusätzlich noch mit georeferenzierten topografischen Karten und dem Programm ArcView der Firma ESRI kontrolliert bzw. verglichen. Die Nutzung digitaler Karten hat den Vorteil, dass die Einzugsgebietsgrenzen in den Karten eingezeichnet werden können und ohne weiteren Aufwand auch in anderen Karten, wie beispielsweise Bodenkarten oder Landnutzungskarten, eingelesen werden können. Mit den eingelesenen Gebietsgrenzen lässt sich dann sehr einfach eine Überlagerung durchführen, bei welcher die Boden-, Wald-, und Versiegelungsanteile für das jeweilige Teileinzugsgebiet ausgegeben werden können. Nach der Geländebegehung und dem Kartenstudium wurde das Einzugsgebiet in 10 Teileinzugsgebiete eingeteilt. Bei dieser Einteilung wurden Parameter wie Flussläufe, geplante Standorte für zukünftige Hochwasserrückhaltebecken und gebietsinterne Wasserscheiden berücksichtigt. Die Wasserscheiden wurden mit dem Programm PCMAP des Deutschen Militärgeographischen Dienstes Euskirchen durch Einsatz des im Programm enthaltenen Höhenschichtenmodells ermittelt. Die 10 ermittelten Teileinzugsgebiete sind wie folgt auf die einzelnen Vorfluter aufgeteilt: Windach 4 Teileinzugsgebiete; Beurerbach 3 Teileinzugsgebiete; Hauserbach 2 Teileinzugsgebiete und Schlöglbach ein Teileinzugsgebiet. Die Topographische Karte mit dem Gesamteinzugsgebiet sowie den Teileinzugsgebieten ist in Anlage 1 dargestellt. Die Schematische Aufteilung des Einzugsgebietes in seine Teileinzugsgebiete zeigt die folgende Abbildung (Abbildung 3.1).

39 Datenermittlung und Datenauswertung 39 Abbildung 3.1: Schematische Darstellung des Einzugsgebietes Das aufgeteilte Einzugsgebiet und die schematische Darstellung des Einzugsgebietes (mit den Teileinzugsgebieten, den Standorten geplanter Hochwasserrückhaltebecken und der Pegelstandorte) bildeten die Grundlage für die Aufstellung eines Knotenplanes. Der Knotenplan ist das Grundgerüst des Flussgebietsmodells (Anlage 2). Bei der Erstellung eines Knotenplanes werden jedem Teileinzugsgebiet und jedem im Modell berücksichtigten Bauwerk jeweils Knoten zugeordnet, die in aufsteigender Reihenfolge miteinander zu verbinden sind. Das heißt der Folgeknoten eines Knotens muss immer einen höheren Wert besitzen als sein Vorgänger.

40 Datenermittlung und Datenauswertung Flächennutzung, Bebauungsanteil und Waldanteil Das betrachtete Einzugsgebiet mit seinen Teileinzugsgebieten befindet sich, wie bereits einleitend erläutert, im ländlichen Voralpenraum. Der Großteil der Flächen wird entweder von Wald bedeckt, oder zur Rinderhaltung genutzt. Die Nutzung des Gebietes zum Ackerbau ist eher als gering einzustufen. Abbildung 3.2 zeigt einen für das Einzugsgebiet repräsentativen Blick in das Gelände und soll die oben gemachten Angaben visualisieren. Bei den angebauten Kulturen handelt es sich weitgehend um Mais und Getreidekulturen, was später für die Berechnungsverfahren der Abflussbildung zu berücksichtigen ist. Bei den Waldflächen handelt es sich um mitteldichte Mischwälder, was ebenfalls in der Abflussberechnung zu berücksichtigen ist. Abbildung 3.2: Flächennutzung des Einzugsgebietes Hinzu kommt, dass die Waldflächen nicht gleichmäßig über das Einzugsgebiet verteilt sind. Es ist festzustellen, dass die Teileinzugsgebiete des Beurerbaches die stärkste Bewaldung aufweisen (Anlage 3). Auch die Teileinzugsgebiete des Hauserbaches sind im Vergleich zu denen der Windach und des Schlöglbaches stärker bewaldet. Eine Ausnahme stellt das Kopfeinzugsgebiet der Windach dar, welches ebenfalls zum Rest des Einzugsgebietes noch einen relativ hohen Waldanteil besitzt. Der Bebauungsanteil bzw. der Anteil versiegelter Flächen im Einzugsgebiet ist mit ca. 1,9% ebenfalls als gering einzustufen. Bei der Ermittlung der versiegelten Flächen wurden nur die im Einzugsgebiet gelegenen Ortschaften betrachtet. Die kleinen einzeln stehenden Gehöfte sowie der geringe Anteil an Strassen sind dabei nicht in die Berechnungen für die

41 Datenermittlung und Datenauswertung 41 versiegelten Flächen eingegangen (Anlage 3). Insgesamt kann festgestellt werden, dass der Anteil an bebauter Fläche einen geringen Einfluss auf die Abflussbildung haben wird. Ein besonderes Augenmerk ist jedoch dem auffällig großen Anteil an Moorflächen zu widmen, die noch bis vor weinigen Jahren zum Torfabbau genutzt wurden. In einigen Teileinzugsgebieten bildet dieser Anteil mehr als 10% der Teileinzugsgebietsfläche. Diese Gebiete weisen eine besonders hohe Vorsättigung auf, was wiederum zu einem erhöhten Abfluss aus diesen Gebieten führt. Alle ermittelten Flächen bzw. Flächenanteile der jeweiligen Landnutzung sind für die Teileinzugsgebiete und das gesamte Einzugsgebiet in Tabelle 3.1 zusammengefasst. Tabelle 3.1: Zusammenfassung der Flächennutzung Ermittlung der Gefälledaten Für das geplante Flussgebietsmodell ist es notwendig Informationen über des Gefälle der Vorfluter und das gewogene Gefälle der Teileinzugsgebiete zu gewinnen. Das Gefälle der Vorfluter in einem Teileinzugsgebiet geht später in die Berechnungen des Flood Routing ein, das gewogene Gefälle der Teileinzugsgebiete geht in die Berechnungen zur Abflusskonzentration ein. Für die Berechnung des Gefälles wurde das Programm GEFAELLE aus dem IWK- Software Paket verwendet. Dieses Programm berechnet für eine Liste an Wertepaaren (Entfernung vom Bezugspunkt und zugehörige Höhe) das gewogene Gefälle I g über die zugrunde gelegte Strecke. Die für das Programm benötigten Wertepaare wurden mit dem Programm Bayern 3D ermittelt. Die Arbeitsweise des Programms GEFAELLE ist in Abbildung 3.1 beschrieben. Für die Verwendung beim Flood Routing ist das Gefälle des Vorfluters vom Gebietseinlass bis zum Gebietsauslass erforderlich. Für die Berechnung der Abflusskonzentration nach dem Regionalisierungsverfahren von Lutz (1984) ist das Gefälle entlang des längsten Fliessweges bis zur Wasserscheide maßgebend. Dieses Gefälle muss für Zwischengebiete extra bestimmt werden, da der Vorfluter nicht zwingend den längsten

42 Datenermittlung und Datenauswertung 42 Fliessweg aufweist und im Allgemeinen nicht von der gebietsspezifischen Wasserscheide her entwässert. Für Kopfgebiete geht das Gefälle nur in die Abflusskonzentrationsberechnung ein, weil hier kein Flood Routing gerechnet wird. Abbildung 3.3: Ermittlung des gewogenen Gefälles I g (Quelle: Ihringer 2003) Bei den ausgegebenen Grafiken des Programms GEFAELLE ist es vorgekommen, dass die eingelesenen Wertepaare bei der Höhe nicht ständig steigen, sondern auch wieder Fallen. Das Wasser würde laut der Grafik also an einigen Stellen gegen die Schwerkraft fließen. Dieser Fehler liegt an falschen Höhendaten in der digitalen Karte und lies sich nicht umgehen. Nach einer Überprüfung der durch das Programm berechneten Gefälle mit eigenen Berechnungen ergab sich nur ein sehr geringer Unterschied. Dies führte zu der Festlegung, dass trotz der Fehler weiterhin mit den Werten des Programms GEFAELLE gearbeitet wurde. In Abbildung 3.4 ist die grafische Ausgabe des Programms GEFAELLE dargestellt. Neben dem gewogenen Gefälle enthält die Ausgabe noch Informationen über die maximale Fliessstrecke und die überwundene Höhendifferenz.

43 Datenermittlung und Datenauswertung 43 Abbildung 3.4: Darstellung des Längsprofils mit gewogenem Gefälle Charakteristische Flussprofile und deren Rauheiten Die Bestimmung der charakteristischen Flussquerschnittsprofile ist eine Arbeit, die im Gelände vorgenommen werden muss. Die Querschnittsprofildaten werden später im Programm KALININ des IWK Softwarepaketes verarbeitet, welches wiederum Eingabeparameter für das Flood Routing liefert. Im Einzugsgebiet der Windach wurden vor einigen Jahren Renaturierungsmaßnahmen an den dortigen Flüssen vorgenommen, die zuvor während des Speicherbaues 1965/66 mit einem regelmäßigem Querprofil versehen wurden. Diese Tatsache machte es schwierig ein für das Flood Routing notwendiges repräsentatives Gerinneprofil zu finden. Es wurden daher im Rahmen der Geländebegehung Profilmessungen an mehreren Stellen vorgenommen und daraus für die jeweiligen Fliessstrecken ein vereinfachtes repräsentatives Querprofil entwickelt. Die Abbildung 3.5 und Abbildung 3.6 zeigen einige im Gelände vorgefundene Gerinneprofile.

44 Datenermittlung und Datenauswertung 44 Abbildung 3.5: Querprofil Windach Abbildung 3.6: Querprofil Beurerbach Für die Ermittlung der Gewässerrauheit sowie der Rauheit der Vorländer wurden die DVWK Schriften 92 (1990) verwendet. Bei den Sohlen der Gerinne wurden die Werte für Flüsse in der Ebene, mit Spiegelbreiten <30m, sauber, gewunden, einige Kolke und Untiefen, jedoch geringe Wassertiefen verwendet. Bei den Vorländern lag Weide ohne Buschwerk, kurzes Gras, Ackerflächen, dichter Baumbestand oder lichtes Gestrüpp und Bäume (Winter, Sommer) vor. Für das Gefälle der einzelnen Gerinnestrecken wurde auch hier, wie in Kapitel beschrieben das Programm GEFAELLE genutzt. Grundsätzlich ist für das Gefälle der Vorfluter mit dem absoluten Gefälle zu rechnen. Hier wurde, wegen der in Kapitel beschriebenen Fehler in den Höhendaten entlang der Fliessstrecke, ebenfalls mit dem gewogenen Gefälle gerechnet. Kontrollrechnungen und Vergleiche mit dem Programm NASIM ergaben, dass eine Rechnung mit dem gewogenen Gefälle entlang der Fließstrecke möglich ist und zu keinen groben Fehlern führt. Eine Übersicht über die Querschnittsprofile, die Rauheiten, die grafische Darstellung der Querschnitte und deren Platzierung im Flussgebietsmodell ist in Anlage 4 enthalten Der Boden im Einzugsgebiet Das betrachtete Einzugsgebiet der oberen Windach zählt zur Jungmoränenlandschaft des Alpenvorlandes, welche durch glaziale Prozesse der letzten Eiszeit (Würmeiszeit) entstanden ist. Es wurde dabei vom Eis des Loisach Gletschers bedeckt, welcher seinen Vorstoßhöhepunkt vor ca Jahren erreichte. Bei den transportierten Sedimenten des Loisach Gletscher dominierte ein Anteil an Kalk- und Dolomitgeschieben, der seinen Ursprung im Alpinen Kalkstein hat. Das Gesteinsmaterial der Jungmoräne ist ein inhomogenes Gemisch aus Mineral- und

45 Datenermittlung und Datenauswertung 45 Gesteinsbruchstücken unterschiedlicher Kornverteilung (Bayerisches Geologisches Landesamt 1986). Das betrachtete Einzugsgebiet der Windach ist maßgebend durch kiesig schluffigen Moränenboden und Moorboden gekennzeichnet. Die kiesig schluffige Moräne besteht aus kiesigen bis stark kiesigen, sandig lehmigen Schluffen und schluffigen Lehmen. Teilweise treten auch schwach tonige Lehme auf. Es müssen aber mehr oder weniger große Überschneidungen zwischen den einzelnen Gruppen der Moränenböden hingenommen werden (Bayerisches Geologisches Landesamt 1986). Eine klare Abtrennung der einzelnen Moränenböden ist also nicht möglich und ist daher stark generalisiert. Eine Übersicht der Materialeigenschaften der Moränen des Isar Loisachgletschers sind in Tabelle 3.2 dargestellt. Tabelle 3.2: Korngrößenzusammensetzung und Materialeigenschaften von Moränentypen (Quelle: Bayerisches Geologisches Landesamt 1986) Moränentyp sandigkiesigkiesigschluffigschluffig schluffig- kiesig- tonig- Bodenarten us, ls, uls, sl, uls, sul, sl, slu, sul, ul, des utl, tl sul slu t L Feinbodens Bodenskelett % % 2 35 % meist < 20 % Carbonatgehalt des Bodens 45 - >90% % % % Wasserdurchlässigkeit hoch mittel gering hoch bis sehr gering bis gering bis sehr mittel bis hoch KAK pot. 9 mval 11 mval 15 mval 18 mval Entwicklungstiefe des 4 8 dm 3 7 dm 3 6 dm 2,5 6 dm Leitbodens Einen weiteren maßgebenden Bestandteil der Böden im Einzugsgebiet stellen die Moore dar. Moore bauen sich aus Torfen auf. Bei der Vertorfung werden abgestorbene Pflanzenreste in ihrer Zersetzung gehemmt. Dieser Prozess erfolgt unter zunehmend anaeroben Bedingungen (Wasserüberschuss). Die Torfarten Niedermoor-, Übergangsmoor- und Hochmoortorf werden dabei durch die Art der Pflanzenreste

46 Datenermittlung und Datenauswertung 46 unterschieden. Die vom Grundwasser abhängigen Niedermoore bilden sich unter zufließendem, mineralstoffhaltigen Wasser. Hochmoore dagegen sind klimatisch bedingte, vom Regenwasser abhängige Moore. Eine Übergangsform zwischen Niederund Hochmooren bilden die Übergangsmoore. Der Leitboden der Jungmoränenlandschaft ist die Parabraunerde. Das sich hügelig und kuppig darstellende Relief der Jungmoränenlandschaft bewirkt ein engräumiges Verteilungsmuster der Böden. Der Leitboden Parabraunerde tritt oft zusammen mit Pararendzinen auf, welche als Erosionsformen häufig in Rücken-, Kuppen- und Oberhanglagen auftreten. Einen weiteren Bestandteil der Bodengesellschaft der Jungmoräne bilden die hydromorphen Böden (Stau- und Haftnässeböden). Die Verbreitung dieser Böden ist eng mit dem Auftreten hoher Ton- und Schluffgehalte im Moränenmaterial verbunden. Besonders der kiesig schluffige Moränentyp bildet diese Böden aus, dabei häuft sich ihr Auftreten vor allem in Grundmoränenlandschaften. Der Grad der Vernässung von Böden (Pseudovergleyung) ist sehr stark von der Undurchlässigkeit der Untergrundschicht abhängig. Die Bodentypen des Einzugsgebietes wurden aus standortkundlichen Bodenkarten von Bayern (Maßstab 1:50000) entnommen und im Programm ArcView eingearbeitet. Damit war es möglich die einzelnen Bodentypen prozentual zu bestimmen. Die im Einzugsgebiet vorliegenden Böden, sowie deren Beschreibung und Nutzung sind in Anlage 5 aufgeführt. Nach umfangreicher Studie der Karten, der Auswertung in ArcView und der Geländebegehung konnte der Boden des Einzugsgebietes in die für die Berechnung der Abflussbildung genutzten Verfahren eingestuft werden. Bei den beiden Verfahren (Verfahren nach Lutz und SCS) fiel der vorliegende Boden in den Bodentyp C. 3.2 Ermittlung der Ereigniskenngrößen Um ein funktionierendes Flussgebietsmodell aufbauen zu können, ist es notwendig dieses zuerst mit historischen Niederschlägen und dazugehörigen gemessenen Abflüssen zu kalibrieren. Dieser Arbeit lagen die Niederschläge und Abflüsse des Hochwassers von Mai 1999 zu Grunde. Um ein Flussgebietsmodell erstellen zu können, welches auch zukünftige Ereignisse ausreichend genau simuliert, ist es notwendig viele Niederschlags- und Abflussmessungen in die Kalibrierung einfließen zu lassen. Nach der Aufgabenstellung und Absprachen mit dem Wasserwirtschaftsamt Weilheim sollte

