Operationelles Hochwassermanagement in großräumigen Extremsituationen am Beispiel der Mittleren Elbe

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1 RIMAX-Statusseminar , Potsdam Operationelles Hochwassermanagement in großräumigen Extremsituationen am Beispiel der Mittleren Elbe RIMAX-Statusseminar , Potsdam Deichbruch Seegrehna 2002, Foto: Simon BMBF Vorhaben B RIMAX-Statusseminar, Potsdam

2 Fragen zum Hochwassermanagement an der Mittleren Elbe Extremereignisse: was kann passieren? Welche räumlichen Situationen (Wetterlagen, N-Verteilungen, Gebietszustände) führen zu Extremsituationen am Flusslauf (Überlagerung von Hochwasserwellen)? Welche Extremabflüsse sind realistisch? Wann verlieren HW-Schutzmaßnahmen (Talsperren, Deiche, Polder) ihre Wirksamkeit? Katastrophenmanagement: was folgt daraus? was kann getan werden? Welche Deichabschnitte sind akut gefährdet? Welche Auswirkungen sind bei Deichversagen zu erwarten? (Überflutungsvorgänge, Retentionseffekte für den Unterlauf) Welche Eingriffsmöglichkeiten gibt es unter Extrembedingungen? (Deichverteidigung, Polderflutung, Evakuierung etc.) Ereignisbezogene Betrachtung der gesamten Prozesskette! gemeinsame Überprüfung + Verbesserung der Modelle + Schnittstellen Meteorologie < > Wasserwirtschaft < > Katastrophenschutz BMBF Vorhaben B RIMAX-Statusseminar, Potsdam

3 Integrierter, modularer Projektansatz Meteorologie Niederschlag Bereitstellung hochwasserrelevanter Wetterlagen / Niederschlagsverteilungen Betrachtung der Überlagerung der HW-Abflüsse großer Teileinzugsgebiete Hydrologie Hydraulik Mensch Sachwerte Umwelt Abfluss Überschwemmung Schaden (Risiko) Überflutungssimulation in Extremsituationen (> BHQ, Versagen) Bewertung der Deichsicherheit, auch unter Einbeziehung aktueller Information (Ereignisvorhersage, Feuchtezustand) Integrierte Konzepte und Werkzeuge für das Katastrophenmanagement Hochwasservorsorge Technischer HW-Schutz Operationeller Einsatz Anforderungen Extremsituationen BMBF Vorhaben B RIMAX-Statusseminar, Potsdam

4 Ziele - Quantifizierung der Prozesse bei Extremhochwasser - Entscheidungshilfe in großräumigen Katastrophensituationen Arbeitsziel 1 Module - Verbesserung / Weiterentwicklung bestehender Systeme - Bereitstellung innovativer Module für das operationelle HW-Management - Online-fähige Modellbausteine für flexible praxisorientierte Anwendung - Schnittstellen zu vorhandenen Systemen (Teilprojekte bzw. Behörden) Arbeitsziel 2 Szenarien - Gekoppelte Szenarienrechnung ausgehend von Extremniederschlägen - Nachweis der Einsatzfähigkeit der Systemkomponenten - Prozessverständnis und Ausloten von Handlungsoptionen (z. B. Polderflutung) - Grundlagen für Vorsorge- und Notfallplanungen an der Mittlere Elbe BMBF Vorhaben B RIMAX-Statusseminar, Potsdam

5 Ziele - Quantifizierung der Prozesse bei Extremhochwasser - Entscheidungshilfe in großräumigen Katastrophensituationen Arbeitsziel 1 Module - Verbesserung / Weiterentwicklung bestehender Systeme - Bereitstellung innovativer Module für das operationelle HW-Management - Online-fähige Modellbausteine für flexible praxisorientierte Anwendung - Schnittstellen zu vorhandenen Systemen (Teilprojekte bzw. Behörden) Arbeitsziel 2 Szenarien - Gekoppelte Szenarienrechnung ausgehend von Extremniederschlägen - Nachweis der Einsatzfähigkeit der Systemkomponenten - Prozessverständnis und Ausloten von Handlungsoptionen (z. B. Polderflutung) - Grundlagen für Vorsorge- und Notfallplanungen an der Mittlere Elbe BMBF Vorhaben B RIMAX-Statusseminar, Potsdam

