Hochwasserschutzplan Solmsbach

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1 Regierungspräsidium Gießen Hochwasserschutzplan Solmsbach Fachbericht Niederschlag-Abfluss-Modell Aachen, Februar 2009 Auftragnehmer:

2 Wir danken allen Beteiligten für die Hilfestellungen bei der Bearbeitung und die jederzeit freundliche und kooperative Zusammenarbeit. Projektbearbeitung Dipl.-Ing. Heidrun Bültmann Dipl.-Ing. Rainer Räder Dipl.-Kart. (FH) Susanne Friedeheim Dr.-Ing. Oliver Buchholz Dipl.-Ing. Ulrich Wolf-Schumann Redaktion M.A. Geogr. Birgitt Charl Das Titelbild zeigt den Solmsbach am Oberlauf in Brandoberndorf. Aachen, Februar 2009 (Dr.-Ing. Oliver Buchholz) (ppa. Dipl.-Ing. Ulrich Wolf-Schumann) Hydrotec Ingenieurgesellschaft für Wasser und Umwelt mbh Bachstraße D Aachen Jegliche anderweitige, auch auszugsweise, Verwertung des Berichtes, der Anlagen und ggf. mitgelieferter Projekt-CD außerhalb der Grenzen des Urheberrechts ist ohne schriftliche Zustimmung des Auftraggebers unzulässig. Dies gilt insbesondere auch für Vervielfältigungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Projektnummer P1073 Anzahl der Ausfertigungen 2 Ausfertigungsnummer 2 1 Auflage 1 Februar 2009 Seite I

3 Inhaltsverzeichnis Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Anlagenverzeichnis III IV IV 1 Erstellung des hydrologischen Modells Datengrundlage Systemstruktur Modellierung der Abflussbildung Bodenkenndaten Landnutzung Elementarflächen Geländemodell Bauwerke Vorhandene RRB, RÜB und KA Potenzielle Rückhalteräume Retentionseigenschaften Gewässer Modellbelastung Niederschlag Temperatur und Verdunstung Abflusszeitreihen der Pegel Kalibrierung des hydrologischen Modells Kalibrierung Hochwasserereignisse Validierung mit dem HW-Ereignis August Ermittlung von Bemessungsabflüssen / Hydrologischer Längsschnitt Methodik Empirische Wahrscheinlichkeiten Überprüfung des Abflussspektrums Abflussscheitelwerte für den Istzustand Literatur 25 Februar 2009 Seite II

4 Abbildungsverzeichnis Abbildung 1-1: Einzugsgebiet des Solmsbachs mit Kommunengrenzen... 1 Abbildung 1-2: Bodentypen im Untersuchungsgebiet... 3 Abbildung 1-3: Bodenarten der obersten Bodenschicht... 4 Abbildung 1-4: Darstellung der Bodenmächtigkeit im Einzugsgebiet des Solmsbaches... 5 Abbildung 1-5: Landnutzung nach DLM Abbildung 1-6: Zusammengefasste Landnutzung für NASIM... 7 Abbildung 1-7: Geländemodell im 10*10m Raster (überhöht dargestellt)... 9 Abbildung 1-8: Potenzielle Speicherstandorte nach Literaturrecherche Abbildung 1-9: Niederschlagszeitreihen Zuordnung (Datenquelle TIMIS) Abbildung 2-1: Abflussereignis Februar / März Abbildung 2-2: Abflussereignis Februar Abbildung 2-3: Abflussereignis Januar Abbildung 2-4: Simulationsergebnis Ereignis Abbildung 3-1: Zeitlicher Verlauf von Modellregen (DVWK 1999) Abbildung 3-2: Lage der Teilgebiete zum KOSTRA-Raster Abbildung 3-3: Voranalyse der Niederschlagswerte nach KOSTRA Abbildung 3-4: Prüfung des Abflussspektrums am Pegel (Vergleich Pegelstatistik und Ergebnisse mit Bemessungsniederschlag) Abbildung 3-5: Hydrologischer Längsschnitt Istzustand D=3 h Abbildung 3-6: Hydrologischer Längsschnitt Istzustand D=12 h Februar 2009 Seite III