47 Datenermittlung und Datenauswertung 47 nur das Ereignis vom Mai 1999 zur Kalibrierung genutzt werden, weshalb in dieser Arbeit auch keine weiteren Ereignisse zur Kalibrierung hinzugezogen wurden. Es wurden lediglich die Niederschlags- und Abflussmessungen des Hochwassers vom März 2000 zur Validierung hinzugezogen. Eine Aussage, ob das Flussgebietsmodell auch für Simulationen weiterer Ereignisse (z.b. für ein 1000-jährliches Hochwasserereignis) genutzt werden kann, ist nicht möglich Niederschlagsdaten und Ermittlung des Gebietsniederschlags Für die Ermittlung des Gebietsniederschlages für größere Einzugsgebiete (Einzugsgebietsfläche > 10 km²) gibt es nach Maniak (1997) vier unterschiedliche Methoden: - Ermittlung des Gebietsniederschlages durch arithmetisches Mittel, - die Polygon- oder Thiessen Methode, - das Isohyetenverfahren - und die Rastermethode. Für die Bestimmung des Gebietsniederschlages durch arithmetisches Mittel, ist eine annähernd gleiche Verteilung der Niederschlagsstationen und ebenes Gelände notwendig. Das untersuchte Einzugsgebiet weist diese Bedingungen nicht auf, weshalb der Gebietsniederschlag nach der Polygon- bzw. Thiessen - Methode bestimmt wird. Das Isohyetenverfahren ist sehr arbeitsaufwendig und erfordert ein sehr hohes Maß an meteorologischer Erfahrung und wird daher hier nicht eingesetzt. Die Rastermethode ist eine Methode die besonders für große bis sehr große Einzugsgebiete verwendet wird und auf Grund des relativ kleinen Einzugsgebietes der Windach keine Anwendung findet. Das Prinzip der Polygon bzw. Thiessen Methode ist bei Dyck und Peschke (1983), Maniak (1997) und in DVWK Regel 112/1982 umfangreich beschrieben und soll hier deshalb nicht näher erläutert werden. Als Niederschlagsdaten für den Gebietsniederschlag wurden die Messdaten von 11 Niederschlagsmessstationen ausgewertet, von denen letztlich 6 in die Berechnung des Gebietsniederschlages eingingen. Bei den vorhandenen Stationen handelte es sich um 6 Messstationen mit täglichen Messintervallen und 5 Stationen mit stündlichen Messintervallen. Bei den 6 Niederschlagsstationen die für die Ermittlung des Gebietsniederschlages herangezogen wurden, handelte es um die Stationen mit der geringsten Entfernung zum Einzugsgebiet. Im Einzelnen sind das die Niederschlagsstationen: Utting - Achselschwang, Dießen am Ammersee, Wessobrunn,

48 Datenermittlung und Datenauswertung 48 Apfeldorf, Vilgertshofen-Pflugdorf und Westernschorndorf. Nach der Aufteilung der gemessenen Stationsniederschläge auf das Einzugsgebiet mit Hilfe der Polygon- bzw. Thiessen Methode ergab sich für das Einzugsgebiet ein Gesamtniederschlag von 153,76mm. Die Lage der Niederschlagsstationen zum Einzugsgebiet und Flächenanteile nach der Thiessen Methode sind jeweils in einem Kartenausschnitt in Anlage 6 dargestellt. Für die Berechnung im Flussgebietsmodell war es notwendig den Niederschlag der Stationen mit täglichen Messintervallen auf stündliche Werte zu transformieren. Zur Ermittlung des zeitlichen Niederschlagsverlaufes wurden 3 Stationen mit stündlichen Messwerten herangezogen, um die bestmögliche Anpassung an den tatsächlich gefallenen Niederschlag zu erhalten. Es handelt sich hierbei um die Niederschlagsstationen: Geratshof, Rothenfeld und Westernschorndorf. Auch hier wurden die Niederschlagsstationen (mit stündlichen Messintervallen) mit der geringsten Entfernung zum Einzugsgebiet gewählt. Die Niederschlagsganglinien dieser Stationen sind in Abbildung 3.7 zu sehen. Der zeitliche Verlauf des Gebietsniederschlages wurde durch das gewichtete Mittel der 3 stündlichen Niederschlagsganglinien bestimmt. Die in die Berechnungen einfließende Niederschlagsganglinie ist in Abbildung 3.8 dargestellt. Abbildung 3.7: Niederschlagsganglinien der 3 Stationen mit stündlichem Messintervall

49 Datenermittlung und Datenauswertung 49 Abbildung 3.8: Ermittelte Niederschlagganglinie des Gebietsniederschlages Nach Abschluss der Transformation und der Aufteilung des Niederschlages auf das Einzugsgebiet, wurde der ermittelte Gebietsniederschlages mit Werten aus dem KOSTRA Atlas (1997) geprüft. Nach den Angaben des KOSTRA Atlas sollte die Niederschlagshöhe bei einem 100-jählichen Niederschlagsereignis für das betrachtete Gebiet zwischen 165mm und 185mm liegen. Dabei entsprechen 165mm Niederschlag einem 48-stündigem und 185mm einem 72-sündigem Ereignis. Ein 63-stündiges Ereignis, wie es im Falle des Hochwassers vom Mai 1999 vorliegt, sollte demnach eine Niederschlagshöhe von 177mm haben (Abbildung 3.9). Abweichungen von diesen Werten mit einer Toleranz von 20% können dabei noch in Kauf genommen werden (KOSTRA Atlas, 1997). Die Annahme, das Hochwasser bzw. den Niederschlag vom Mai 1999 einem 100-jährlichem Ereignis gleichzusetzen, ist demnach gerechtfertigt.

50 Datenermittlung und Datenauswertung 50 Abbildung 3.9: Niederschlagshöhen aus dem KOSTRA Atlas (Quelle: Ebert, 2004) Auswertung der gemessenen Abflussdaten Für die Kalibrierung des Flussgebietsmodells lagen vom Wasserwirtschaftsamt Weilheim bereitgestellte Abflussmessdaten vor. Es handelte sich zum einen um gemessene Werte am Windachpegel Obermühlhausen, am Beurerbachpegel und am Auslass des Windachspeichers, zum anderen um zurückgerechnete Zuflusswerte des Windachspeichers. Die zurückgerechneten Werte wurden aus einer Funktion von Speicherabfluss und Speicherfülle ermittelt. Die Abflussmesswerte am Windachpegel und am Beurerbachpegel lagen in Intervallen von 15 Minuten vor und wurden für das Flussgebietsmodell auf stündliche Werte transformiert. Die Zu- und Abflusswerte am Windachspeicher lagen in stündlichen Intervallen vor und konnten direkt übernommen

51 Datenermittlung und Datenauswertung 51 werden. An der Abflussganglinie am Pegel der Windach in Abbildung 3.10 ist zu erkennen, dass es sich um eine mehrgipflige Welle handelt. Nach DVWK Regel 112 (1982) ist eine solche Welle weiter zu untersuchen. Handelt es sich bei einer mehrgipfligen Welle um eine ereignisbedingte, also durch den Verlauf des Niederschlages bedingte Welle, so kann diese als eine Welle betrachtet werden. Liegt hingegen eine systembedingte mehrgipflige Welle vor, d. h. die Welle stellt ein typisches Merkmal des Abflussverhaltens des betrachteten Einzugsgebietes dar, so müssen die jeweiligen Abflussanteile getrennt betrachtet werden. Bei der Abflusswelle am Windachpegel handelt es sich um eine ereignisbedingte mehrgipflige Welle. Es muss daher keine Ganglinienseparation durchgeführt werden. Abbildung 3.10: Abflussganglinie am Windachpegel Obermühlhausen Die Abflussganglinie am Windachpegel Obermühlhausen ist die Ganglinie, auf die das Flussgebietsmodell kalibriert werden soll. Die Abflussganglinien von Beurerbach und Windach am Speicherzu- bzw. -abfluss werden als weitere Referenzen genutzt, da am Windachpegel Obermühlhausen nicht das gesamte Einzugsgebiet erfasst wird.

52 Datenermittlung und Datenauswertung Erfassung der Speicherkenndaten Für die Berücksichtigung von Hochwasserrückhaltebecken in einem Flussgebietsmodell sind im Vorfeld Informationen über die Speicherinhaltslinien (Wasserstands Beckeninhaltsbeziehung) und Wasserstands Abflussbeziehungen (Schlüsselkurven) der jeweiligen Becken zu beschaffen. Die Speicherinhaltslinien wurden für die beiden geplanten Becken und für den Windachspeicher vom Wasserwirtschaftsamt Weilheim zur Verfügung gestellt. Für den Windachspeicher wurde beim Hochwasser 1999 eine fiktive Betriebsregel entworfen, die auch in dieser Arbeit eingesetzt wurde. Die Schlüsselkurven der beiden geplanten Becken wurden mit einem selbst geschriebenen VBA - Programm unter MS Excel bestimmt. Dieses Programm berechnet die Abflüsse in Abhängigkeit für drei unterschiedliche Fälle (Abbildung 3.11). Diese Fälle sind im Einzelnen: - Beckenwasserstand H ist kleiner oder gleich dem 1,1-fachen der Durchlasshöhe (a),(h H 1) - Beckenwasserstand H ist größer als das 1,1 fache der Durchlasshöhe (a) und erreicht maximal das höchste Stauziel H max,(h 1 < H H 2) - Beckenwasserstand H ist größer als das höchste Stauziel, und kleiner als die Höhe der Dammkrone ( H 2 < H < H 3) Abbildung 3.11: Wasserstände der jeweiligen Berechnungsfälle

53 Datenermittlung und Datenauswertung 53 Um diese Aufteilung zu erklären sind Beschreibungen der Abflussverhältnisse am Durchlass notwendig. Der Durchlass eines Hochwasserrückhaltebeckens ist ein geschlossener Kanal mit bestimmten Abmessungen, der teilgefüllt als auch vollgefüllt Wasser abführen kann (Vischer, Hager, 1992). Es wird grundsätzlich zwischen freiem und eingestautem Abfluss, sowie zwischen Freispiegel- und Druckzuständen unterschieden. Unter eingestautem Abfluss versteht man, dass der Auslass durch einen Unterwasserstau teilweise oder ganz beeinflusst wird. Bei Freispiegelabfluss kann der Abfluss strömend oder schießend vorliegen (Bollrich, 2000). Der Übergang von strömenden zu schießendem Abfluss wird als kritischer Abfluss bezeichnet. Bei Druckabfluss kann nur schießender Abfluss vorherrschen. In Abbildung 3.12 sind sechs Abflusszustände durch einen Durchfluss dargestellt. Der Übergang von Freispiegel- zu Druckabfluss ist abhängig vom Beckenwasserstand H und findet in einem Bereich von a H 1,2a statt. Abbildung 3.12: Abflusszustände bei Durchlässen (Quelle: Vischer, Hager, 1992)

54 Datenermittlung und Datenauswertung 54 Der erste Fall stellt sich ein, wenn der Beckenwasserstand H unterhalb von 1,2mal Durchflusshöhe a und das Sohlgefälle I s im Durchlass größer als das kritische Gefälle I c ist und ein eventueller Unterwasserstau nicht bis zum Einlauf zurück reicht. Bei gleichen Bedingungen wie Fall 1 aber einem Beckenwasserstand H von größer als 1,2mal a stellt sich Fall 2 ein. In diesem Fall bildet sich eine Luftschicht vom Unterwasser her bis zum Einlauf. Der Fall 3 stellt sich ein, wenn der Beckenwasserstand kleiner als 1,2mal a ist und ein kleines Sohlgefälle (I s < I c ) vorliegt. Kommt es zu einem Unterwasserstau, der über die kritische Wassertiefe aber noch nicht bis an den Durchlassscheitel reicht, stellt sich Fall 4 ein. Es kommt in diesem Fall also noch nicht zu einem Einstau des Auslasses vom Unterwasser her. Bei kleinem Sohlgefälle und kleinem Beckenwasserstand wird dieser Abfluss instabil. Wenn der Unterwasserstau genügend groß ist, schlägt der Abflusskanal von unten her zu. Bei großem Sohlgefälle und einem Beckenwasserstand kleiner der Durchlasshöhe kann im Kanal ein Wechselsprung auftreten. Im Normalfall herrscht hier (bei H > a) aber Druckabfluss. Bei relativ kleinen vorherrschenden Druckdifferenzen zwischen Oberund Unterwasser und H > a stellt sich Fall 6 ein. Werden die Druckdifferenzen größer, so wird der Auslauf freigeblasen und es stellt sich wieder Fall 5 ein. In diesem Fall liegt schießender Abfluss vor und hinter dem Auslass ist ein Tosbecken vorzusehen. Beim Übergang von Freispiegel- (H < a) zu Druckabfluss (H < 1,2a) kommt es zu instabilen Abflussverhältnissen (siehe Fall 4). Es treten am Einlauf Pulsationserscheinungen auf die sich in einem Wechsel von Druck- und Freispiegelabfluss äußern. Diese Art des Abflusses kann heutzutage noch nicht in einer Funktion beschrieben werden. Es können für diesen Zustand also noch keine Berechnungen durchgeführt werden. Bei der Programmierung des Excelprogramms wurde dieser Bereich dahingehend berücksichtigt, dass bis zum Beckenwasserstand H1 (H1=1,1a) mit Freispiegelverhältnissen und für Beckenwasserstände von größer H1 mit Druckabfluss gerechnet wurde. Für den Freispiegelabfluss wurde die empirische Fließformel nach Gauckler Manning Strickler (Bollrich 2000) verwendet. Danach berechnet sich der Abfluss zu: 2 3 hy 1 2 Q = A k r I (Gl. 3.1) St mit A = H b (Gl. 3.2)

55 Datenermittlung und Datenauswertung 55 und r hy = A l u = H b 2H + b (Gl. 3.3) Q [m³/s]...abfluss A [m²]...durchflossene Fläche k St r hy I H b [m 1/3 /s]...manning Strickler Beiwert [m]...hydraulischer Radius [-]...Sohlgefälle (hier mit 0,0063 angenommen) [m]...beckenwasserstand [m]...breite des Durchlasses Für den Bereich, in dem der Wasserstand zwischen H1 und H2 liegt, wurde mit der Abflussformel nach Torricelli (Bollrich, 2000) gerechnet. Dabei wurde Druckabfluss ohne Unterwasserstau für die Berechnungen angenommen. Q = µ A a b 2g H (Gl. 3.4) Q [m³/s]...abfluss µ A [-]...Ausflussbeiwert a b g H [m]... Höhe des Durchlasses [m]...breite des Durchlasses [m/s²]...erdbeschleunigung (g= 9,81 m/s²) [m]...beckenwasserstand Vom Wasserwirtschaftsamt Weilheim wurden die Durchlässe der Hochwasserrückhaltebecken für zwei mögliche Varianten vorgegeben. Zum einen sollte mit einer Auslassfläche von 0,5 m² (a=0,25 m mal b=2 m), zum anderen mit einer Auslassfläche von 0,8m² (a=0,4m mal b=2m) gerechnet werden. Der Ausflussbeiwert µ A wurde ebenfalls für beide Becken und beide Varianten mit 0,6 vom Wasserwirtschaftsamt Weilheim vorgegeben.

56 Datenermittlung und Datenauswertung 56 Für den Fall, dass sich ein Wasserstand im Becken einstellt, der höher als das Stauziel ist (H2 < H < H3), wurde das Anspringen einer Hochwasserentlastungsanlage im Programm mit berücksichtigt. Der Abfluss für diesen Fall setzt sich aus der Summe des Druckabflusses nach Torricelli und dem Abfluss der Hochwasserentlastungsanlage zusammen. Der Abfluss der Hochwasserentlastungsanlage wurde für beide Becken nach der Überfallformel von Poleni (Bollrich 2000) für vollkommenen Überfall berechnet. mit 2 3 Q = µ b 2 2 HWE g h ü (Gl. 3.5) 3 h ü = H H max (Gl. 3.6) Q [m³/s]...abfluss µ [-]...Überfallbeiwert b HWE g H max H h ü [m]...breite der Wehrkrone [m/s²]...erdbeschleunigung (g= 9,81 m/s²) [m]...höchstes Stauziel [m]...beckenwasserstand [m]...überstauhöhe Für die Hochwasserentlastungsanlage wurde eine Wehrbreite von b HWE =5m und ein Überfallbeiwert von µ=0,75 angenommen. Die Berücksichtigung einer Hochwasserentlastungsanlage ist für die Berechnungen mit der IWK- Software zwingend notwendig, weil sonst das Programm eine Fehlermeldung bringt. Die Annahmen für die Hochwasserentlastungsanlage sind für die Berechnungsergebnisse ohne weitere Bedeutung, weil ein Anspringen der Hochwasserentlastung für das Bemessungshochwasser (Hochwasser Mai 1999) nicht erfolgen darf. Für zukünftige Simulationen mit anderen Hochwassern sind diese Annahmen gegebenenfalls anzupassen. Nach der Berechnung der Schlüsselkurven und der Eingabe der berechneten Werte in das Programm SEERET der IWK Software zusammen mit den Speicherinhaltsbeziehungen ergaben sich für die beiden geplanten Hochwasserrückhaltebecken die in Anlage 7 dargestellten Speicherkennlinien. Es wurden für beide Becken zwei Varianten berechnet. Variante 1 (V1) stellt das Becken

57 Datenermittlung und Datenauswertung 57 jeweils mit einer Auslassfläche von 0,5m² (0,25m x 2m) dar, die Variante 2 (V2) berücksichtigt eine Auslassfläche von 0,8m² (0,4m x 2m). Für den Windachspeicher lag für die Berechnungen eine Speicherinhaltsbeziehung (Speicherinhaltslinie), sowie eine fiktive nach dem Hochwasser vom Mai 1999 bestimmte Betriebsregel vor. Diese Daten konnten ohne weitere Aufbereitung im Flussgebietsmodell verwendet werden. Des Weiteren wurden Berechnungen mit den tatsächlich gemessenen Wasserstands - Abfluss - Beziehungen und einem auf konstanten Abfluss gesteuertem Windachspeicher durchgeführt. Für diese Berechnungen war eine Erstellung von Schlüsselkurven im Vorfeld nicht notwendig. Die gemessenen Werte wurden den IWK Programmen ohne Aufbereitung übergeben.