6 Teilprojekte / Partner Federführung: TP 1 Meteorologie TP 2 Hydrologie TP 3 Hydraulik TP 4 Deich-Infosystem Institut für Wasser und Gewässerentwicklung (IWG) Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. F. Nestmann Institut für Meteorologie und Klimaforschung (IMK) Leiter: Prof. Dr. Ch. Kottmeier IWG - Abteilung Hydrologie Leiter: Dr.-Ing. J. Ihringer Partner: Czech Hydrometeorological Institute (CHMI) IWG - Abteilung Numerik im Wasserbau Leiter: Dr.-Ing. P. Oberle / Dipl.-Ing. A.Kron IBF - Arbeitsgruppe Erddammbau und Deponiebau Leiter: Dr.-Ing. A. Bieberstein Partner: Ingenieurbüro Kast + Partner, Ettlingen Kooperation (Datenbereitstellung, Beratung, Begleitkreis): Sächsisches Landesamt für Umwelt und Geologie (LfUG) Landestalsperrenverwaltung des Freistaates Sachsen (LTV) Landesbetrieb für Hochwasserschutz und Wasserwirtschaft Sachsen-Anhalt (LHW) Stadt Dessau (Umweltamt, Katastrophenschutz, Vermessungsamt) BMBF Vorhaben B RIMAX-Statusseminar, Potsdam

7 TP 1: Ziele Hoch aufgelöste Simulationen extremer Niederschläge für das Hochwassermanagement Niederschläge von ausgewählten Extremereignissen werden mit dem Lokal- Modell des Deutschen Wetterdienstes mit einer Auflösung von 7, 2.8 und 1 km berechnet und den anderen Teilprojekten zur Abflussmodellierung und für Folgeuntersuchungen zur Verfügung gestellt. Zur Verbesserung der Bemessungsgrundlagen und Maßnahmen im vorbeugenden Hochwasserschutz soll ferner mit Hilfe von Simulationen die Streubreite der Intensität von Extremereignissen untersucht werden. Nachrechnen von historischen Ereignissen Typen ausgewählte Ereignisse Winterereignisse mit pluvialer Charakteristik 1988, 2003 Winterereignisse Schneeschmelzanteil mit 1987, 2005, 2006 Sommerereignisse nach Vb- Lagen 1981, 1997 (Oder), 2002 Sommerereignisse Westlagen nach 1980 BMBF Vorhaben B RIMAX-Statusseminar, Potsdam

8 TP 1: Hoch aufgelöste Simulationen extremer Niederschläge für das Hochwassermanagement Abschätzung der Variabilität von Niederschlagsereignissen Verschiebung der Wetterlagen relativ zur Orographie Modifizierung der Luftmasseneigenschaften (Feuchte, Temperatur) Änderung der Summe [%] Szenarien Szenarien für Abflussmodellierung BMBF Vorhaben B RIMAX-Statusseminar, Potsdam

9 TP 2: Hydrologische Analyse und Simulation (Überblick) Hydrologische und meteorologische Datenbasis Analyse, Rekonstruktion u. Homogenisierung historischer HW-Ereignisse Modifikation extremer Inputsituationen mit validiertem Lokalmodell (TP 1) Diagnose, Koppelung, Szenarien Hydrologische Modellsysteme (Kooperation IWG ČHMÚ) Erw. Spektrum extremer HW-Situationen: - besser begründete Hochwasserstatistiken; - zuverlässigere operationelle HW-Vorhersage für verschiedene Extremsituationen; - Randbedingungen für HN-Modellierung und Risikobewertung im Zielgebiet; - Planung / op. Management im Gesamt-EZG raumzeitl. u. interdisziplinäre Integration BMBF Vorhaben B RIMAX-Statusseminar, Potsdam

10 TP 2: Grundlagen für eine homogene HW-Statistik der dt. Elbe (hier Dresden) Homogenisierte jährl. Abflussscheitel DD (Annahme: Talsperren bereits ab 1890): Situation oberstrom von Pegel Dresden (DD) ausgewählte Dresden Dečin Pegel 0 bedeutendste Talsperren (TS) der ČR BMBF Vorhaben B RIMAX-Statusseminar, Potsdam V o l u m e n ( 10 6 m 3 ) Übertragung simulierter TS-Wirkung von Dečin auf Dresden (Routing mit Bezug auf beob. Ganglinie) Simulation tägl. Abflussreihen (mit/ohne TS-Wirkung) mit Modellsystem Aqualog (Minist. životního prostředí et al. 2005, Beteiligung des ČHMÚ) Entwicklung des TS-Stauraums im Elbe-EZG Gesamtstauraum TS ges. Elbe-EZG HW-Schutzraum TS ges. Elbe-EZG Gesamtstauraum TS Elbe-EZG in CZ HW-Schutzraum TS Elbe-EZG in CZ Jahr