5 Tabellenverzeichnis Tabelle 1-1: Übersicht der Systemstruktur... 2 Tabelle 1-2: Bodenart der obersten Bodenschicht nach Flächenanteil... 5 Tabelle 1-3: Landnutzung NASIM nach Flächenanteil... 7 Tabelle 1-4: Niederschlagsstationen Tabelle 1-5: Vergleich der Jahressummen Tabelle 3-1: Anfangsbodenfeuchte für D = 3 h Tabelle 3-2: Tabelle der vorabgestimmten Pegelkenngrößen Anlagenverzeichnis Anlage 1: Hydrologischer Längsschnitt Istzustand D=3 h und D=12 h Februar 2009 Seite IV

6 1 Erstellung des hydrologischen Modells 1.1 Datengrundlage Das Einzugsgebiet des Solmsbaches liegt in den Gemeinden Solms, Braunfels, Schöffengrund, Weilmünster, Waldsolms, Langgöns, Gravenwiesbach, Usingen und Butzbach. Abbildung 1-1: Einzugsgebiet des Solmsbachs mit Kommunengrenzen 1.2 Systemstruktur Die Aufbereitung der Rohdaten erfolgte auf der Basis der Gebietseinteilung nach der Gewässerstationierung (GSK 3b, 2007). Es wurden die dichtbesiedelten Bereiche sowie wichtige Nebengewässer zusätzlich abgegrenzt. Ebenfalls erfolgte die Teilgebietseinteilung in Hinblick auf mögliche Speicherstandorte. Februar 2009 Seite 1

7 Hieraus resultiert eine Unterteilung des 112,49 km² großen Einzugsgebiets in 85 Systemelemente mit einer mittleren Teilgebietsgröße von 1,44 km². Tabelle 1-1: Übersicht der Systemstruktur Gesamtanzahl Beschreibung Fläche [ha] 85 Systemelemente Summe ,12 ha 78 Elemente mit Teilgebiet ~ 144,22 ha 39 Transportelemente (davon 32 mit Teilgebiet) 7 Transportelemente (ohne Teilgebiet) 1.3 Modellierung der Abflussbildung Bodenkenndaten Im hydrologischen Modell sind Bodenkenndaten und Flächennutzungsdaten wesentliche Größen für die Prozesse der Abflussbildung, d. h. die Aufteilung des Abflusses in die Anteile Oberflächenabfluss, Interflow und Basisabfluss. Über die Flächennutzung wird bestimmt, wie groß der Rückhalt durch die Vegetation (Interzeption) und der Verlust durch Verdunstung ist. Als Grundlage der Modelldatensatzerstellung wurden die entsprechenden Blätter L5516 Wetzlar (Auflage 2006) und L5716 Bad Homburg (Auflage 2006) der digitalen Bodenkarten 1: des Hessischen Landesamtes für Umwelt und Geologie, Wiesbaden, verwendet. Die Bodenarten unterscheiden sich im Welkepunkt (WP), in der Feldkapazität (FK), im Gesamtporenvolumen (GPV) und der gesättigten hydraulischen Leitfähigkeit (kf-wert). Diese Parameter bestimmen das Wasserspeichervermögen des Bodens und die Infiltrations- und Exfiltrationskapazität. Im Einzugsgebiet des Solmsbaches dominieren Braunerden mit einem hohen Anteil an mittel tonigem Schluff (Ut3) (vgl. Tabelle 1-2), die sich durch eine hohe Wasserspeicherkapazität und hoher nutzbarer Feldkapazität auszeichnen. In den Bereichen von Gewässern und Siedlungsbereichen lagen keine Bodeninformationen vor. In den angrenzenden Bereichen dominieren Pseudogleye. Daher wurden die fehlenden Bodenangaben durch die angrenzenden Pseudogleye ergänzt. In der topografischen Karte TK 25 sind mehrere Grubenstandorte nordöstlich von Bonbaden und Braunfels Oberndorf verzeichnet (z. B. Grube Prinz Alexander, Grube Margaretenhöhe, Grube Ferdinand usw.). Historisch wurde in dieser Region Eisenerz abgebaut. Die Region Lahn-Dill-Kreis wurde jahrzehntelang geprägt vom Eisenerzabbau und Verhüttung. Es wurden zahlreiche Gruben um Wetzlar in Betrieb genommen, häufig verfügten sie nur über eine geringe Förderkapazität und die Vorkommen waren bis auf wenige Ausnahmen schnell erschöpft. In den stillgelegten Stollen können sich auch heute noch große Wassermengen ansammeln und zwischenspeichern. Februar 2009 Seite 2