58 Flussgebietsmodellierung 58 4 Die Flussgebietsmodellierung Zu Beginn der Modellierung werden im Programm FGMED alle für das Flussgebietsmodell notwendigen Daten eingegeben oder eingelesen. Hierbei handelt es sich um die Daten des Gewässernetzes, Ereignisdaten, Daten über den Land- und Stadtabfluss sowie die Daten über die Wellenverformung (Flood Routing) auf der Gewässerstrecke. Die jeweiligen Dateien werden vom Programm FGM eingelesen, welches dann die Ergebnisse von möglichen Berechnungsvarianten zurückliefert. Der Aufbau des Programms FGMED ist in Abbildung 4.1 grafisch dargestellt. Es ist möglich vor der Übergabe der Dateien an das Programm FGM, erst mehrere Dateien vom Ereignis, dem Land- und Stadtabfluss, und der Wellenverformung zu erstellen. Diese Dateien können dann mit einer Datei FGM.IN in unterschiedlichen Kombinationen eingelesen werden. Dieses Vorgehen hat den Vorteil, dass in kürzester Zeit viele mögliche Varianten berechnet werden können. Abbildung 4.1:Aufbau des Programms FGMED In der Gewässernetzdatei erfolgt die Eingabe der Knoten. Es hat sich als sinnvoll erwiesen, bei der Eingabe der Knotenanzahl mehr Knoten, als auf den ersten Blick notwendig einzugeben, da die Knotenanzahl später nicht mehr verändert werden kann. In der Gewässernetzdatei werden weiterhin Informationen über die zu simulierenden Hochwasserrückhaltebecken, die Anzahl und Länge der zu simulierenden Zeitschritte und der Basisabfluss an den jeweiligen Knoten gespeichert. Es kann hier die Simulation eingegebener Becken an den Knoten ein und ausgeschaltet werden, d.h. es kann eingestellt werden ob bereits eingegebene Hochwasserrückhaltebecken in der Berechnung berücksichtigt, oder als nicht vorhanden angesehen werden sollen. Für die

59 Flussgebietsmodellierung 59 Länge der Zeitschritte wurde ein Intervall von 0,1 (das entspricht einer Zeit von 0,1 Stunden) und für die Anzahl der Zeitschritte gewählt. Die Wahl der Zeitschrittlänge sollte relativ klein gewählt werden, weil sonst besonders beim Flood Routing Rechenfehler auftreten. Einen Anhalt für die Wahl der Zeitschritte enthalten die DVWK Schriften 124 (1999). Der Basisabfluss spielt bei Hochwasserberechnungen eine untergeordnete Rolle, weil er nur sehr gering zum Gesamtabfluss beiträgt. Zur Berücksichtigung eines Basisabflusses wurde der am Windachpegel Obermühlhausen gemessene Abfluss vor Eintreffen der Hochwasserwelle und nach dem Ende des Hochwasserereignisses verwendet. Der dort gemessene Abfluss, geteilt durch die Fläche des Einzugsgebietes bis zum Pegel, ergab eine Basisabflussspende für die Zeit vor und nach dem Ereignis. Diese Abflussspenden wurden für das Einzugsgebiet bis zum Windachpegel als gleich angenommen und wieder mit den jeweiligen Teileinzugsflächen multipliziert. Für den Beurerbach wurde genauso vorgegangen, nur wurden für die Bestimmung der Basisabflüsse dieser Teileinzugsgebiete die Pegelwerte des Beurerbachpegel verwendet. Die Basisabflüsse des Schlöglbaches wurden aus der Differenz von Windachspeicherzufluss und der Summe der Basisabflüsse der beiden Pegel bestimmt. In Tabelle 4.1 sind alle in der Gewässernetzdatei berücksichtigten Basisabflüsse für die jeweiligen Teileinzugsgebiete bzw. Knoten zusammenfassend aufgeführt. In der Tabelle nicht aufgeführten Knoten wurden ohne Basisabfluss in die Datei eingegeben, da ihnen kein Landabfluss zufließt.

60 Flussgebietsmodellierung 60 Tabelle 4.1: Basisabflüsse der Teileinzugsgebiete bzw. Knoten Q b Anf Q b End Windachpegel 0,221 0,236 [m³/s] Einzugsgebietsfläche 33,75 33,75 [km²] Basisabflussspende 6,5 7,0 [l/s*km²] Teileinzugsgebiet W1 (K1) 0,078 0,083 [m³/s] W2 (K2) 0,044 0,047 [m³/s] W3 (K3) 0,020 0,022 [m³/s] W4 (K5) 0,009 0,010 [m³/s] H1 (K10) 0,032 0,034 [m³/s] H2 (K11) 0,038 0,040 [m³/s] Beurerbachpegel 0,058 0,261 [m³/s] Einzugsgebietsfläche 16,76 16,76 [km²] Basisabflussspende 3,5 15,6 [l/s*km²] Teileinzugsgebiet B1 (K6) 0,023 0,106 [m³/s] B2 (K7) 0,024 0,108 [m³/s] B3 (K9) 0,010 0,047 [m³/s] S (K14) 0,181 0,203 [m³/s] Die übrigen noch zu editierenden Dateien enthalten Daten für folgende noch zu berücksichtigende Prozesse: Abflussbildung...Ereignisdatei Abflusskonzentration...Land- und Stadtabflussdatei Flood Routing...Wellenverformungs- bzw. Flood Routing Datei

61 Flussgebietsmodellierung Abflussbildung Für die Abflussbildung wurden wie in der Einleitung schon erwähnt mehrere mögliche Verfahren genutzt. Diese sollen im Folgenden kurz erläutert werden. Ziel der Abflussbildungsberechnungen ist ein für jedes Teileinzugsgebiet maßgebender Abflussbeiwert Ψ und die Berechnung des zeitlichen Verlaufes des Abflusses, sowie eventuelle Anfangsverluste. Der Abflussbeiwert Ψ bestimmt sich zu: N eff Ψ = (Gl. 4.1) N Soll im Abflussbeiwert ein Anfangsverlust berücksichtigt werden, berechnet sich Ψ zu: N eff Ψ = (Gl. 4.2) N N Anf mit: N eff N N Anf [mm]...effektivniederschlag [mm]...gebietsniederschlag [mm]...anfangsverlust Rückrechnung mit IWK- Software Aus den in den Vorarbeiten gewonnen Niederschlags- und Abflussdaten wurde mit den IWK-Programmen UH, UHSP und UHDSP versucht eine Einheitsganglinie zu berechnen. Die eingesetzten Programme arbeiten wie folgt (Ihringer, 2003): Das Programm UH nutzt zur Berechnung der Einheitsganglinie das Kleinste Quadrate Verfahren mit Einzelordinaten. Dabei werden die Ordinaten der Einheitsganglinie so bestimmt, dass eine möglichst gute Übereinstimmung der gerechneten Werte mit den gemessenen entsteht. Dazu wird die Summe der Abweichungsquadrate minimiert. m 2 S = ( Q D, j QD, j ) min j= 1 (Gl. 4.3)

62 Flussgebietsmodellierung 62 mit Q D, j AE = 3,6 t j i= 1 I eff u j i+ 1 (Gl. 4.4) Q D,j Q D,j* m A E I eff u t [m³/s]...gemessener Abfluss [m³/s]...gerechneter Abfluss Länge der Abflussganglinie in Zeitschritten von t [km²]...einzugsgebietsfläche [mm]...effektivniederschlag pro Zeitschritt t [-]...Ordinaten der Einheitsganglinie pro...zeitschritt t [h]...berechnungszeitschritt Die Anwendung dieser Methode führt wegen Unsicherheiten in den gemessenen Werten oft zu einem Oszillieren der Einzelordinaten der berechneten Ganglinie. Auch im Falle des Hochwassers vom Mai 1999 lag eine Oszillation der Einheitsganglinie vor, weshalb diese Methode verworfen wurde. Die gerechnete Abflussganglinie hatte bei diesem Verfahren die beste Übereinstimmung mit der gemessenen. Das Programm UHSP berechnet die Einheitsganglinie über die lineare Speicherkaskade, die über folgende Funktion beschrieben wird: u( t) = n 1 t e n k Γ( n) t k (Gl. 4.5) n k Γ(.) [-]...Anzahl der Linearspeicher [h]...speicherkonstante Gamma Funktion Bei der Bestimmung der Parameter n und k gibt es zwei Methoden: Momentenmethode und Methode der kleinsten Fehlerquadrate. Im Programm gibt es die Möglichkeit bei der Berechnung eine Gewichtung des Scheitelbereiches vorzunehmen. Die Berücksichtung des Scheitelbereiches führte in den Berechnungen zu einer schlechteren Anpassung der gerechneten Abflussganglinie und wurde verworfen.

63 Flussgebietsmodellierung 63 Ähnliche Ergebnisse wie das Programm UHSP lieferte das Programm UHDSP, welches die Einheitsganglinie über die lineare Doppelspeicherkaskade berechnet. n 1 t u( t) = α k Γ( n ) 1 2 k1 2 α e + (1 ) e (Gl. 4.6) n1 n2 1 1 t k 2 t n 1 Γ( n 2 ) t k α n k Γ(.) [-]... Aufteilungsfaktor zwischen den zwei...speicherkaskaden [-]...Anzahl der Linearspeicher [h]...speicherkonstante Gamma Funktion Nähere Beschreibungen für die angesprochenen Verfahren sind der Fachliteratur (Disse, 2003; Maniak 1997; Plate et. al., 1979) zu entnehmen. Aus den grafischen Ausgaben und den Ausgabedateien (*.OUT) der verwendeten Programme konnten die folgenden Erkenntnisse für die nachfolgenden Berechnungen gewonnen werden: - Die beste Übereinstimmung der berechneten Abflussganglinie mit der gemessenen wurde durch das Programm UH erreicht, welches aber wegen Oszillation der Einheitsganglinie nicht verwendet werden konnte. - Für alle Programme stellte sich heraus, dass nur eine gute Anpassung herbeigeführt werden konnte, wenn mit einem Anfangsverlust von 10,69mm gerechnet wurde. - Die Berechnungen des Programms UHSP stellten die besten Gesamtergebnisse dar. - Bei der Berechnung der Einheitsganglinie mit dem Programm UHSP und der Momentenmethode wurde eine unrealistische Anstiegszeit t A der Einheitsganglinie festgestellt, weshalb diese Methode ebenfalls verworfen wurde. Die Berechnung nach der Methode der kleinsten Fehlerquadrate lieferte die physikalisch sinnvollsten Werte. Die Anstiegszeit t A beträgt hiernach 2,205 Stunden. Für die Parameter n und k der linearen Speicherkaskade wurden folgende Werte ermittelt: n=1,16 und k=13,804h.

64 Flussgebietsmodellierung 64 - Alle Berechnungsverfahren lieferten einen Abflussbeiwert für das Einzugsgebiet bis zum Windachpegel Obermühlhausen von Ψ=0,612 ohne berücksichtigtem Anfangsverlust und Ψ=0,658 mit Anfangsverlust. - Für alle Verfahren stellten die Berechnungen mit einem zeitlichen Verlauf nach dem Φ-Index Verfahren die besten Ergebnisse dar SCS - Verfahren / modifiziertes SCS - Verfahren Das SCS - Verfahren ist ein von U. S. Soil Conservation Service entwickeltes Verfahren zur Bestimmung des Abflussbeiwertes. Dieses Verfahren wurde in den USA auf Grundlage gemessener Niederschlags Abfluss Ereignisse speziell für kleine Einzugsgebiete, die land- und forstwirtschaftlich genutzt werden, entwickelt (DVWK Schriften Heft 124, 1999). Bei diesem Verfahren wird angenommen, dass das Verhältnis zwischen der effektiven Niederschlagshöhe h eff und der Differenz aus tatsächlicher Niederschlagshöhe h N und Anfangsverlust A V gleich dem Verhältnis aus aktuellem Gebietsrückhalt R a und potentiellem Gebietsrückhalt R p ist. h N h eff A V = R R a p (Gl. 4.7) mit: R a = h N A V h eff (Gl. 4.8) aus (Gl.4.7) und (Gl. 4.8) erhält man für den effektiven Niederschlag: h eff = 2 ( hn AV ) ( hn AV ) + Rp (Gl. 4.9)

65 Flussgebietsmodellierung 65 Der potentielle Rückhalt R p wird mit einer Gebietskenngröße CN folgendermaßen berechnet: 1000 R p = 25,4 10 CN (Gl. 4.10) Die Gebietskenngröße CN beschreibt dabei das potentielle Rückhaltevermögen des Einzugsgebiets in Abhängigkeit des Bodentyps. Der Bodentyp ist ein Maß für das Versickerungsvermögen. Aus Feldversuchen wurde der Anfangsverlust A V aus dem potentiellen Rückhaltevermögen zu: A = 0, 2 V R p (Gl. 4.11) ermittelt. Setzt man (Gl. 4.10) und (Gl. 4.11) in (Gl. 4.9)ein, so erhält man den Effektivniederschlag zu: N + 50,8 CN N eff = (Gl. 4.12) N + 203,2 CN Abbildung 4.2 enthält eine Beschreibung der Bodentypen und die CN Werte in Abhängigkeit von der Bodennutzung und Bodenfeuchte.

66 Flussgebietsmodellierung 66 Abbildung 4.2: Gebietskenngröße CN für das SCS Verfahren (Quelle: Ihringer, 2003) Beim SCS Verfahren ist zu beachten, dass dieses Verfahren nur für Extremereignisse entwickelt wurde. Für Niederschlagshöhen von weniger als 50mm werden zu kleine Abflussbeiwerte zurückgeliefert. Um diese Unterschätzung auszugleichen, wurde unter anderem auf Erkenntnissen von Kleeberg und Øverland (1989) ein modifiziertes SCS

67 Flussgebietsmodellierung 67 Verfahren entwickelt. Dabei wurde die Funktion für den Effektivniederschlag folgendermaßen angepasst: N + 12,7 CN N eff = (Gl. 4.13) N + 241,3 CN Im Rahmen dieser Arbeit, wurde bereits bei der Betrachtung des Bodens in Kapitel festgestellt, dass im gesamten Einzugsgebiet der Bodentyp C vorherrscht. Die Abflussbeiwerte wurden, gewichtet nach der Bodennutzungsart, für beide Verfahren berechnet und in Anlage 8 dargestellt. Für Angaben zur Brauchbarkeit und eine Gegenüberstellung zu anderen Berechnungsverfahren wird auf Kapitel verwiesen Abflussbeiwertberechnung nach dem Verfahren von Lutz Lutz verfolgte 1984 mit seinem Regionalisierungsverfahren (Lutz, 1984) das Ziel, ein für den Praktiker auf einfache Art und Weise nutzbares Verfahren zur Abflussbildung zur Verfügung zu stellen. Dabei sollte es möglich sein, die Kalibrierung des Flussgebietsmodells auch mit Parametern aus Nachbargebieten oder ähnlichen Gebieten vorzunehmen, falls für das betrachtete Gebiet nicht genügend gesicherte Erkenntnisse vorliegen. Das Verfahren berücksichtigt gebietsspezifische als auch ereignisspezifische Parameter und wurde stark an das von Anderl entwickelte Verfahren mit prozentualem kapazitivem Ansatz angelehnt (Lutz, 1984). Als gebietsspezifische Parameter werden, wie auch beim SCS Verfahren, der Bodentyp und die Bodennutzung verwendet. Aus diesen beiden Parametern erhält man für ein Einzugsgebiet einen so genannten Endabflussbeiwert, der als maximaler Abflussbeiwert für das Einzugsgebiet bzw. als oberer Grenzwert für den Abflussbeiwert für hohe Niederschläge zu verstehen ist. Der Endabflussbeiwert wird über ereignisspezifische Parameter für ein Niederschlagsereignis modifiziert.