11 TP2: Entwicklung und Validierung eines stochastischen Modellsystems Zwischengebiet der Elbepegel Dresden-Aken (17,000 km 2 ) Tägl. Abflussreihe (hier: ) Struktur des stochastischen Modellsystems Identifikation der Modellstruktur Kalibrierung, Validierung Extreme HW- Ereignisse Aug-2002, Anwendung/ Extrapolation (ohne Nachkalibrierung) März-2006 BMBF Vorhaben B RIMAX-Statusseminar, Potsdam

12 TP3: Hydraulik Bereitstellung eines operationell einsatzfähigen HN-Modellsystems zur Simulation extremer Hochwassersituationen Erfassung der Strömungscharakteristik Mäandrierende Flussabschnitte Abflussverteilung Fluss - Vorland Mündungsbereich Elbe-Mulde Flutungsmodell Bereich Klieken Operationelle Einsatzfähigkeit Rechendauer Speicherbedarf Veränderbare Topographie (ca. 60 Elbe-km, 140 km 2 - Gesamtfläche) Bereich Klieken MULDE ELBE Mündungsbereich Mulde Mäanderstrecke BMBF Vorhaben B RIMAX-Statusseminar, Potsdam

13 TP3: HN-Modellierung für den operationellen Einsatz Bsp: Schleife bei Coswig Elbe Mulde Rechenzeit für 50h-Ganglinie BMBF Vorhaben B RIMAX-Statusseminar, Potsdam

14 TP3: Interpolierte Wasserspiegellagen & Raster der Wassertiefen 70,00 Interpolierte Wasserspiegellagen entlang der ELBE - Mittellinie 69, _08 ~ 3926m³/s 68, ~ 2550m³/s 67,00 m ü. NHN 66,00 65,00 64,00 63,00 62,00 61,00 60,00 59,00 58,00 57,00 56, ~ 1150m³/s PEILUNG SCHMID 2002_08 PEILUNG SCHMID _w11_g29_s38_-0.2_G5.sz.csv 2002_wAken_m.sz.csv _w11_g29_s38_-0.2_G5.sz.csv FIX 1995 FIX 2002_08 Coswiger Schleife HW 08/2002 Hochwasser 08/ , Kilometrierung entsprechend ELBEINKA BMBF Vorhaben B RIMAX-Statusseminar, Potsdam

15 Zielstellung TP4 TP4: Informationssystem Deiche Ziel Die Zielstellung des Teilprojektes 4 besteht in der Entwicklung und dem Aufbau eines universell einsetzbaren Informations- und Online-Monitoring- Systems für Flussdeiche (IS Deiche) mit den folgenden Schwerpunkten: - Integration von relevanten Unterlagen und Daten zur Deichsicherheit (Geometrie, Einbauten, geotechnische Parameter, Fotos) in georeferenzierter Form in das IS Deiche. - Erfassung der Daten von im Deich installierten Online-Monitoring-Systemen mit dem IS Deiche zur Bestimmung der aktuellen Standsicherheit des Deichkörpers. - Entwicklung eines Bewertungsmoduls für die Bewertung der Deichstandsicherheit im Rahmen der Deichverteidigung unter Berücksichtigung der vorhergesagten Hochwasserwelle. BMBF Vorhaben B RIMAX-Statusseminar, Potsdam

16 TP4: Werkzeug zur Bewertung der Deichstandsicherheit Bewertungswerkzeug Die Entwicklung eines Werkzeuges zur Bewertung der Deichstandsicherheit berücksichtigt die Versagensfälle - Überströmen, - luftseitiger Böschungsbruch infolge instationärer Durchfeuchtung, - Auftriebssicherheit am luftseitigen Böschungsfuß, - hydraulischer Erosionsgrundbruch (Piping) sowie - Abschieben unter Beachtung einer vorhergesagten Hochwasserwelle sowie online gemessenen Sickerwasserständen im Deich bzw. im Deichuntergrund. BMBF Vorhaben B RIMAX-Statusseminar, Potsdam

17 TP4: Werkzeug zur Bewertung der Deichstandsicherheit Bewertungswerkzeug Die Entwicklung eines Werkzeuges zur Bewertung der Deichstandsicherheit berücksichtigt die Versagensfälle - Überströmen, - luftseitiger Böschungsbruch infolge instationärer Durchfeuchtung, - Auftriebssicherheit am luftseitigen Böschungsfuß, - hydraulischer Erosionsgrundbruch (Piping) sowie - Abschieben unter Beachtung einer vorhergesagten Hochwasserwelle sowie online gemessenen Sickerwasserständen im Deich bzw. im Deichuntergrund. BMBF Vorhaben B RIMAX-Statusseminar, Potsdam