8 Abbildung 1-2: Bodentypen im Untersuchungsgebiet Februar 2009 Seite 3

9 Abbildung 1-3: Bodenarten der obersten Bodenschicht Bodenmächtigkeit sowie Anzahl und Dicke der einzelnen Bodenschichten sind maßgeblich für die Verweilzeiten des Wassers im Bodenkörper. Im Einzugsgebiet des Solmsbaches schwanken die Bodenmächtigkeiten regional, in der Regel um 1 m. Im nordöstlichen Bereich steigen sie jedoch auf bis zu 2 m an; dort dominiert Ackernutzung. Februar 2009 Seite 4

10 Abbildung 1-4: Darstellung der Bodenmächtigkeit im Einzugsgebiet des Solmsbaches Tabelle 1-2: Bodenart der obersten Bodenschicht nach Flächenanteil Bodenart Fläche [ha] Fläche [%] Sl4 0,85 0,0 Ut2 1,68 0,0 Ls3 2,91 0,0 Us 5,71 0,1 Tu3 8,51 0,1 Ut4 424,37 3,8 Uls 1181,46 10,5 Lu 1214,17 10,8 Ut3 8409,49 74, , Februar 2009 Seite 5

11 1.3.2 Landnutzung Die Flächennutzung basiert im gesamten Untersuchungsgebiet auf dem DLM25 (Digitales Landschaftsmodell, 1:25:000, LUA, 2001) (vgl. Abbildung 1-5). Diese wurde unter hydrologischen Aspekten in die Kategorien: Acker, Grünland, Siedlung, Wald und Sondernutzung wie Infrastruktur zusammengefasst (vgl. Tabelle 1-3). Abbildung 1-6 zeigt die Verteilung der Landnutzung nach dem DLM25 im Einzugsgebiet. Es lässt sich grob festhalten, dass die südlichen und südwestlichen Bereiche durch Waldnutzung dominert werden. Im ufernahen Bereich, besonders im Mittel- und Unterlauf, haben sich größere Siedlungsbereiche gebildet. An diese grenzen größere Bereiche mit landwirtschaftlicher Nutzung an, die durch Ackerbau dominiert werden. Nur die gewässernahen Flächen werden als Grünflächen bewirtschaftet. Abbildung 1-5: Landnutzung nach DLM25 Februar 2009 Seite 6

12 Abbildung 1-6: Zusammengefasste Landnutzung für NASIM Tabelle 1-3: Landnutzung NASIM nach Flächenanteil Nutzungstyp Fläche [ha] Fläche [%] DLM25 Infrastruktur 3,25 0,0 3103, 3302, 3501 Siedlung 902,25 8,0 2111, 2112, 2113, 2114 Grünland 1.515,02 13,5 2202, 2213, 2227, 2228, 4102, 4103, 4109 Ackerland 2.448,99 21, Wald 6.379,60 56,7 4107, ,12 100,00 Februar 2009 Seite 7

13 1.3.3 Elementarflächen Aus der Überlagerung von Boden- und Flächennutzung ergeben sich sogenannte Elementarflächen, deren Eigenschaften im N-A-Modell die Prozesse der Abflussbildung steuern. Eine Elementarfläche ist gekennzeichnet durch einheitliche Landnutzung und Bodeneigenschaften Geländemodell Der Oberflächenabfluss im Modell wird mithilfe von Zeitflächenfunktionen berechnet. Durch den Weg des Wassers auf der Geländeoberfläche kommt es zwischen Niederschlag und Abfluss am Gebietsausgang zu einer Translation. Als Datengrundlage stand das digitale Höhenmodell DGM50 für Hessen zur Verfügung. Als Parameter zur Beeinflussung der Zeitflächenfunktion dienen die Rauheit der Oberfläche als Kst-Wert, die Fließtiefen am Hang und am Hangfuß sowie die Flächengröße (Oberliegeranzahl eines Rasterpunktes), ab der der Gerinneabfluss beginnt. Über Gefälle und Lage der einzelnen Rasterpunkte zueinander werden anhand der Oberliegeranzahl eines jeden Rasterpunktes der Fließweg und die Zeitflächenfunktion je Teilgebiet aus dem DGM50 mittels GIS- Anwendung erzeugt und dem hydrologischen Modell als Eingangsdaten zur Verfügung gestellt. Der Zeitflächenfunktion ist ein Einzellinearspeicher zur Berücksichtigung der Retention des Oberflächenabflusses nachgeschaltet. Die Retentionskonstante Oberflächenabfluss wurde in Abhängigkeit vom mittleren Teilgebietsgefälle ermittelt. Februar 2009 Seite 8