68 Flussgebietsmodellierung 68 Bei den ereignisspezifischen Parametern handelt es sich um: - die Niederschlagshöhe, - die Jahreszeit, - die Vorfeuchte des Bodens, die durch die Basisabflussspende berücksichtigt wird, und - die Niederschlagsdauer. Die Jahreszeit wird bei diesem Verfahren durch eine Wochenzahl WZ ausgedrückt, die nach folgendem Schema aufgebaut ist: WZ=1 31. Woche des Jahres (Woche mit 1. August) WZ=2 30. und 32. Woche des Jahres WZ=3 29. und 33. Woche des Jahres usw. Der Abflussbeiwert wird wie beim SCS Verfahren nach (Gl. 4.1) gerechnet. Der Effektivniederschlag berechnet sich hier zu: N eff = N eff, u + N eff, s (Gl. 4.14) mit: und: dabei ist: c a( N A ) ( N A ) c ( e ) A V E E, s N eff, u = V 1 a AE N a eff, s V Ψs E A (Gl. 4.15) AE, s = N A (Gl. 4.16) A C WZ C qb C T = C e 2 / 3 4 e / e D 1 N [mm]...gebietsniederschlag N eff [mm]...abflusswirksamer Niederschlag /...Effektivniederschlag N eff,u N eff,s [mm]...abflusswirksamer Niederschlag der...unversiegelten Teilflächen [mm]...abflusswirksamer Niederschlag der

69 Flussgebietsmodellierung 69 A V A V C A E A E,s Ψ s A WZ q B T D C 1 C 2 C 3 C 4...versiegelten Teilflächen [mm]...anfangsverlust [mm]...anfangsverlust der versiegelten Teilflächen [-]...Endabflussbeiwert [km²]...einzugsgebietsfläche [km²]...bebaute bzw. versiegelte...einzugsgebietsfläche [-]...Abflussbeiwert für versiegelte Flächen [1/mm]...Ereignisfaktor [-]...Wochenzahl [l/s/km²]...basisabflussspende [h]...niederschlagsdauer [-]...für das Einzugsgebiet zu optimierender...parameter [-]...Parameter der die Jahreszeit berücksichtigt [-]...Parameter der die Vorfeuchte des Bodens...berücksichtigt [-]...Parameter der die Niederschlagsdauer...berücksichtigt Nach den Optimierungsberechnungen von Lutz wurden für den Parameter C 2 Werte zwischen C 2 = 2,0 und C 2 = 4,62 ermittelt. Große C 2 Werte ergaben sich für Einzugsgebiete, die landwirtschaftlich intensiv genutzt wurden, die kleineren Werte für Gebiete die überwiegend durch Nadelwald bzw. Wiesen geprägt sind. In dieser Arbeit wurde mit dem von der IWK Software voreingestelltem Wert von C 2 =3.0 gerechnet. Für den Parameter C 3 wurde durch Lutz für alle Gebiete annähernd immer der Wert C 3 =2,0 ermittelt. Die Optimierungsberechnungen von Lutz haben weiterhin gezeigt, dass der Einfluss der Niederschlagsdauer vernachlässigbar ist und der Parameter C 4 deshalb den Wert C 4 = 0 erhält. Für den Parameter C 1 schlägt Lutz (Lutz 1984) eine gebietsspezifische Optimierung vor. Der Wert C 1 ist bei der IWK Software auf C 1 =0,02 voreingestellt und muss gegebenenfalls angepasst werden. Die Endabflussbeiwerte und Anfangsverluste für die einzelnen Teileinzugsgebiete wurden flächengewichtet nach Tabelle 4.2 berechnet. Auch für dieses Verfahren wurde für das gesamte Einzugsgebiet der Bodentyp C angenommen.

70 Flussgebietsmodellierung 70 Tabelle 4.2: Endabflussbeiwert c und Anfangsverlust A V nach dem Regionalisierungsverfahren nach Lutz Die Basisabflussspende wurde aus dem Mittelwert der vor dem Hochwasserereignis vom Mai 1999 aufgezeichneten Abflusswerte am Windachpegel Obermühlhausen gebildet. Die so ermittelte Basisabflussspende wurde für das gesamte Einzugsgebiet gleich angenommen. Die Gebietsniederschlagshöhe betrug bei diesem Hochwasser 153,76mm, die Niederschlagsdauer 63 Stunden und die Wochenzahl wurde zu WZ= 11 ermittelt. Die Niederschlagsdauer bleibt auf Grund von C 4 = 0 unberücksichtigt. Der Wert C 1 wurde iterativ berechnet, dabei wurde folgendermaßen vorgegangen: Es wurde der mit dem IWK-Programm bestimmte Abflussbeiwert ohne Anfangsverlust (Ψ=0,612) für die Einzugsgebietsfläche bis zum Windachpegel Obermühlhausen als Zielwert festgesetzt. Der Parameter C 1 wurde so lange verändert, bis für eine

71 Flussgebietsmodellierung 71 Gebietsfläche bis zum Pegel wieder der Wert Ψ=0,612 erreicht war. Der so berechnete Wert für C 1 wurde dann als globaler Parameter für das gesamte Einzugsgebiet eingesetzt. Die iterative Bestimmung dieses Parameters und alle danach berechneten Abflussbeiwerte sind in Anlage 9 zusammenfassend dargestellt Anpassung der Abflussbeiwerte an das Hochwasserereignis Mai 1999 Aufgabe der Diplomarbeit war die Erstellung des Flussgebietsmodells auf Basis des Regionalisierungsverfahren nach Lutz. Bei der Berechnung im Flussgebietsmodell wurden die nach Lutz in Kapitel bestimmten Abflussbeiwerte der Teileinzugsgebiete eingesetzt und auf Werte transformiert, die den in Kapitel bestimmten Anfangsverlust von 10,69mm berücksichtigen. Der Verbesserungswert Ψ Av ist das Verhältnis vom berechneten Abflussbeiwert ohne Anfangsverlust am Pegel Obermühlhausen (Ψ o_av =0,612) und Abflussbeiwert am Pegel mit Anfangsverlust (Ψ m_av =0,658). Ψo _ Av Ψ Av = (Gl. 4.17) Ψ m _ Av Die auf den Anfangsverlust angepassten Abflussbeiwerte lieferten jedoch eine zu hohe Abflussfülle. Als Referenzen für die Abflussfülle dienten der Windachpegel Obermühlhausen und die Speicherzuflussfülle am Windachspeicher. Um die Abweichungen in der Abflussfülle auszugleichen, wurden zunächst die Abflussbeiwerte der Teileinzugsgebiete Windach 1 4 und Hauserbach 1 und 2 solange verbessert, bis die berechnete Abflussfülle annähernd gleich der gemessenen Fülle am Windachpegel war. Als Verbesserungsfaktoren wurden die Verhältnisse der gemessenen Fülle mit der gerechneten Fülle gebildet. Der Verbesserungsfaktor wurde anschließend mit den jeweiligen Abflussbeiwerten multipliziert. Nach dem die Differenz zwischen gemessener Fülle und gerechneter Fülle am Pegel minimiert war, wurden die Abflussbeiwerte für alle Einzugsgebiete die in die Pegelmessungen einfließen fest gehalten (Windach und Hauserbach) und die übrigen Abflussbeiwerte der anderen Teileinzugsgebiete (Beurerbach und Schlöglbach) mit den Zuflussfüllen am Windachspeicher optimiert. Eine Anpassung der Abflussbeiwerte der Teileinzugsgebiete des Beurerbaches mit dem Beurerbachpegel hat nicht stattgefunden,

72 Flussgebietsmodellierung 72 da die Messungen an diesem Pegel nach Angaben des Wasserwirtschaftsamtes Weilheim mit hoher Wahrscheinlichkeit fehlerhaft sind. Das eingesetzte Verbesserungsverfahren hat sich als günstig erwiesen, da sich die ursprünglich mit dem Verfahren nach Lutz ermittelten Abflussbeiwerte qualitativ nicht sehr verändert haben. Die vorher berücksichtigten Parameter der Bebauung, Landnutzung, des Waldanteils usw. sind also qualitativ erhalten geblieben. In Anlage 10 sind in alle Verbesserungen aufgeführt. Die endgültig verwendeten Abflussbeiwerte sind zusammenfassend in Tabelle 4.3 dargestellt. Tabelle 4.3: Im Flussgebietsmodell verwendete Abflussbeiwerte Teileinzugsgebiet Abflussbeiwert Windach 1 0,597 Windach 2 0,633 Windach 3 0,655 Windach 4 0,611 Beurerbach 1 0,404 Beurerbach 2 0,426 Beurerbach 3 0,461 Hauserbach 1 0,589 Hauserbach 2 0,616 Schlöglbach 0, Auswertung und Diskussion der berechneten Abflussbeiwerte Nachdem festgestellt worden ist, dass die Abflussbeiwerte nach dem Regionalisierungsverfahren nach Lutz zu Abflussfüllen führten, die nicht mit den gemessenen Werten übereinstimmten, wurde eine Untersuchung mit den Abflussbeiwerten der in den vorhergehenden Kapiteln erläuterten Verfahren durchgeführt. Die in Kapitel optimierten Abflussbeiwerte wurden dabei als Referenzen für die nach den anderen Verfahren ermittelten Abflussbeiwerten genutzt. Die Ergebnisse einer Gegenüberstellung aller Verfahren zu den optimierten Abflussbeiwerten zeigt Abbildung 4.3.

73 Flussgebietsmodellierung 73 Abbildung 4.3: Gegenüberstellung der Abflussbeiwerte

74 Flussgebietsmodellierung 74 Die beste Übereinstimmung zwischen den optimierten bzw. an das Ereignis angepassten Abflussbeiwerten zeigen die mit dem SCS Verfahren bestimmten Abflussbeiwerte. Auffallend ist, dass alle Verfahren für die Gebiete des Beurerbaches und Schlöglbaches (rot gekennzeichnet) größere Abflussbeiwerte liefern als tatsächlich vorhanden. Die Übereinstimmung der Abflussbeiwerte für die Gebiete der Windach und des Hauserbaches, also des Einzugsgebiets bis zum Windachpegel Obermühlhausen, sind für alle Verfahren relativ gut. Die Abweichungen im Abflussbeiwert für die Gebiete des Beurerbaches und Schlöglbaches können verschiedenste Ursachen haben: - die zur Bestimmung der Abflussbeiwerte zugrunde gelegte Zuflussfülle des Windachspeichers ist fehlerhaft, - der Gebietsniederschlag ist nicht wie angenommen über das Einzugsgebiet gleich verteilt gefallen, - es sind Fehler bei der Bestimmung der Regionalisierungsparameter Boden und Bodennutzung bzw. des Bodentyps aufgetreten. Die genauen Ursachen konnten im Rahmen dieser Arbeit nicht geklärt werden. Es wird vermutet, dass eine unterschiedliche Niederschlagsverteilung auf das Einzugsgebiet der Grund für die Abweichungen ist. 4.2 Die Abflusskonzentration Um den effektiv zum Abfluss kommenden Niederschlag in eine Abflussganglinie umrechnen zu können, ist das Vorhandensein einer Übertragungsfunktion notwendig. Diese Übertragungsfunktion ist wie in den vorangegangenen Kapiteln beschrieben, die Einheitsganglinie des Einzugsgebietes. Für die Berechnungen im Flussgebietsmodell wurde in dieser Arbeit das Regionalisierungsmodell für Einheitsganglinien nach Lutz (Lutz 1984) verwendet. Nach Lutz (der sich dabei auf weiterführende Literatur beruft) kann eine Einheitsganglinie durch die Anstiegszeit t A und den Scheitelwert u max mit einer dimensionslosen Form ausreichend genau beschrieben werden. Wenn die Werte für die Anstiegszeit und den Scheitelwert genau genug bestimmt wurden, kann für die Form der Einheitsganglinie sogar ein Dreieck angenommen werden. In seiner Arbeit hat Lutz, unter Verwendung von mehreren Niederschlags Abfluss Messungen, die Form der Einheitsganglinie optimiert und für sein Regionalisierungsmodell eine mittlere dimensionslose Form entwickelt, auf deren Basis das Berechnungsmodell aufgebaut ist. Für die Einheitsganglinie wird nach Lutz also für jedes Einzugsgebiet dieselbe Form

75 Flussgebietsmodellierung 75 verwendet. Die Beschreibung der Einheitsganglinie nach Lutz ist in Abbildung 4.4 dargestellt. Abbildung 4.4: Kenngrößen der Einheitsganglinie nach Lutz Zur Regionalisierung der Einheitsganglinienanstiegszeit t A haben sich nach Lutz folgende Funktionen als geeignet erwiesen: W P U P P P g E A e e I A P t = (Gl. 4.18) W P U P P P g A e e I L P t = (Gl. 4.19) W P U P P P g C A e e I L L P t = (Gl. 4.20) t A [h]...anstiegszeit der Einheitsganglinie A E [km²]...einzugsgebietsfläche L [km]...länge des Hauptvorfluters bis zur...wasserscheide L C [km]...länge des Hauptvorfluters bis zum...gebietsschwerpunkt S Ig [-]...gewogene Gefälle (siehe Kapitel 3.1.3) U [%]...Bebauungsanteil

76 Flussgebietsmodellierung 76 W P1 P5 [%]...Waldanteil zu optimierende Parameter Eine grafische Darstellung der Gebietsparameter und deren Bedeutung ist in Abbildung 4.5 gezeigt. Abbildung 4.5: Gebietsparameter zur Bestimmung der Einheitsganglinienanstiegszeit nach Lutz Nach den Optimierungen der Parameter P2 bis P5 wurde nach Lutz folgende Gleichung zur Berechnung der Anstiegszeit als am besten geeignet ermittelt. Die besseren Ergebnisse dieser Gleichung sind darauf zurückzuführen, dass im Faktor (L*L C ) neben der Größe auch die Form des Einzugsgebietes Berücksichtigung findet. t A = P L L C 0,016 U 0,004 W 1 e e (Gl. 4.21) 1,5 I g 0,26 In den Faktor P1 gehen sowohl geologische und geomorphologische Gebietseigenschaften als auch Gerinneform und Gerinnerauheit des Hauptvorfluters ein. Der Wert P1 weist bei überregionaler Betrachtung sehr große Unterschiede auf und ist nach Lutz für das betrachtete Einzugsgebiet zu bestimmen, oder bereits ermittelte P1 Werte aus Nachbargebieten zu übernehmen. Der Faktor P1 ist für das Einzugsgebiet der Windach nicht bekannt und wurde wie bei Lutz (Lutz 1984) beschrieben mit (Gl. 4.21) ermittelt. Die Gleichung (Gl. 4.21) wird dabei nach P1 umgestellt.

77 Flussgebietsmodellierung 77 P A 1 = (Gl. 4.22) 0,26 L L I C 1,5 g t e 0,016 U e 0,004 W Der Parameter wurde nach (Gl. 4.22) zu P1=0,1051 bestimmt. Für die gebietsspezifischen Parameter wurden die Werte für das Einzugsgebiet bis zum Windachpegel in Obermühlhausen bestimmt. Als Anstiegszeit t A wurde der mit dem Programm UHSP berechnete Wert von t A =2,205h herangezogen. Eine Übersicht der verwendeten Daten zeigt Tabelle 4.4. Tabelle 4.4 Bestimmung des Parameter P1 Ein genauer Bereich in dem der P1 Wert liegen sollte ist nicht definiert, jedoch lag dieser nach Lutz (1984), Göppert (1995) und Krickmeyer (2004) immer in einem Bereich zwischen 0,07 und 0,50. Der hier ermittelte Wert für P1 fällt ebenfalls in diesen Bereich. Die Anstiegszeit ist für jedes Ereignis über ereignisspezifische Kenngrößen (mittlere Niederschlagsintensität PI, Wochenzahl WZ und mittlerer Abflussbeiwert) noch zu korrigieren (Abbildung 4.6). Eine Korrektur der Anstiegszeit ist in einem Computer mit der grafischen Methode (Abbildung 4.6) nicht möglich. Aus diesem Grund wurden von Ihringer (2003) und Göppert (1995) empirische Gleichungen ermittelt, die eine rechnergestützte Korrektur der Anstiegszeit ermöglichen. Die Gleichungen haben dabei jeweils die Form: t A = a1 a2 a3 t A (Gl. 4.23)

78 Flussgebietsmodellierung 78 mit: t A t A a 1,a 2,a 3 [-] [h]...anstiegszeit [h]...korrigierte (ereignisabhängige) Anstiegszeit Korrekturfaktoren für die Ereigniskenngrößen Für die jeweilige Berechnung der Korrekturfaktoren soll hier auf die Fachliteratur verwiesen werden (Göppert, 1995; Ihringer, 2003). Der Einheitsganglinienscheitelwert u max wird nach Lutz für drei verschiedene Berechnungszeitintervalle t zu u u u 0,991 max = 0, 612 t A 0,933 max = 0, 556 t A 0,824 max = 0, 464 t A für t=0,25 h (Gl. 4.24) für t=0,50 h (Gl. 4.25) für t=1,00 h (Gl. 4.26) bestimmt. Abbildung 4.6: Ereignisabhängige Korrektur der Anstiegszeit der Einheitsganglinie (Quelle: Ihringer, 2003 (verändert))

79 Flussgebietsmodellierung 79 Bei der Analyse von gemessenen Hochwasserereignissen hat sich für die verschiedenen Einzugsgebiete beim Gebrauch der (Gl.4.24), (Gl. 4.25) und (Gl. 4.26) ein zu hoher Scheitelwert ergeben. Damit wurde die Retentionswirkung des Gebietes nicht ausreichend berücksichtigt. Aus diesem Grund wurde ein Korrekturfaktor u kor eingeführt, mit dem bei gleich bleibender Anstiegszeit t A eine stärkere Retentionswirkung des Einzugsgebietes modelliert werden kann. Für den korrigierten Scheitelwert erhält man folgende Gleichung: u = max u korr u max (Gl. 4.27) Die Festlegung von u korr erfolgt durch Analyse gemessener Hochwasserereignisse. Für die Form der Einheitsganglinie wird im IWK Softwarepaket nicht die von Lutz entwickelte normierte Einheitsganglinie verwendet, sondern es wird die lineare Speicherkaskade als Einheitsganglinie eingesetzt. Hierbei handelt es sich um ein Näherungsverfahren, welches von Caspary (1987) entwickelt wurde. Das Verfahren kann folgendermaßen erklärt werden (Caspary, 1987): Die Fläche unter der Einheitsganglinie u(t) ist definitionsgemäß gleich 1. Wenn man u(t) durch den Scheitelwert u max teilt und substituiert, erhält man eine normierte Einheitsganglinie und folgende Gleichung: te t A u( t / t A) umax t A d( t / t A) = umax t A A* = 1 u 0 max (Gl. 4.28) Das Integral A* entspricht genau der Fläche unter der normierten Einheitsganglinie und es gilt: 1 A* = (Gl. 4.29) u max t A Für ein bestimmtes t A und zugehörigem u max existiert genau ein A*, also eine bestimmte Fläche unter der normierten Einheitsganglinie.