18 TP4: Werkzeug zur Bewertung der Deichstandsicherheit Bewertungswerkzeug Die Entwicklung eines Werkzeuges zur Bewertung der Deichstandsicherheit berücksichtigt die Versagensfälle - Überströmen, - luftseitiger Böschungsbruch infolge instationärer Durchfeuchtung, - Auftriebssicherheit am luftseitigen Böschungsfuß, - hydraulischer Erosionsgrundbruch (Piping) sowie - Abschieben unter Beachtung einer vorhergesagten Hochwasserwelle sowie online gemessenen Sickerwasserständen im Deich bzw. im Deichuntergrund. BMBF Vorhaben B RIMAX-Statusseminar, Potsdam

19 TP4: Werkzeug zur Bewertung der Deichstandsicherheit Bewertungswerkzeug Die Entwicklung eines Werkzeuges zur Bewertung der Deichstandsicherheit berücksichtigt die Versagensfälle - Überströmen, - luftseitiger Böschungsbruch infolge instationärer Durchfeuchtung, - Auftriebssicherheit am luftseitigen Böschungsfuß, - hydraulischer Erosionsgrundbruch (Piping) sowie - Abschieben unter Beachtung einer vorhergesagten Hochwasserwelle sowie online gemessenen Sickerwasserständen im Deich bzw. im Deichuntergrund. BMBF Vorhaben B RIMAX-Statusseminar, Potsdam

20 TP4: Werkzeug zur Bewertung der Deichstandsicherheit Bewertungswerkzeug Die Entwicklung eines Werkzeuges zur Bewertung der Deichstandsicherheit berücksichtigt die Versagensfälle - Überströmen, - luftseitiger Böschungsbruch infolge instationärer Durchfeuchtung, - Auftriebssicherheit am luftseitigen Böschungsfuß, - hydraulischer Erosionsgrundbruch (Piping) sowie - Abschieben unter Beachtung einer vorhergesagten Hochwasserwelle sowie online gemessenen Sickerwasserständen im Deich bzw. im Deichuntergrund. BMBF Vorhaben B RIMAX-Statusseminar, Potsdam

21 Deichabschnitte IS Deiche TP4: Deichabschnitte im IS Deiche Online-Messungen BMBF Vorhaben B RIMAX-Statusseminar, Potsdam

22 Buro Messprofile TP4: Deichabschnitte im IS Deiche Deichabschnitt Buro: Lage von Messprofilen zur Erfassung der Durchfeuchtung mittels online-fähigen Messgebern BMBF Vorhaben B RIMAX-Statusseminar, Potsdam

23 Ziele - Quantifizierung der Prozesse bei Extremhochwasser - Entscheidungshilfe in großräumigen Katastrophensituationen Arbeitsziel 1 Module - Verbesserung / Weiterentwicklung bestehender Systeme - Bereitstellung innovativer Module für das operationelle HW-Management - Online-fähige Modellbausteine für flexible praxisorientierte Anwendung - Schnittstellen zu vorhandenen Systemen (Teilprojekte bzw. Behörden) Arbeitsziel 2 Szenarien - Gekoppelte Szenarienrechnung ausgehend von Extremniederschlägen - Nachweis der Einsatzfähigkeit der Systemkomponenten - Prozessverständnis und Ausloten von Handlungsoptionen (z. B. Polderflutung) - Grundlagen für Vorsorge und Notfallplanungen an der Mittlere Elbe BMBF Vorhaben B RIMAX-Statusseminar, Potsdam

24 Ziele - Quantifizierung der Prozesse bei Extremhochwasser - Entscheidungshilfe in großräumigen Katastrophensituationen Arbeitsziel 1 Module - Verbesserung / Weiterentwicklung bestehender Systeme - Bereitstellung innovativer Module für das operationelle HW-Management - Online-fähige Modellbausteine für flexible praxisorientierte Anwendung - Schnittstellen zu vorhandenen Systemen (Teilprojekte bzw. Behörden) Arbeitsziel 2 Szenarien - Gekoppelte Szenarienrechnung ausgehend von Extremniederschlägen - Nachweis der Einsatzfähigkeit der Systemkomponenten - Prozessverständnis und Ausloten von Handlungsoptionen (z. B. Polderflutung) - Grundlagen für Vorsorge und Notfallplanungen an der Mittlere Elbe BMBF Vorhaben B RIMAX-Statusseminar, Potsdam

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