14 Abbildung 1-7: Geländemodell im 10*10m Raster (überhöht dargestellt) 1.4 Bauwerke Vorhandene RRB, RÜB und KA Vom Auftraggeber wurden sowohl Einleitungsstellen sowie Einleitungsmengen übergeben. Da es sich aber um ein Hochwassermodell handelt, wurden diese nicht berücksichtigt, da sie im Hochwasserfall eine sehr untergeordnete Bedeutung haben. Februar 2009 Seite 9

15 1.4.2 Potenzielle Rückhalteräume Folgende historische Unterlagen wurden gesichtet und in Hinblick auf potenzielle Rückhalteräume und auf das generelle Abflussverhalten ausgewertet: - Bericht des Wasserwirtschaftsamtes Dillenburg zum Hochwasser Studie Abflussregelung Solmsbach Weil Emsbach (WWA Dillenburg 1982) - Generelle Untersuchung zur Anlage von Rückhaltebecken im mittleren und unteren Solmsbachtal, 1984, Ing. Büro Hoffmann mit den Stellungsnahmen der Hessischen Landesanstalt für Umwelt, des Wasserwirtschaftsamtes Dillenburg und des Regierungspräsidenten in Gießen - Verbesserung der Abflussverhältnisse am Solmsbach in den Gemarkungen Burgsolms und Oberndorf, Vorprojekt, Ing. Büro Hoffmann, 1985, Auftraggeber Stadt Solms - Verbesserung der Abflussverhältnisse am Solmsbach in der Ortslage Bonbaden, Vorprojekt, Ing. Büro Hoffmann, 1986 Auftraggeber Stadt Solms - Gutachten über die Auswirkungen dezentralen Retentionsmaßnahmen auf die Hochwassersituation des Solmsbaches, 1988, Fink, L. Prof. Dr.-Ing., Auftraggeber Lahn-Dill- Kreis - Verbesserung der Abflussverhältnisse am Solmsbach in den Gemarkungen Burgsolms und Oberndorf, Ing. Büro Rauchfuß, 1989 Auftraggeber Stadt Solms mit Planfeststellungsbescheid - Retentionskataster Hessen (bearbeitet für den Solmsbach 1998) Als Ergebnis der Literaturauswertung konnten die in Abbildung 1-8 dargestellten Standorte mit ihren festgelegten Staukoten und abgeschätzten Retentionsvolumina festgehalten werden. Ihre Überprüfung durch Hydrotec führte zu einer neuen Festlegung der maximalen Staukote auf der Basis des vorhandenen DGM. Dies erfolgte unter Berücksichtigung von Restriktionen, wie vorhandene Bebauung und Infrastruktur. Ebenfalls fand eine Ergänzung der potenziellen Standorte um zusätzliche mögliche Standorte statt. Die Analyse der potenziellen Retentionsräume findet sich im Fachbericht Maßnahmen, Kapitel 2. Februar 2009 Seite 10

16 Abbildung 1-8: Potenzielle Speicherstandorte nach Literaturrecherche 1.5 Retentionseigenschaften Gewässer Zur Abbildung der Retention im Gewässer und im Vorland wurden für den Solmsbach (km bis ) Abflusskurven aus der Wasserspiegellagenberechnung erstellt. Somit können Ausuferungen, Vorlandretention und Rückstaueinflüsse im hydrologischen Modell berücksichtigt werden. In Nebengewässern wurden die Gerinneeigenschaften mithilfe von repräsentativen Querprofilen je Systemelement beschrieben. 1.6 Modellbelastung Niederschlag Es lagen Niederschlagsdaten für die Station Usingen und Langgöns-Espa vor. Die Station Usingen liegt etwa 6 km südlich des Einzugsgebietes. Die Station Langgöns-Espa grenzt unmittelbar an das Einzugsgebiet in südwestlicher Richtung. Februar 2009 Seite 11