80 Flussgebietsmodellierung 80 Als Näherungslösung für die Einheitsganglinie wird die lineare Speicherkaskade gewählt. ( n) t k n 1 t u( t) = e (Gl. 4.30) n k Γ u t n k Γ(.) [-]...Ordinaten der Einheitsganglinie [h]...zeit [-]...Anzahl der Einzellinearspeicher [h]...speicherkonstante Gammafunktion Die, wie oben beschrieben, bestimmten Parameter t A und u max lassen sich wie folgt in die Parameter der Speicherkaskade umrechnen: t A = ( n 1) k (Gl. 4.31) und durch Einsetzen von t A aus (Gl. 4-31) in (Gl. 4-30) folgt n 1 ( n 1) ( n 1) u max = e (Gl. 4.32) k Γ( n) setzt man (Gl. 4.32) und (Gl. 4-31) in (Gl. 4.29) ein, so erhält man 1 Γ( n) A ( n 1) * = = e n u max t A ( n 1) (Gl. 4.33) Aus (Gl. 4.33) ist zu ersehen, dass zwischen der Fläche A* unter der normierten Einheitsganglinie und dem Parameter n der Speicherkaskade eine eindeutige Beziehung besteht. Aus Abbildung 4.7 kann für jedes A* die zugehörige Speicherzahl n bestimmt werden. Aus (Gl. 4.31) kann dann die Speicherkonstante k ermittelt werden. Die so erhaltenen Parameter n und k können in die Speicherkaskadengleichung (Gl. 4.30) eingesetzt und damit die Einheitsganglinie berechnet werden.

81 Flussgebietsmodellierung 81 Abbildung 4.7: Fläche A* der normierten Einheitsganglinie als Funktion des Speicherkaskadenparameter n (Quelle: Caspary, 1987) Da die IWK Software keine grafische Parameterbestimmung durchführen kann (Abbildung 4.7), wird hier folgendermaßen vorgegangen (Ihringer 2003): (Gl. 4.31) wird in (Gl. 4.32) eingesetzt und man erhält: n ( n 1) ( n 1) u max t A = e (Gl. 4.34) Γ( n) Der Parameter n wird zuerst aus (Gl. 4.34) iterativ ermittelt. Danach wird die Speicherkonstante k aus (Gl. 4.31) berechnet. Die berechneten Parameter n und k werden in (Gl. 4.30) eingesetzt und der zeitliche Verlauf der Einheitsganglinie kann so über den Ansatz der linearen Speicherkaskade berechnet werden. Für diskrete Zeitschritte hat (Gl. 4.30) die Form: u i n 1 [( i,5) t] i t k 0 ( 0,5) / = e (Gl. 4.35) n k Γ( n) Die Berechnungen der Anstiegszeit und der linearen Speicherkaskade werden von der IWK Software automatisch durchgeführt, lediglich ein Faktor für u max muss in der Ereignisdatei (*.REG) im Programm FGMED als Korrekturfaktor (u korr ) für den Scheitelwert der Einheitsganglinie eingegeben werden (Anmerkung: Faktor für u max

82 Flussgebietsmodellierung 82 ist ein Eigenname und wird hier als Korrekturfaktor u korr bezeichnet). Der zeitliche Verlauf des Abflussbeiwertes und der Monat (dient zur Ermittlung der Wochenzahl WZ) werden ebenfalls in der Ereignisdatei eingegeben. Die ereignisspezifischen Parameter werden in der Datei für den Landabfluss (*.LND) berücksichtigt (Ihringer, 2003). 4.3 Die Wellenverformung (Flood Routing) Zur Berechnung der Wellenverformung entlang der einzelnen Gewässerstrecken im Flussgebietsmodell, kam das Kalinin Miljukov Verfahren mit Berücksichtigung der Vorländer zum Einsatz (Ihringer, 2003). In der Datei für das Flood Routing (*.ROU) kann für jede Verbindung zwischen zwei Knoten, die vorher in die Gewässernetzdatei (*.GEW) eingetragen wurden, festgelegt werden, ob Flood Routing berücksichtigt werden soll, oder nicht. Hier kann auch festgelegt werden ob sich ein Hochwasserrückhaltebecken zwischen zwei Knoten befindet. Für die Berücksichtigung einer Wellenverformung zwischen zwei Knoten müssen für das Kalinin Miljukov Verfahren mit Vorländern folgende Daten in die Flood Routing Datei eingegeben werden: - Höhe des bordvollem Abfluss [m³/s] - Anzahl der Speicher auf der Gerinnestrecke [-] - Speicherkonstante für den Abfluss im Gerinne [h] - Speicherkonstante für den Abfluss auf den Vorländern [h] Diese Daten können mit dem Programm KALININ gewonnen werden, welches bereits schon für die Gerinneprofile verwendet wurde. Die Profile sind wie bereits erwähnt nur eine generalisierte Annäherung an ein in der Natur vorliegendes Gerinne. Die Profilabmessungen und das Gefälle müssen so angepasst werden, dass in den grafischen Ausgaben des Programms keine zu großen Knicke in der Wasserstands Abfluss Kurve vorliegen, oder gar der Abfluss mit steigendem Wasserstand sinkt, was bekanntlich physikalisch unmöglich ist. Weiterhin dürfen die Anzahl der Speicher und die Fließgeschwindigkeiten nicht zu groß werden. Die Fließgeschwindigkeit errechnet sich zu: L v i = (Gl. 4.36) ( n k 3600) i

83 Flussgebietsmodellierung 83 v L n k i [m/s]...fließgeschwindigkeit [m]...gesamtlänge der Gewässerstrecke [-]...Anzahl der durchflossenen Linearspeicher...auf L [h]...speicherkonstante des betrachteten...gerinneprofils (Gerinne / Vorland) Beim Kalinin Miljukov Verfahren wird eine Gewässerstrecke in einzelne homogene Abschnitte zerlegt. Die einzelnen Abschnitte besitzen eine charakteristische Länge L C. Das Abflussverhalten der Abschnitte wird über einen Linearspeicher beschrieben. Bei der Bestimmung der charakteristischen Länge L C wird der reell in der Natur vorliegende instationäre Abfluss durch einen stationären Abfluss auf dem betrachteten Gerinneabschnitt ersetzt. Dieser Abfluss kann mit der empirischen Fließformel von Gauckler Manning Strickler (Bollrich 2000) berechnet werden. Q st = k A r I (Gl. 4.37) St hy Q st k St A r hy I [m³/s]...abfluss (stationär) [m 1/3 /s]...manning Strickler Beiwert [m²]...durchflossene Querschnittsfläche [m]...hydraulischer Radius [-]...mittleres Sohlgefälle Aus dieser Gleichung kann für den betrachteten Gerinneabschnitt die stationäre Abflusskurve ermittelt werden.

84 Flussgebietsmodellierung 84 Daraus errechnet sich dann die charakteristische Länge zu: L C Q I st d d ( hst ) ( Q ) st = (Gl. 4.38) st L C Q st h st I st [m]...charakteristische Länge [m³/s]...abfluss (stationär) [m]...wasserstand [-]...Wasserspiegelgefälle bei stationärem...abfluss Die (Gl. 4.38) kann wegen der notwendigen Diskretisierung der Abflusskurve immer nur für einen kleinen Abflussbereich eingesetzt werden. Auf Grund dessen ergeben sich für den gesamten Abflussbereich unterschiedliche charakteristische Längen L C,i. Diese werden zu einer maßgebenden Länge L m gemittelt. L 1 = m m L C, i m i= 1 (Gl. 4.39) Lm L C,i m [m]...mittlere charakteristische Länge [m]...charakteristische Länge des i-ten...abflussbereiches [-]...Anzahl der Abflussbereiche Die Anzahl n der für die gesamte Gewässerstrecke benötigten Linearspeicher errechnet sich aus dem Quotienten von Gesamtlänge L und mittlerer charakteristischen Länge L m. L n = (Gl. 4.40) L m

85 Flussgebietsmodellierung 85 Die Speicherkonstante k wird für jeden Gewässerabschnitt aus der Volumen Abfluss Beziehung des jeweiligen Linearspeichers bestimmt. V = f Q ) (Gl. 4.41) ( st und : dv k = (Gl. 4.42) d Q ) ( st k V [h]...speicherkonstante [m³]...volumen, das beim Abfluss Q st im...gewässerabschnitt der Länge L m...gespeichert wird Auch der Parameter k muss hier als ein gemittelter Wert verstanden werden. Im Allgemeinen wird die Speicherkonstante k über den gesamten Abfluss als konstant angesehen. Beim Kalinin Miljukov Verfahren mit Vorländern werden die Änderungen im Abflussverhalten zwischen Gerinne und Vorländern berücksichtigt, was zu zwei verschieden Speicherkonstanten für einen Abflussbereich führt. Die Arbeitweise dieses Verfahrens kann man sich wie folgt vorstellen: Eine gegebene Zuflussganglinie wird nacheinander durch alle Teilabschnitte n geroutet. Der Abfluss des einen Gewässerabschnittes stellt danach den Zufluss zum nächsten Gewässerabschnitt dar. Q a, i+ 1 = Qa, i + ( QZ, i Qa, i ) C1 + ( QZ, i+ 1 QZ, i ) C2 (Gl. 4.43) dabei ist: und: C 1 = 1 e t / k (Gl. 4.44) k C2 = 1 C 1 (Gl. 4.45) t

86 Flussgebietsmodellierung 86 Q a,i Q z,i t [m³]...abfluss aus einem Gewässerabschnitt der...länge Lm im Zeitintervall i [m³]...zufluss zu diesem Gewässerabschnitt im...zeitintervall i [h]...berechnungszeitschritt Um beim Flood Routing sinnvolle Berechnungen zu erhalten, ist es notwendig die Parameter n und k möglichst genau zu bestimmen. Da nur diskrete Profilquerschnitte geringer Anzahl und nur geschätzte Rauheitswerte in die Berechnungen einfließen, sollten die erhaltenen Parameter n und k an gemessene Ereignisse angepasst werden. Eine fehlerhafte Eingabe der Profildaten (Abmessung sowie Rauheit) vermindert die Güte des Modells nicht so stark wie ungenau bestimmte Parameter n und k (Ihringer 2003). Für das in dieser Arbeit erstellte Flussgebietsmodell sind in Tabelle 4.5 und Tabelle 4.6 alle berechneten Parameter, sowie eine Übersicht der Fließgeschwindigkeiten dargestellt. Die Fließgeschwindigkeiten sind in den einzelnen Gerinneabschnitten für ein Hochwasser zwar sehr klein, aber der Anstieg der berechneten Hochwasserwelle im Vergleich zur aufgezeichneten Welle ist in etwa gleich. Eine Vergrößerung der Fließgeschwindigkeiten hätte ein früheres Ansteigen der gerechneten Welle zur Folge. In diesem Falle wären zu große Unterschiede im Anstiegszeitpunkt entstanden, weshalb bei den relativ kleinen Fließgeschwindigkeiten geblieben wurde. Die mit dem Programm KALININ ermittelten Parameter n und k sind für jedes im Modell berücksichtigte Gerinneprofil in Anlage 11 dargestellt. Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass das Flood Routing besser modelliert werden könnte, wenn die Gerinneprofile besser aufgenommen werden und der Abfluss durch Gleichungen beschrieben wird, welche den Abflussprozess in der Natur besser beschreiben als das Kalinin Miljukov Verfahren. Zudem ist festzuhalten, dass die Flood Routing Modellierung, neben der Abflussbildungs- und Abflusskonzentrationsmodellierung, einen weiteren unsicheren Faktor im Flussgebietsmodell darstellt, der eine Reihe von unumgänglichen Annahmen beinhaltet.

87 Flussgebietsmodellierung 87 Tabelle 4.5: Parameter für das Flood Routing Tabelle 4.6: Fließgeschwindigkeiten

88 Flussgebietsmodellierung Die Kalibrierung Nach allen Berechnungen der Abflussbildung, Abflusskonzentration und des Flood Routing, wurden mit den bis dahin ermittelten Werten eine Simulation durchgeführt. Bei dieser Berechnung wurden noch keine Hochwasserrückhaltebecken berücksichtigt. Es stellte sich heraus, dass die berechneten Abflussspitzen höher lagen als die gemessenen (Abbildung 4.8 und Abbildung 4.9). Abbildung 4.8: Abflussganglinie am Windachpegel ohne Kalibrierung

89 Flussgebietsmodellierung 89 Abbildung 4.9: Abflussganglinie am Zufluss zum Windachspeicher ohne Kalibrierung Es gibt zwei Möglichkeiten, am Flussgebietsmodell Kalibrierungen vorzunehmen: - Veränderung des Gebietsfaktor P1 - Veränderung des Faktors für u max (Korrekturfaktor u korr ) Nach Lutz (1984) und persönlichen Gesprächen mit Herrn Dr. Ing. H. G. Göppert sollte der Gebietsfaktor P1 wie in Kapitel 4.2 beschrieben berechnet und für das gesamte Einzugsgebiet gleich gehalten werden. Diese Möglichkeit, das Flussgebietsmodell zu kalibrieren, wurde demnach verworfen. Es blieb nur die Möglichkeit den Faktor für u max zu verändern. Nach den Forschungen von Göppert (1995) liegen die Faktoren für u max meist in einem Bereich von u korr =0,100 und u korr =0,550. Für das Einzugsgebiet bis zum Windachpegel Obermühlhausen, auf den nach Aufgabenstellung kalibriert werden sollte, wurde die beste Annäherung an die gemessenen Werte mit einem Faktor für u max von u korr =0,230 erzielt. Diese zwar recht gute Annäherung am Windachpegel Obermühlhausen stellte sich aber als schlechte Anpassung an die Zuflussganglinie des Windachspeichers heraus. Nach Göppert ist der Korrekturfaktor ebenfalls ein regionalisierter Wert der für alle Teileinzugsgebiete gleich sein sollte. Es war jedoch nicht möglich, eine gute Anpassung an die Abflussganglinie am Windachpegel und gleichzeitig an die Zuflussganglinie des Windachspeichers, mit für das gesamte

90 Flussgebietsmodellierung 90 Einzugsgebiet gleichen Korrekturwerten zu finden. Es wurde daher versucht die Korrekturwerte für die einzelnen Teileinzugsgebiete so zu verändern, dass an beiden Referenzstationen eine gute Anpassung vorherrscht. Das in Abbildung 4.10 dargestellte Schema zeigt, wie bei der Kalibrierung vorgegangen wurde. Abbildung 4.10: Vorgehensweise bei der Kalibrierung Für die Windach und den Beurerbach lagen von offiziellen Stellen (Bayerisches Landesamt für Wasserwirtschaft, 2004) statistisch ermittelte Werte für den Abfluss für ein 100-jährliches Hochwasserereignis vor (Tabelle 4.7). Tabelle 4.7: Statistisch ermittelte Hochwasserabflüsse (Quelle: Datei vom Bayerischen Landesamt für Wasserwirtschaft)

91 Flussgebietsmodellierung 91 Für den Beurerbach konnten nur für im Einzugsgebiet unterschiedlich angenommene Korrekturwerte ein Abflussscheitel erzielt werden, der annähernd einem 100-jährlichem Hochwasserereignis (13m³/s nach Tabelle 4.7) entspricht. Der beim Hochwasser vom Mai 1999 am Beurerbachpegel gemessene Abfluss betrug nur etwa 8m³/s, was die Annahme stützt, dass die Messwerte am Beurerbachpegel fehlerhaft sind. Wurde der Korrekturfaktor für das gesamte Einzugsgebiet gleich gelassen, stimmte der Abfluss beim Beurerbach für das 100-jährliche Ereignis nicht überein. Die eingangs getroffene Annahme, dass es sich bei dem Hochwasserereignis vom Mai 1999 um ein 100-jährliches Ereignis handelt wird von dem HQ 100 -Wert der Windach am Pegel Obermühlhausen (Tabelle 4.7) bestätigt. Weiterhin wurde eine Untersuchung der Abflussspenden durchgeführt, die bei einem über ein Einzugsgebiet gleich verteiltem Niederschlagsereignis, für alle Teileinzugsgebiete auch näherungsweise gleiche Abflussspenden liefern sollte. Die Ergebnisse dieser Untersuchung sind für die Fälle: - Korrekturfaktor für alle Teileinzugsgebiete gleich und - Korrekturfaktor für die Teileinzugsgebiete verschieden in Tabelle 4.8 dargestellt. Als Referenzen dienten für diese Untersuchung die Teilflächen der maßgeblichen Flüsse im Einzugsgebiet: - Einzugsgebietsfläche bis zum Windachpegel Obermühlhausen (Windach und Hauserbach) - Beurerbach - Schlöglbach - Gesamtes Einzugsgebiet (Zufluss zum Windachspeicher) Tabelle 4.8: Gegenüberstellung der Abflussspenden