17 Tabelle 1-4: Niederschlagsstationen Langgöns- Espa Nummer Höhe [mnn] Stationsname Rechtswert Hochwert Intervall [min] von Zeitraum Usingen Cleeberg Die Daten der Station Langgöns-Espa liegen für einen Zeitraum vom bis für die Monate April bis Dezember vor. Durch die fehlenden Werte in den Wintermonaten konnte diese Station nicht zur Kalibrierung verwendet werden. Die Station Usingen liefert aufgezeichnete Daten für den Zeitraum bis in 15-Minuten- Auflösung. Die Station Cleeberg ist die einzige Station, die verlässliche Niederschlagsdaten für das Hochwasserereignis 1981 liefert. Im Rahmen des TIMIS-Projekts 1 wurden mit dem geostatistischen Interpolationswerkzeug Intermet (Interpolation meteorologischer Größen) für das Untersuchungsgebiet TIMIS- Nord und somit auch für das Lahneinzugsgebiet Gebietsniederschläge und Klimaparameter berechnet. Freundlicherweise wurden diese Niederschlags-, Temperatur- und relative Luftfeuchtedaten vom Landesamt für Umwelt, Wasserwirtschaft und Gewerbeaufsicht des Landes Rheinland-Pfalz, Herr Demuth, zur Verfügung gestellt. Die Daten liegen für das Einzugsgebiet des Solmsbaches im 2-km-Raster für den Zeitraum bis mit einer stündlichen Auflösung vor. Zu Analysezwecken wurden die Niederschlagsjahressummen für beide möglichen Datenquellen aufbereitet. Es wurden die Ganglinien der Station Usingen ausgewertet und dem Mittelwert der Modellbelastung nach TIMIS gegenübergestellt. bis Tabelle 1-5: Vergleich der Jahressummen Hydrolog. Jahr (1.11 bis ) Station Usingen Mittelwert Modellbelastung TIMIS [mm/a] [mm/a] ,29 494,66 5, ,90 761,09 4, ,00 568,45-3, ,20 712,77 0, ,79 685,15-13, ,10 712,42 13, ,60 596,47 0,09 Abweichung Station Usingen zu TIMIS [%] 1 Februar 2009 Seite 12

18 Belastet man das gesamte Einzugsgebiet mit den Werten der Einzelstation Usingen, führt dies zu einer deutlichen Modellreaktion mit hohen Scheitelwerten und steil ansteigenden und abfallenden Ästen. Die Verwendung von interpolierten Gebietsniederschlägen führt in der Regel zu gering ausgeprägten Abflussereignissen, da der Gebietsniederschlag in der Regel nur geringe Niederschlagsintensitäten aufweist. Die Verknüpfung in NASIM erfolgte mit dem geringsten Abstand des Rasterzellenmittelpunktes zum Flächenschwerpunkt des Teilgebietes. Die Verknüpfungen sind identisch für Niederschlag, Temperatur und Verdunstung. Abbildung 1-9: Niederschlagszeitreihen Zuordnung (Datenquelle TIMIS) Temperatur und Verdunstung Die potenzielle Verdunstung und die Temperaturdaten stammen ebenfalls aus der Interpolationsberechnung mit Intermet. Die aktuelle Verdunstung wurde in NASIM auf der Basis der Temperatur und Luftfeuchte nach dem Verfahren nach Haude berechnet. Die Zuordnung erfolgte analog wie die Niederschlagsreihen (vgl. Abbildung 1-9). Februar 2009 Seite 13