92 Flussgebietsmodellierung 92 Es ist deutlich zu erkennen, dass die Abflussspenden für die Rechnungen mit unterschiedlichen Korrekturfaktoren (abgesehen von Schlöglbach) weniger schwanken als die Abflussspenden mit einheitlichem Korrekturfaktor. Die Faktoren für u max sind hier: - Teileinzugsgebiete der Windach (W1 W4) u korr =0,165 - Teileinzugsgebiete des Beurerbaches (B1 B3) u korr =0,500 - Teileinzugsgebiete des Hauserbaches (H1 + H2) u korr =0,500 - Teileinzugsgebiet des Schlöglbach (S) u korr =1,000 Der Korrekturbeiwert des Schlöglbaches wurde so hoch gewählt, um eine möglichst gute Anpassung an die vom Wasserwirtschaftsamt Weilheim errechnete Zuflussganglinie zum Windachspeicher zu erhalten. Laut dieser Berechnung stellt sich die Zuflussganglinie als eine zweigipflige Welle dar, bei deren ersten Gipfel ein Abfluss von ca. 60m³/s erreicht wird (siehe hierzu z.b. Abbildung 4.9). Dieser hohe Abfluss konnte jedoch mit keiner Einstellung von u max erreicht werden. Nach telefonischer Absprache mit dem Wasserwirtschaftsamt, kann die Abweichung der berechneten Ganglinie zur gemessenen am Zufluss zum Windachspeicher bis zu einem gewissen Grad vernachlässigt werden, da auch bei der Berechnung der Zuflussganglinie zum Windachspeicher möglicherweise Ungenauigkeiten vorlagen. Es wurde dennoch versucht, auch hier eine möglichst gute Anpassung an die gemessene Ganglinie zu erzielen. Die große Abweichung beim Schlöglbach in der Abflussspende ist demnach auf den sehr hoch eingestellten Korrekturfaktor u korr =1,000 zurückzuführen. Auf eine weitere Betrachtung des Schlöglbaches soll hier auf das Kapitel 7 (Fehlerberachtung und Zusammenfassung) verwiesen werden. In Anlage 12 ist ein Vergleich zwischen den Abflussganglinien mit gleichem Faktor für u max und unterschiedlichem Faktor für u max dargestellt. Auf Grund der besseren Anpassung an die gemessenen Werte wurde im Flussgebietsmodell mit unterschiedlichen Werten für u max weitergerechnet.

93 Flussgebietsmodellierung Die Validierung Eine Teilaufgabe der Diplomarbeit war das aufgestellte und mit dem Hochwasser vom Mai 1999 kalibrierte, Flussgebietsmodell mit dem Hochwasser der Windach im März 2000 zu validieren. Dabei wurde wie folgt vorgegangen: - Beibehalten aller bei der Kalibrierung bestimmten gebietsspezifischen Parameter des Einzugsgebietes und der Teileinzugsgebiete ( P1 Werte, Korrekturfaktoren für u max, Profile mit Rauheiten usw.) - Bestimmung des Gebietsniederschlages nach demselben Verfahren wie bei der Aufstellung des Flussgebietsmodells (gleiche Niederschlagsstationen, Thiessen Methode wie beim Ereignis 1999 usw.) - Ermittlung der ereignisspezifischen Parameter wie beim Hochwasserereignis 1999 (Abflussbeiwerte, zeitlicher Verlauf des Abflussbeiwertes usw.) - Untersuchung der Anpassung der Abflussganglinien am Windachpegel Obermühlhausen für verschiedene Anfangsverluste. Die Validierung konnte nur am Windachpegel in Obermühlhausen erfolgen, da die Zuflussganglinie zum Windachspeicher für dieses Ereignis als Referenz nicht vorlag. Bei den Untersuchungen zum Anfangsverlust für dieses Ereignis stellte sich heraus, dass ein Anfangsverlust von A V =8,00mm die beste Anpassung zeigte (Programm UHSP). Die Abflussbeiwerte wurden für dieses Ereignis vorerst ebenfalls nach den Verfahren von Lutz ermittelt (siehe Kapitel 4.1.3). Die so ermittelten Abflussbeiwerte, wurden dann mit denselben Verbesserungswerten wie die Abflussbeiwerte des Ereignisses vom Mai 1999 angepasst. (siehe hierzu Kapitel 4.1.4). Die Abflussfüllen wurden für das Ereignis vom März 2000 demnach nicht zur Verbesserung berechnet, sondern es wurden auch hier die bereits für das Hochwasserereignis 1999 ermittelten Verbesserungsfaktoren eingesetzt. Die für das Ereignis vom März 2000 berechneten Abflussbeiwerte zeigt Tabelle 4.9. Tabelle 4.9: Abflussbeiwerte für das Hochwasserereignis März 2000

94 Flussgebietsmodellierung 94 Der zeitliche Verlauf zeigte auch hier für das Φ-Index Verfahren die beste Anpassung. Die Abflussganglinien für einen Anfangsverlust von A V =8,00mm sind für das Ereignis vom März 2000 in Abbildung 4.11 dargestellt. Abbildung 4.11: Abflussganglinie der Hochwasserereignis vom März 2000 am Windachpegel Obermühlhausen mit unterschiedlichen Faktoren für u max Das Ergebnis der Validierung fällt für das aufgestellte Flussgebietsmodell gut aus. Es lässt den Schluss zu, dass das aufgestellte Modell auch für weitere Ereignisse Verwendung finden kann und keine groben Fehler bei der Kalibrierung aufgetreten sind. Eine weitere Untersuchung mit einem für das gesamte Einzugsgebiet gleich verteiltem Korrekturfaktor für u max (u korr =0,230) und dem Hochwasser 2000 lieferte ebenfalls gute Ergebnisse. Dieses Ergebnis war aber zu erwarten, da die Kalibrierung mit gleich verteiltem Korrekturfaktor bis zum Windachpegel auch schon eine gute Anpassung zeigte (Abbildung 4.12).

95 Flussgebietsmodellierung 95 Abbildung 4.12: Abflussganglinie der Hochwasserereignis vom März 2000 am Windachpegel Obermühlhausen mitgleichen Faktoren für u max für das gesamte Einzugsgebiet

96 Vergleich mit NASIM 96 5 Vergleich mit NASIM Neben dieser Diplomarbeit wurde eine weitere von Herrn cand. ing. Matthias Ebert mit ähnlicher Aufgabenstellung angefertigt, in welcher statt der IWK Software, das Programm NASIM der Firma Hydrotec zum Einsatz kam. Die mit NASIM berechneten Ergebnisse boten einen guten Vergleich zu denen mit der IWK Software berechneten, da bei NASIM andere Berechnungsgrundlagen für die Abflussbildung und Abflusskonzentration eingesetzt werden. Die Berechnungen des Flood Routing werden bei NASIM ebenfalls mit dem Kalinin Miljukov Verfahren durchgeführt. Die Abflussbildung und die Abflusskonzentration werden bei NASIM wie folgt berechnet (Ebert, 2004). Die Abflussbildung wird mit einer linearen bzw. nichtlinearen Bodenfeuchtesimulation, in Abhängigkeit der Informationsdichte der vorhandenen Böden berechnet. Für die genaue Beschreibung dieser Verfahren wird auf Ebert (2004) verwiesen. Die Bestimmung der Abflusskonzentration erfolgt für versiegelte Flächen mit Hilfe das Ansatzes der linearen Speicherkaskade und für natürliche Flächen durch die Berechnung einer Zeitflächenfunktion. Die Zeitflächenfunktion ist eine spezielle Form des Isochronen Verfahrens mit nachfolgender Retention (Einzellinearspeicher). Dieses Verfahren ist bei Dyck, Peschke (1983) ausführlich beschrieben. Im Vergleich der Berechnungsergebnisse der beiden Programme wurde eine große Ähnlichkeit festgestellt. Die mit NASIM berechneten Abflussganglinien hatten dieselbe Form wie die mit der IWK Software berechneten Ganglinien. Auch bei der Betrachtung der Abflussfülle und der Abflussscheitelwerte lag eine gute Übereinstimmung vor (Abbildung 5.1 und Abbildung 5.2). Diese Übereinstimmung lag aber nur dann vor, wenn bei der IWK Software mit unterschiedlichen Korrekturfaktoren für u max gerechnet wurde. Bei einem über das Einzugsgebiet gleich verteiltem Korrekturfaktor konnte, besonders beim Zufluss zum Windachspeicher, keine so gute Übereinstimmung festgestellt werden (Abbildung 5.2 und Abbildung 5.3). Die Vergleiche mit dem Programm NASIM haben bestätigt, dass die Entscheidung mit unterschiedlichen Faktoren für u max für das Einzugsgebiet zu rechnen richtig war.

97 Vergleich mit NASIM 97 Abbildung 5.1: Vergleich der IWK Software (unten) mit NASIM (oben) am Windachpegel Obermühlhausen (Quelle NASIM: Ebert, 2004)

98 Vergleich mit NASIM 98 Abbildung 5.2: Vergleich der IWK Software (unten) mit NASIM (oben) am Zufluss zum Windachspeicher (Quelle NASIM: Ebert, 2004) Abbildung 5.3: Zuflussganglinie zum Windachspeicher mit u korr =0,230 für ges. Einzugsgebiet gleich

99 Variantenuntersuchung und -auswertung 99 6 Variantenuntersuchung und -auswertung Nach der Kalibrierung und Validierung bestand die Aufgabe darin, geplante Hochwasserrückhaltebecken in das Flussgebietsmodell einzubauen und deren Wirkung auf den Abfluss am Windachspeicher zu untersuchen. Weiterhin sollte untersucht werden, wie der Windachspeicher zu steuern ist, damit ein möglichst geringer Abfluss bei einem 100-jährlichem Hochwasserereignis gewährleistet werden kann. Es sollten nach Aufgabenstellung folgende Einbauvarianten untersucht werden: - Nur Hochwasserrückhaltebecken Windach - Dettenschwang mit einem Abflussquerschnitt von A= 0,5 m² (HRB1 mit Variante 1) - Nur Hochwasserrückhaltebecken Windach - Dettenschwang mit einem Abflussquerschnitt von A= 0,8m² (HRB1 mit Variante 2) - Hochwasserrückhaltebecken Windach - Dettenschwang und Hochwasserrückhaltebecken Beurerbach - Oberbeuern mit jeweils einem Abflussquerschnitt von A= 0,5m² (HRB1 und HRB2 mit Variante 1) - Hochwasserrückhaltebecken Windach - Dettenschwang und Hochwasserrückhaltebecken Beurerbach - Oberbeuern mit jeweils einem Abflussquerschnitt von A= 0,8m² (HRB1 und HRB2 mit Variante 2) Aus eigenem Interesse wurden zusätzlich die Varianten: - Nur Windachspeicher ohne vorgeschaltete Hochwasserrückhaltebecken - Nur Hochwasserrückhaltebecken Beurerbach - Oberbeuern mit beiden Abflussquerschnitten (HRB2 mit Variante 1 und 2) - untersucht. Beide geplante Hochwasserrückhaltebecken werden als ungesteuerte Becken eingesetzt. Für die Steuerungsvarianten des Windachspeichers wurden drei Möglichkeiten berücksichtigt: - Windachspeicher wird mit einer fiktiven Betriebsregel, welche vom Wasserwirtschaftsamt Weilheim nach dem Hochwasser vom Mai 1999 für den Windachspeicher erstellt wurde, gesteuert - Gesteuerter Windachspeicher nach den tatsächlich gemessenen Abflüssen beim Hochwasser 1999 ( Q(t)) - Auf verschiedene Abflüsse konstant gesteuerter Windachspeicher zur Ermittlung der optimalen Steuerung.

100 Variantenuntersuchung und -auswertung 100 Insgesamt wurden 64 mögliche Varianten berechnet, welche in Anlage 13 aufgeführt sind. Für die Hochwasserrückhaltebecken Windach - Dettenschwang und Beurerbach - Oberbeuern wurden die in Tabelle 6.1 und in Tabelle 6.2 aufgezeigten Erkenntnisse gewonnen. Tabelle 6.1: Daten zum Hochwasserrückhaltebecken Windach - Dettenschwang Tabelle 6.2: Daten zum Hochwasserrückhaltebecken Beurerbach - Oberbeuern Die in den Tabellen verwendeten Bezeichnungen haben folgende Bedeutung: Q zu,max Zuflussscheitelwert zum Hochwasserrückhaltebecken Q zu,max maximale Abflusswert aus dem Hochwasserrückhaltebecken V zu während des Ereignisses zugeflossene Wasservolumen V max Maximale Speichervolumen des Hochwasserrückhaltebecken ohne, dass die Hochwasserentlastung anspringt V ab abgegebenes Wasservolumen aus dem Hochwasserrückhaltebecken während der Simulationszeit (entspricht Berechnungszeitschritt t mal Anzahl der Zeitschritte) V erf zur Retention der Hochwasserwelle genutztes Beckenvolumen Qab,max Dämpfungsfaktor: κ = [-] (Gl. 6.1) Q zu,max Speicherreserve: R = V max V [Mio m³] (Gl. 6.2) erf

101 Variantenuntersuchung und -auswertung 101 V erf Auslastungsgrad α = 100 [%] (Gl. 6.3) V max Das Hochwasserrückhaltebecken Beurerbach - Oberbeuern wird als Variante 1 zu 52,5% und in Variante 2 zu 42,8% ausgelastet. Daraus lässt sich der Schluss ziehen, dass dieses Becken für ein 100-jährliches Hochwasserereignis zu groß bemessen ist. Das Hochwasserrückhaltebecken Windach - Dettenschwang wird als Variante 1 zu 84,5% und in Variante 2 zu 61,5% ausgelastet. Das weist darauf hin, dass dieses Becken für ein 100-jährliches Ereignis für beide Varianten ausreichend bemessen ist. Die Wasserstands - Speicherinhalts Beziehungen und die Zufluss Abfluss Beziehungen der geplanten Hochwasserrückhaltebecken sind für jeweils beide Varianten in den folgenden Abbildungen dargestellt (Abbildung 6.1, Abbildung 6.2, Abbildung 6.3 und Abbildung 6.4). Abbildung 6.1: Hochwasserrückhaltebecken Windach - Dettenschwang als Variante 1 ausgeführt

102 Variantenuntersuchung und -auswertung 102 Abbildung 6.2: Hochwasserrückhaltebecken Windach - Dettenschwang als Variante 2 ausgeführt Abbildung 6.3: Hochwasserrückhaltebecken Beurerbach - Oberbeuern als Variante 1 ausgeführt

103 Variantenuntersuchung und -auswertung 103 Abbildung 6.4: Hochwasserrückhaltebecken Beurerbach - Oberbeuern als Variante 2 ausgeführt Die in Anlage 13 dargestellten Berechnungs- bzw. Steuerungsvarianten wurden aufsteigend nach dem Dämpfungsfaktor, der Belastungszeit und absteigend nach dem Auslastungsgrad sortiert. Im Rang stehen also die Becken- und Steuerungskombinationen mit dem besten Dämpfungsfaktor ganz oben. Bei gleichen Dämpfungsfaktoren belegt die Variante mit der kürzesten Belastungszeit einen besseren Platz. Bei gleichem Dämpfungsfaktor und gleicher Belastungszeit erhält die Variante mit der größten Speicherreserve bzw. dem kleinsten Auslastungsgrad die höhere Stellung. Alle Angaben zur berechneten Beckenkombination sowie der Steuerung des Windachspeichers können der Ausgabedatei ( *. FGM) entnommen werden. Diese Datei ist wie folgt zu interpretieren (Abbildung 6.5):

104 Variantenuntersuchung und -auswertung 104 Abbildung 6.5: Erklärung zum Namensaufbau der Ergebnisdateien Bei der Auswertung der Tabelle kam man zu dem Ergebnis, dass: - der Windachspeicher ohne vorgeschaltete Hochwasserrückhaltebecken und konstanter Abflusssteuerung von Q ab = 10,5 m³/s noch ein 100-jährliches Hochwasserereignis zurückhalten kann, - das Hochwasserrückhaltebecken Beurerbach - Oberbeuern, wenn es nur alleine eingesetzt wird, fast wirkungslos ist, - der alleinige Einbau des Hochwasserrückhaltebeckens Windach - Dettenschwang für ein 100-jährliches Ereignis völlig ausreichend ist, - und der Abfluss des Windachspeichers (konstant gesteuert) auf Q ab = 5 m³/s gesenkt werden kann, wenn das Hochwasserrückhaltebecken Windach - Dettenschwang als alleiniges Becken in Variante 1 eingesetzt wird. Für die Bauausführung können an dieser Stelle zwei Möglichkeiten empfohlen werden. Zum einen der Bau des Hochwasserrückhaltebecken Windach Dettenschwang als alleiniges Becken mit einem Abflussquerschnitt von A=0,5m² und einem auf konstanten Abfluss von Q ab =5,0m³/s gesteuerten Windachspeicher (Möglichkeit 1), zum anderen der alleinige Bau des Hochwasserrückhaltebecken Windach Dettenschwang mit einem Abflussquerschnitt von A=0,8m² und einem auf konstanten Abfluss von Q ab =7,0m³/s gesteuerten Windachspeichers (Möglichkeit 2). Die Abflussganglinien der beiden Möglichkeiten sind in Abbildung 6.6 und Abbildung 6.7 gezeigt.

105 Variantenuntersuchung und -auswertung 105 Abbildung 6.6: Abflussganglinie am Windachspeicher für Möglichkeit 1 Abbildung 6.7: Abflussganglinie am Windachspeicher für Möglichkeit 2

106 Variantenuntersuchung und -auswertung 106 Die Möglichkeit 1 stellt nach den Berechnungen der IWK Software die optimale Möglichkeit dar. Bei dieser Variante haben sowohl das Hochwasserrückhaltebecken Windach Dettenschwang als auch der Windachspeicher nur wenig Speicherreserve bzw. einen hohen Auslastungsgrad. Bei Möglichkeit 2 haben beide Becken noch genügend Reserven, jedoch wird der Abfluss beim Windachspeicher größer. Die Belastungszeiten werden nicht betrachtet, weil die höchste berechnete Belastungszeit t B =320,1h beträgt. Es wird davon ausgegangen, dass es sehr unwahrscheinlich ist, dass in diesem Zeitfenster ein weiteres Hochwasserereignis eintritt. Wenn eine kurze Belastungszeit erreicht werden soll, ist die Möglichkeit 2 der Möglichkeit 1 vorzuziehen. Des Weiteren muss bedacht werden, dass bei der Erstellung des Flussgebietsmodells mehrere Annahmen und Vereinfachungen getroffen wurden. Da Modelle jeder Art die Wirklichkeit nur näherungsweise wiedergeben, so muss auch hier damit gerechnet werden, dass zwischen den natürlichen Niederschlag Abfluss Prozessen und den Nachbildungen im Modell Unterschiede auftreten. Falls sich diese Unterschiede negativ auswirken, also die Abflussfülle und die Abflussscheitelwerte in der Natur höher liegen als berechnet, bietet die Möglichkeit 2 die größeren Reserven. Die Aufgabenstellung beinhaltet die Berechnung von Abflussganglinien am Windachspeicher für einen mit Q ab =8,0m³/s konstant gesteuerten Windachspeicher. Die Ganglinien für alle Beckenvarianten bei diesem Abfluss sind der Arbeit in Anlage 14 angefügt. Weiterhin sind in dieser Anlage aufgeführt: - Abfluss am Windachspeicher nach fiktiver Betriebsregel des Wasserwirtschaftsamt Weilheim ohne vorgeschaltete Hochwasserrückhaltebecken - Speicherkennlinien des Windachspeichers bei Einsatz der fiktiven Betriebsregel - Abflussganglinie des auf 10,5m³/s konstant gesteuerten Windachspeichers ohne vorgeschaltete Hochwasserrückhaltebecken.

107 Fehlerdiskussion und Zusammenfassung Fehlerdiskussion und Zusammenfassung Dieses Kapitel soll aufgetretene Fehler und ihre Auswirkung auf die Ergebnisse diskutieren und mit einer Zusammenfassung die Arbeit abschließen. 7.1 Fehlerdiskussion Bei jeder Erstellung eines Modells kommt es unweigerlich zu Fehlern, die sich mehr oder weniger negativ auf die Berechnung bzw. das Modell auswirken. Begangene Fehler können in vermeidbare und unvermeidbare Fehler unterteilt werden, die sich in ihrer Wirkung verstärken oder auch aufheben können. Bereits bei den Vorarbeiten zur Erstellung eines Flussgebietsmodells können enorme Fehler auftreten, die später nicht mehr kompensiert werden können. Hier sind besonders Fehler bei der Bestimmung der Einzugsgebiets- und Teileinzugsgebietsgröße, dem Gefälle, der Gerinneprofile und -rauheiten, der Landnutzung, dem Waldanteil, der Bodentypen usw. zu nennen. Bei den hier entstandenen Fehlern handelt es sich vor allen um Fehler, die durch vereinfachte Annahmen, ungenaue und veraltete Karten und Generalisierungen (z.b. beim Bodentyp und der Gerinneprofile) entstanden sind. Größere Ungenauigkeiten oder auch fehlerhafte Annahmen sind bei der Bestimmung des Gebietsniederschlages zu finden. Hier geht man von der Annahme aus, dass der Niederschlag über das gesamte Einzugsgebiet gleich verteilt gefallen ist. Dieser Fall tritt in der Natur fast nie ein. Weil aber nicht an jedem Punkt im Einzugsgebiet der Niederschlag gemessen werden kann, ist eine Generalisierung der Gebietsniederschlagsverteilung nicht zu vermeiden. Grundsätzlich muss bei der Bestimmung des Gebietsniederschlages sehr sorgfältig und genau vorgegangen werden, weil sich hier begangene Fehler bei der Abflussbildungsberechnung und Abflusskonzentrationsberechnung weiter aufschaukeln. Fehler bzw. Ungenauigkeiten bei der Abflussbildung, der Abflusskonzentration und dem Flood Routing sind vor allem auf die regionalisierten, generalisierten oder empirischen Berechnungsmodelle zurückzuführen. Die in dieser Arbeit begangenen Fehler bei der Aufstellung des Flussgebietsmodells hielten sich weitestgehend in Grenzen, was die guten Ergebnisse der Validierung bestätigen. Es sind aber einige Probleme während der Arbeit aufgetreten, die eine gesonderte Betrachtung erfordern.

108 Fehlerdiskussion und Zusammenfassung Probleme bei der Abflussbildung und Abflusskonzentration Wie bereits in den Kapiteln der Abflussbildung und Abflusskonzentration beschrieben, sind besonders bei der Ermittlung der Abflussbeiwerte und der gebietsspezifischen Parameter P1 und u max bzw. u korr Fehler aufgetreten Die Abweichungen in den Abflussbeiwerten sind wahrscheinlich auf eine beim Hochwasser 1999 vorliegende uneinheitliche Gebietsniederschlagsverteilung zurückzuführen. Die tatsächlich vorgelegene Niederschlagsverteilung bei diesem Ereignis kann nicht rekonstruiert werden. Die Abweichungen können somit nicht eliminiert werden. Um die berechneten und im Flussgebietsmodell angenommenen Abflussbeiwerte bestätigen zu können sind weitere Untersuchungen mit mehreren aufgezeichneten Ereignissen notwendig. Es wird empfohlen, die Abflussbeiwerte für das Einzugsgebiet mit dem Koaxialdiagramm zu überprüfen. Hierfür ist allerdings eine große Zahl aufgezeichneter Ereignisse erforderlich. Nach persönlichen Erfahrungen von Herrn Dr. Ing. Göppert sollten für das Koaxialdiagramm in etwa Ereignisse vorliegen. Bei den gebietsspezifischen Parametern konnte keine befriedigende Anpassung der gerechneten Abflussganglinien an die gemessenen erreicht werden, wenn der Faktor für u max für das Einzugsgebiet gleich angenommen wurde. Für den Gebietsfaktor P1 wurde bei Kalibrierungsversuchen festgestellt, dass je kleiner der Wert P1 (bei konstantem Korrekturfaktor u korr ) angenommen wurde, umso deutlicher wurden die Gipfel der Hochwasserwelle des Ereignisses 1999 abgebildet (Abbildung 7.1). Zusätzlich verkürzte sich die Anstiegszeit t A dieser Ganglinien.

109 Fehlerdiskussion und Zusammenfassung 109 Abbildung 7.1: Auswirkung unterschiedlicher P1 - Werte auf die Abflussganglinie Ein Konstanthalten des P1-Wertes und eine Veränderung des Faktors für u max zeigte ein ähnliches Verhalten der Abflussganglinie. Das ist soweit noch keine ungewöhnliche Feststellung, da der Wert P1 linear in die Gleichung für die Anstiegszeit t A und der Korrekturfaktor u korr linear in den Wert für u max eingeht. Das Produkt von u max und t A geht dann in die Gleichung zur Bestimmung des Parameter n der linearen Speicherkaskade ein (siehe Kapitel 4.2). Veränderungen des Parameters u max und des P1- Wertes wirken sich umgekehrt proportional auf den Scheitelwert der Abflussganglinie aus (siehe (Gl. 4.21) und (Gl. 4.27). Mit beiden Parametern kann der Scheitelwert der Abflussganglinie verändert werden. Nach Lutz (1984) sind im Parameter P1 die geologischen und geomorphologischen Gebietseigenschaften, sowie Eigenschaften des Vorfluters enthalten. Wenn man davon ausgeht, dass der Wert P1 mit dem Faktor für u max korrigiert werden kann, ist es möglich die im P1 - Wert zusammengefassten Gebietseigenschaften getrennt anzupassen. Der P1 Wert wird, wie bei Lutz beschrieben, für ein Gebiet bestimmt oder aus einem Nachbargebiet übernommen und mit dem Faktor für u max werden dann die gebietsspezifischen Eigenschaften, wie Vorfluterdichte, -rauheit, form, Gebietsform usw. berücksichtigt. Diese Theorie wurde während der Kalibrierung des Einzugsgebietes aufgestellt, nachdem kein befriedigendes Ergebnis für die Kalibrierung (mit über das Einzugsgebiet

110 Fehlerdiskussion und Zusammenfassung 110 konstanten Parametern P1 und u max) erzielt wurde. Die Beobachtungen bei den Berechnungen mit unterschiedlichen Werten für u max haben gezeigt, dass Teileinzugsgebiete mit einer gestreckten Form und einer geringen Vorfluterdichte einen kleinen Korrekturfaktor zur Folge hatten (Teileinzugsgebiete der Windach bis zum Pegel mit Faktor für u max von 0,165). Gedrungene Gebiete mit hoher Vorfluterdichte hatten für eine gute Anpassung an die gemessenen Werte einen höheren Korrekturfaktor (Teileinzugsgebiet Schlöglbach u max =1,000). Die Gebiete mit mittlerer Vorfluterdichte zeigten auch mittlere Korrekturwerte (Hauserbach und Beurerbach mit u max =0,500).Wie in Kapitel bereits beschrieben und in Abbildung 7.2 wiederholt gezeigt, führen gedrungene Einzugsgebiete mit hoher Vorfluterdichte zu großen Abflussscheitelwerten und gestreckte Gebiete mit geringer Vorfluterdichte zu kleinen Scheitelwerten. Diese Tatsache deckt sich mit der aufgestellten Theorie, dass der Faktor für u max als Parameter zur Beschreibung der gebietsspezifischen Entwässerungseigenschaften (Vorfluterdichte, Gebietsform usw.) verwendet werden kann. Abbildung 7.2: Abhängigkeit der Hochwasserwelle von der Form des Einzugsgebietes (Quelle: Rahn 2003) Diese Theorie konnte im Rahmen dieser Arbeit jedoch nicht bewiesen werden, da keine Untersuchungen mit weiteren Ereignissen und anderen Einzugsgebieten möglich war. Aus einer vorangegangenen Diplomarbeit von Julia Krickmeyer (2004), die sich mit der Regionalisierung des P1 Wertes auseinandergesetzt hat, konnten für diese These keine beweisenden Erkenntnisse gewonnen werden. Es wird empfohlen, weitere Untersuchungen zur Abhängigkeit der beiden gebietsspezifischen Parameter vorzunehmen.

111 Fehlerdiskussion und Zusammenfassung Zusammenfassung Ziel der Diplomarbeit war die Erstellung eines Flussgebietsmodells für das Einzugsgebiet der Windach oberhalb des Windachspeichers mit dem IWK - Software Paket der Universität Karlsruhe. Das Modell sollte mit dem Hochwasserereignis vom Mai 1999 kalibriert werden. Weiterhin sollte die Hochwasserscheitelminderung der Windach am Auslass des Windachspeichers durch den Bau zweier geplanter Retentionsbecken untersucht und eine optimale Steuerung des Windachspeichers bei einem kleinstmöglichen Abfluss entwickelt werden. Zu Beginn der Diplomarbeit fand eine umfangreiche Auseinandersetzung mit den zur Aufgabenstellung gehörenden wissenschaftlichen Themen statt. Es wurde sich mit dem Niederschlag Abfluss Prozess, der Entstehung von Hochwassern und deren beeinflussenden Faktoren, sowie mit Hochwasserrückhaltebecken auseinandergesetzt. Danach wurde das betrachtete Einzugsgebiet der Windach in 10 Teileinzugsgebiete aufgeteilt, welche zusammen mit den geplanten Standorten für die Hochwasserrückhaltebecken und den im Einzugsgebiet befindlichen Pegeln, die Grundlage für den Knotenplan des Flussgebietsmodells bildeten. Die gebietsspezifischen Parameter wie Bodentyp, Gerinneform, -profil und -rauheit usw. wurden aus Kartenwerken und den Erkenntnissen einer Geländebegehung gewonnnen. Der Gebietsniederschlag ermittelte sich aus den gemessenen Niederschlagsdaten von 6 um das Einzugsgebiet herum liegenden Messstationen. Zu den Vorarbeiten zählt auch das Schreiben einen VBA- Programms in Excel zur Berechnung der Wasserstands Abfluss Beziehung von ungesteuerten Hochwasserrückhaltebecken. Nachdem diese Arbeiten abgeschlossen waren, konnte mit der eigentlichen Flussgebietsmodellierung begonnen werden. Hierbei wurden alle für die Abflussbildung, die Abflusskonzentration und das Flood Routing notwendigen Daten ermittelt und in die jeweiligen Dateien der IWK Software eingegeben. Nach einer ersten Simulation und dem Vergleich der gemessenen Abflussganglinien mit den berechneten, wurde das Flussgebietsmodell durch Veränderungen des Faktors für u max an das Hochwasserereignis vom Mai 1999 kalibriert. Die Kalibrierung wurde anschließend durch eine Validierung mit dem Hochwasserereignis vom März 2000 überprüft. Ein Vergleich des kalibrierten Flussgebietsmodells mit einem gleichartigen Modell, das mit dem Programm NASIM erstellt wurde, stellte den nächsten Schritt der Arbeit dar.

112 Fehlerdiskussion und Zusammenfassung 112 Die anschließende Simulation verschiedener Einsatzmöglichkeiten der Hochwasserrückhaltebecken mit dem Windachspeicher brachte die in der Aufgabenstellung gewünschten Ergebnisse. Es konnte festgestellt werden, das der Abflussscheitel des Windachspeichers zusammen mit dem als Variante 1 ausgeführten Hochwasserrückhaltebecken Windach Dettenschwang, bis auf einen Wert von Q ab =5,0m³/s gemindert werden kann, wenn der Windachspeicher als auf konstanten Abfluss gesteuertes Hochwasserrückhaltebecken betrieben wird. Wenn keine zusätzlichen Hochwasserrückhaltebecken vor den Windachspeicher vorgeschaltet werden, kann dieser ein 100-jährliches Hochwasserereignis auf einen Wert von Qab=10,5m³/s abmindern. Der Windachspeicher ist dazu auch als ein auf konstanten Abfluss gesteuertes Hochwasserrückhaltebecken einzusetzen. Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass das erstellte Flussgebietsmodell die gestellten Forderungen erfüllt. Es konnte eine Aussage getroffen werden, in wie weit geplante Hochwasserrückhaltebecken bei einem 100-jährlichen Hochwasserereignis das Abflussverhalten des Windachspeichers beeinflussen und verbessern. Der Abfluss des Windachspeichers konnte weit unter die geforderte Marke von 8m³/s gedrückt werden. Das Modell wurde nur auf ein Hochwasserereignis kalibriert. Eine Aussage über die Verwendbarkeit als Vorhersagemodell für weitere Hochwasser kann daher nicht getroffen werden. Für eine solche Verwendung, sollte das Modell mit weiteren Ereignissen noch besser kalibriert bzw. die hier verwendeten Parameter bestätigt werden.

113 Literatur und Quellenverzeichnis Literatur und Quellenverzeichnis Bayerisches Geologisches Landesamt 1986,: Erläuterungen zur Standortkundlichen Bodenkarte Bayern 1:50000 München Augsburg und Umgebung, Bayerisches Geologisches Landesamt, München, Bayerisches Landesamt für Wasserwirtschaft1978: Verzeichnis der Bach- und Flussgebiete in Bayern, München Bayerisches Landesamt für Wasserwirtschaft, 2004: Ref. 16, Daten über statistische Hochwasserwerte bayerischer Flüsse Bollrich, G,.2000: Technische Hydromechanik 1, 5.Auflage, Verlag Bauwesen Berlin Caspary, H. J., 1987: Näherungslösung für regionalisierte Einheitsganglinien mit Hilfe linearer Speicherkaskaden. Wasserwirtschaft 77, H. 1, S DIN 4049-, 1992: Ausgabe: Hydrologie; Grundbegriffe Disse, M., 2003: Hydrologie I Vorlesungsskript 2003, Universität der Bundeswehr München, Neubiberg DVWK-Regeln, Heft 112/1982, 1982: Arbeitsanleitung zur Anwendung von Niederschlags-Abfluss-Modellen in kleinen Einzugsgebieten Teil I: Analyse, Verlag Paul Parey Hamburg und Berlin DVWK-Schriften, Heft 92,1990: Hydraulische Methoden zur Erfassung von Rauheiten, zusammengestellt von Ralph C.M. Schröder, Verlag Paul Parey, Hamburg und Berlin

114 Literatur und Quellenverzeichnis 114 DVWK-Schriften, Heft 124,1999: Hochwasserabflüsse: I. Einsatz von Niederschlags-Abfluss-Modellen zur Ermittlung von Hochwasserabflüssen, II. Extreme Hochwasserabflüsse Möglichkeiten zur Abschätzung und Anwendung, Wirtschafts- und Verlagsgesellschaft Gas und Wasser mbh, Bonn Dyck, Peschke,1983: Grundlagen der Hydrologie, Ernst und Sohn Verlag Berlin Ebert, M.,2004: Diplomarbeit: Aufbau und Kalibrierung eines physikalisch basiertem Niederschlags Abfluss Modells am Beispiel der oberen Windach Institut für Wasserwesen, Universität der Bundeswehr München, Neubiberg Firma Hydrotec, 2004: Dokumentation zum Niederschlag -. Abflussmodell NASIM, Hydrotec, Aachen Göppert, H. G., 1995: Mitteilungen des Instituts für Hydrologie und Wasserwirtschaft Universität Karlsruhe (TH) Heft 49: Operationelle Hochwasservorhersage zur Steuerung von Talsperren Hella Bartels, Gabriele Malitz, Susanne Asmus, Franz M. Albrecht, Bernd Dietzer, Thilo Günther, Heinz Ertel, 1997: Starkniederschlagshöhen für Deutschland, Geschäftsfeld Hydrometeorologie, Selbstverlag des Deutschen Wetterdienstes, Offenbach am Main Jürgen Ihringer, 2003: Hochwasseranalyse und -berechnung, Anwenderhandbuch, Universität Karlsruhe (TH) Institut für Wasserwirtschaft und Kulturtechnik, Karlsruhe Kleeberg, H.-B. Øverland, H.,1989: Zur Berechnung des effektiven oder abflusswirksamen Niederschlags ; Mitteilungen des Instituts für Wasserwesen, Universität der Bundeswehr München, Neubiberg, Heft 32

115 Literatur und Quellenverzeichnis 115 Krickmeyer, J.,2004: Diplomarbeit: Regionalisierung des P1-Wertes nach Lutz und Anwendung der Ergebnisse auf das Flussgebietsmodell der Schutter ; Universität Karlsruhe (TH) Institut für Wasserwirtschaft und Kulturtechnik, Karlsruhe Lutz, W., 1984: Mitteilungen des Instituts für Hydrologie und Wasserwirtschaft Universität Karlsruhe (TH), Heft 24: Berechnung von Hochwasserabflüssen unter Anwendung von Gebietskenngrößen Maniak, U.,1997: Hydrologie und Wasserwirtschaft Eine Einführung für Ingenieure, 4. überarbeitete Auflage, Springer Verlag, Heidelberg Plate et. al.1979: Hydrologische Planungsgrundlagen, 1. Grundlehrgang Hydrologie, Institut für Hydrologie und Wasserwirtschaft der Universität Karlsruhe, Karlsruhe Plate, Schultz, Seuss, Wittenberg,1977: Ablauf von Hochwasserwellen in Gerinnen, Schriftenreihe des DVWK, Heft 27, Bonn Rahn, S.,2003: Diplomarbeit: Untersuchung der Hochwasserschutzwirkung von kleinen Retentionsbecken im Einzugsgebiet der Windach oberhalb des Windachspeichers, Institut für Wasserwesen der Universität der Bundeswehr München, Neubiberg Rosemann,1970: Das Kalinin Miljukov Verfahren, Schriftenreihe der Bayerischen Landesstelle für Gewässerkunde, München, Heft 6 Seus, G.J. und Uslu, O.,1978: Adaptive Steuerung von Hochwasserrückhaltebeckensystemen ; Wasserwirtschaft, Heft 1, pp.10-15, Heft 2, pp

116 Literatur und Quellenverzeichnis 116 Software der Firma MagicMaps: Bayern 3D Das interaktive Kartenwerk CD3: Süd Software des Instituts für Hydrologie und Wasserwirtschaft der Universität Karlsruhe (TH): Hochwasseranalyse und Hochwasserberechnung in der Version 5.01 Vischer,D. und Hager W. H., 1992: Hochwasserrückhaltebecken, vdf Verlag, Zürich

117 Abbildungs- und Tabellenverzeichnis Abbildungs- und Tabellenverzeichnis 9.1 Abbildungsverzeichnis Abbildung 1.1: Vorgehensweise bei der Diplomarbeit Abbildung 2.1: Die Abflussbildung (Quelle entstehung/entstehung.htm) Abbildung 2.2: Einflussfaktoren auf die Hochwasserbildung (Quelle: 17 Abbildung 2.3: Einfluss der Windrichtung auf die Überregnung des Einzugsgebietes (Quelle: Dyck, Peschke, 1983) Abbildung 2.4: Abhängigkeit der Hochwasserwelle von der Form des Einzugsgebietes (Quelle: Rahn 2003) Abbildung 2.5: 3 - Säulen Schutzstrategie vor Hochwasser Abbildung 2.6 Steuerungsvarianten von Hochwasserrückhaltebecken Abbildung 2.7: Hochwasserganglinien für die Fälle 1 bis 4 (Quelle: Vischer, Hager 1992) Abbildung 2.8: Belastungsfall 1 - a) Ungesteuertes Becken b) mit konstantem Abfluss gesteuertes Becken (Quelle: Vischer, Hager 1992) Abbildung 2.9. Belastungsfall 2: a) ungesteuertes Becken, b) auf konstanten Abfluss gesteuertes Becken, c) adaptiv gesteuertes Becken (Quelle: Vischer, Hager 1992) Abbildung 2.10: Belastungsfall 3: a) ungesteuertes Becken, b) gesteuertes Becken (Quelle: Vischer, Hager 1992) Abbildung 2.11: Belastungsfall 4: a) ungesteuertes Becken, b) auf konstanten Abfluss gesteuertes Becken, c) adaptiv gesteuertes Becken (Quelle: Vischer, Hager 1992) Abbildung 2.12: Belastungsfall 5: a) ungesteuertes Becken, b) gesteuertes Becken (Quelle: Vischer, Hager 1992) Abbildung 2.13: Belastungsfall 6 für gesteuerte Becken (Quelle: Vischer, Hager 1992) Abbildung 3.1: Schematische Darstellung des Einzugsgebietes Abbildung 3.2: Flächennutzung des Einzugsgebietes... 40

118 Abbildungs- und Tabellenverzeichnis 118 Abbildung 3.3: Ermittlung des gewogenen Gefälles I g (Quelle: Ihringer 2003) Abbildung 3.4: Darstellung des Längsprofils mit gewogenem Gefälle Abbildung 3.5: Querprofil Windach; Abbildung 3.6: Querprofil Beurerbach Abbildung 3.7: Niederschlagsganglinien der 3 Stationen mit stündlichem Messintervall Abbildung 3.8: Ermittelte Niederschlagganglinie des Gebietsniederschlages Abbildung 3.9: Niederschlagshöhen aus dem KOSTRA Atlas (Quelle: Ebert, 2004) 50 Abbildung 3.10: Abflussganglinie am Windachpegel Obermühlhausen Abbildung 3.11: Wasserstände der jeweiligen Berechnungsfälle Abbildung 3.12: Abflusszustände bei Durchlässen (Quelle: Vischer, Hager, 1992) Abbildung 4.1:Aufbau des Programms FGMED Abbildung 4.2: Gebietskenngröße CN für das SCS Verfahren (Quelle: Ihringer, 2003) Abbildung 4.3: Gegenüberstellung der Abflussbeiwerte Abbildung 4.4: Kenngrößen der Einheitsganglinie nach Lutz Abbildung 4.5: Gebietsparameter zur Bestimmung der Einheitsganglinienanstiegszeit nach Lutz Abbildung 4.6: Ereignisabhängige Korrektur der Anstiegszeit der Einheitsganglinie (Quelle: Ihringer, 2003 (verändert)) Abbildung 4.7: Fläche A* der normierten Einheitsganglinie als Funktion des Speicherkaskadenparameter n (Quelle: Caspary, 1987) Abbildung 4.8: Abflussganglinie am Windachpegel ohne Kalibrierung Abbildung 4.9: Abflussganglinie am Zufluss zum Windachspeicher ohne Kalibrierung Abbildung 4.10: Vorgehensweise bei der Kalibrierung Abbildung 4.11: Abflussganglinie der Hochwasserereignis vom März 2000 am Windachpegel Obermühlhausen mit unterschiedlichen Faktoren für u max Abbildung 4.12: Abflussganglinie der Hochwasserereignis vom März 2000 am Windachpegel Obermühlhausen mitgleichen Faktoren für u max für das gesamte Einzugsgebiet Abbildung 5.1: Vergleich der IWK Software (unten) mit NASIM (oben) am Windachpegel Obermühlhausen (Quelle NASIM: Ebert, 2004) Abbildung 5.2: Vergleich der IWK Software (unten) mit NASIM (oben) am Zufluss zum Windachspeicher (Quelle NASIM: Ebert, 2004)... 98

119 Abbildungs- und Tabellenverzeichnis 119 Abbildung 5.3: Zuflussganglinie zum Windachspeicher mit u korr =0,230 für ges. Einzugsgebiet gleich Abbildung 6.1: Hochwasserrückhaltebecken Windach - Dettenschwang als Variante 1 ausgeführt Abbildung 6.2: Hochwasserrückhaltebecken Windach - Dettenschwang als Variante 2 ausgeführt Abbildung 6.3: Hochwasserrückhaltebecken Beurerbach - Oberbeuern als Variante 1 ausgeführt Abbildung 6.4: Hochwasserrückhaltebecken Beurerbach - Oberbeuern als Variante 2 ausgeführt Abbildung 6.5: Erklärung zum Namensaufbau der Ergebnisdateien Abbildung 6.6: Abflussganglinie am Windachspeicher für Möglichkeit Abbildung 6.7: Abflussganglinie am Windachspeicher für Möglichkeit Abbildung 7.1: Auswirkung unterschiedlicher P1 - Werte auf die Abflussganglinie. 109 Abbildung 7.2: Abhängigkeit der Hochwasserwelle von der Form des Einzugsgebietes (Quelle: Rahn 2003) Abbildung 10.1: Variante 1 des HRB 1 (A = 0,5m²) Abbildung 10.2: Variante 2 des HRB 1 (A = 0,8 m²) Abbildung 10.3: Variante 1 des HRB Abbildung 10.4: Variante 2 des HRB Abbildung 10.5: Abflussbeiwerte nach dem SCS Verfahren Abbildung 10.6: Abflussbeiwerte nach modifiziertem SCS - Verfahren Abbildung 10.7:Abflussbeiwerte nach dem Regionalisierungsverfahren nach Lutz Abbildung 10.8: Optimierung bis zum Windachpegel Obermühlhausen Abbildung 10.9: Optimierung bis zum Windachspeicher Abbildung 10.10: Windachpegel mit u max =0,230 für das gesamte Einzugsgebiet gleich Abbildung 10.11: Windachpegel mit unterschiedlichem Faktor u max für die Teileinzugsgebiete Abbildung 10.12: Zufluss zum Windachspeicher mit u max =0,230 für das gesamte Einzugsgebiet gleich Abbildung 10.13: Zufluss zum Windachspeicher mit unterschiedlichem Faktor u max für die Teileinzugsgebiete

120 Abbildungs- und Tabellenverzeichnis 120 Abbildung 10.14: Hochwasserrückhaltebecken Windach - Dettenschwang Variante Abbildung 10.15: Beide Hochwasserrückhaltebecken als Variante Abbildung 10.16: Hochwasserrückhaltebecken Windach - Dettenschwang Variante Abbildung 10.17: Beide Hochwasserrückhaltebecken als Variante Abbildung 10.18: Abflussganglinie mit fiktiver Betriebsregel und ohne vorgeschaltete Hochwasser-rückhaltebecken Abbildung 10.19: Speicherkennlinien des Windachspeichers mit fiktiver Betriebsregel Abbildung 10.20: Abflussganglinie des mit 10,5m³/s gesteuerten Windachspeicher ohne vorgeschaltete Hochwasserrückhaltebecken Tabellenverzeichnis Tabelle 2.1: Aufbau des IWK - Software Pakets Tabelle 3.1: Zusammenfassung der Flächennutzung Tabelle 3.2: Korngrößenzusammensetzung und Materialeigenschaften von Moränentypen (Quelle: Bayerisches Geologisches Landesamt 1986) Tabelle 4.1: Basisabflüsse der Teileinzugsgebiete bzw. Knoten Tabelle 4.2: Endabflussbeiwert c und Anfangsverlust A V nach dem Regionalisierungsverfahren nach Lutz Tabelle 4.3: Im Flussgebietsmodell verwendete Abflussbeiwerte Tabelle 4.4 Bestimmung des Parameter P Tabelle 4.5: Parameter für das Flood Routing Tabelle 4.6: Fließgeschwindigkeiten Tabelle 4.7: Statistisch ermittelte Hochwasserabflüsse (Quelle: Datei vom Bayerischen Landesamt für Wasserwirtschaft) Tabelle 4.8: Gegenüberstellung der Abflussspenden Tabelle 4.9: Abflussbeiwerte für das Hochwasserereignis März Tabelle 6.1: Daten zum Hochwasserrückhaltebecken Windach - Dettenschwang Tabelle 6.2: Daten zum Hochwasserrückhaltebecken Beurerbach - Oberbeuern

121 Anlagen Anlagen Anlage 1.: Topographische Karten des Einzugsgebietes und die Aufteilung der Teileinzugsgebiete (ohne Maßstab)

122 Anlagen 122 Anlage 2.: Knotenplan

123 Anlagen 123 Anlage 3.: mit ArcView ermittelte Wald-, Acker-, und bebaute Flächen im Einzugsgebiet (ohne Maßstab) Bebaute Fläche Acker Wald

124 Anlagen 124 Anlage 4.: Profildaten der im Flussgebietsmodell verwendeten Gewässerprofile Tabellarische Übersicht der Profildaten

125 Anlagen 125 Anlage 4.1: Grafische Darstellung der Profile

126 Anlagen 126

127 Anlagen 127

128 Anlagen 128

129 Anlagen 129 Anlage 5.: Im Einzugsgebiet vorkommende Bodentypen, mit Nutzung und Beschreibung

130 Anlagen 130 Anlage 5.1: Darstellung der mit ArcView ermittelten Bodentypenflächen für das Einzugsgebiet (ohne Maßstab)

131 Anlagen 131 Anlage 6.: Die Niederschlagsstationen

132 Anlagen 132 Anlage 6.1: Die Flächengewichtungen nach der Polygon- / Thiessen Methode

133 Anlagen 133 Anlage 7.: Speicherkennlinien der geplanten Hochwasserrückhaltebecken Abbildung 10.1: Variante 1 des HRB 1 (A = 0,5m²) Abbildung 10.2: Variante 2 des HRB 1 (A = 0,8 m²)

134 Anlagen 134 Abbildung 10.3: Variante 1 des HRB 2 Abbildung 10.4: Variante 2 des HRB 2

135 Anlagen 135 Anlage 8.: Abflussbeiwerte nach dem SCS Verfahren / modifiziertem SCS Verfahren Abbildung 10.5: Abflussbeiwerte nach dem SCS Verfahren

136 Anlagen 136 Abbildung 10.6: Abflussbeiwerte nach modifiziertem SCS - Verfahren

137 Anlagen 137 Anlage 9.: Bestimmung der Abflussbeiwerte nach Lutz Abbildung 10.7:Abflussbeiwerte nach dem Regionalisierungsverfahren nach Lutz

138 Anlagen 138 Anlage 10.: Optimierung der Abflussbeiwerte für das Hochwasserereignis Mai 1999 Abbildung 10.8: Optimierung bis zum Windachpegel Obermühlhausen Abbildung 10.9: Optimierung bis zum Windachspeicher

139 Anlagen 139 Anlage 11.: Grafische Ausgaben der Berechnungen des Programms KALININ:

140 Anlagen 140

141 Anlagen 141

142 Anlagen 142

143 Anlagen 143 Anlage 12.: Vergleich der Abflussganglinien am Windachpegel Obermühlhausen und den Zuflussganglinien zum Windachspeicher für die Fälle: Gleicher Wert für u max für das gesamte Einzugsgebiet und unterschiedliche werte für u max für die Teileinzugsgebiete Abbildung 10.10: Windachpegel mit u max =0,230 für das gesamte Einzugsgebiet gleich Abbildung 10.11: Windachpegel mit unterschiedlichem Faktor u max für die Teileinzugsgebiete

144 Anlagen 144 Abbildung 10.12: Zufluss zum Windachspeicher mit u max =0,230 für das gesamte Einzugsgebiet gleich Abbildung 10.13: Zufluss zum Windachspeicher mit unterschiedlichem Faktor u max für die Teileinzugsgebiete

145 Anlagen 145 Anlage 13.: Nach dem Dämpfungsfaktor, der Belastungszeit und dem Auslastungsgrad sortierte Ergebnisse der Variantenuntersuchung für den Windachspeicher