19 1.6.3 Abflusszeitreihen der Pegel Der Pegel Bonbaden weist einen Messzeitraum vom bis zum auf. In diesem Zeitraum finden sich Ereignisse bis zu einer Höhe von 25,80 m³/s ( und ). Der Wert vom wird als Fehlwert eingestuft. Das extremste historische Abflussereignis trat im August 1981 mit einem maximalen Abfluss von 45 m³/s auf. Bei diesem Ereignis wurden zahlreiche Bereiche überströmt und es traten hohe Schäden in den Siedlungsbereichen auf. Daher wird angestrebt, mit der Station Cleeberg dieses Ereignis nachzubilden. Der hydrologische Längsschnitt des Istzustandes wurde auf der Basis der in Kapitel 3.2 dargestellten Grundlagendaten erstellt. Februar 2009 Seite 14

20 2 Kalibrierung des hydrologischen Modells 2.1 Kalibrierung Hochwasserereignisse Zur Kalibrierung fanden Modellsimulationen mit der Station Usingen und alternativ den TI- MIS Daten statt. Verwendet man als Modellbelastung die Station Usingen, wird das gesamte Einzugsgebiet mit der gleichen Niederschlagsintensität belastet. Die Modellkalibrierung erfolgte durch Testrechnung mit beiden möglichen Niederschlagsbelastungen. Die Berechnungen erfolgten in 15-Minuten-Schrittweite unter der Simulationsoption nichtlineare Bodenfunktion mit Interflow als Direktabfluss mit einem 2-Schichtboden. Simulationen mit dieser Belastung überschätzen jedoch Extremereignisse; dies gilt besonders für Starkregenereignisse, wie z. B. Gewitter. Eine zeitliche sehr hohe Belastungsintensität über einer größeren Gebietsfläche ist jedoch sehr unwahrscheinlich. Hohe Niederschlagsintensitäten mit einem großräumigen Auftreten führen im Modell zur Bildung von Direktabfluss infolge von Infiltrationsüberschuss mit hohen Anteilen von natürlichem Oberflächenabfluss. Die Abflussganglinie besitzt einen steilen Verlauf mit deutlich ausgeprägter Hochwasserspitze. Eine Berechnung auf der Basis der TIMIS Niederschläge wurde mit den gleichen Eichparametern durchgeführt. Eine zeitliche Auflösung der TIMIS Daten von einer 1-Stunden- Schrittweite führt zu einer Nivellierung der realen Niederschlagsintensitäten im Vergleich zu 15-Minuten-Werten. Ein Gebietsniederschlag beschreibt die räumliche Variabilität der Niederschlagsereignisse besser. Er führt zu größeren Infiltrationswassermengen beim Ansatz mit gleichen Modellparametern. Es bestätigen sich aber die ermittelten Retentionskonstanten. Februar 2009 Seite 15

21 - Pegel Messwert - NASIM N-Station Usingen - NASIM N-Daten TIMIS - N-Station Usingen - N-Daten TIMIS Abbildung 2-1: Abflussereignis Februar / März Pegel Messwert - NASIM N-Station Usingen - NASIM N-Daten TIMIS - N-Station Usingen - N-Daten TIMIS Abbildung 2-2: Abflussereignis Februar 2003 Februar 2009 Seite 16

22 - Pegel Messwert - NASIM N-Station Usingen - NASIM N-Daten TIMIS - N-Station Usingen - N-Daten TIMIS Abbildung 2-3: Abflussereignis Januar Validierung mit dem HW-Ereignis August 1981 Das Hochwasser von 1981 ist eines der höchsten Ereignisse, die am Solmsbach in den letzten Jahrzehnten aufgetreten sind. In den Unterlagen des WWA Dillenburg von September 1981 wird die Entstehung des Hochwassers beschrieben. In der ersten Woche im August wurden Niederschlagsmengen von 5 bis 10 mm für das Einzugsgebiet des Solmsbaches und den Nachbargebieten aufgezeichnet. In der Nacht vom auf den und am fielen ergiebige Niederschlagsmengen. An der Station Cleeberg wurden in den Jahren 1977 bis 1980 als Monatsmittelwerte 71,2 mm aufgezeichnet. Im Jahr 1981 lagen sie bei 169,1 mm. Im Zeitraum vom bis zum fielen an der Station Cleeberg 152 mm Niederschlag. Tageswert: bis = 6,6 mm = 62,4 mm = 86,7 mm = 2,9 mm Februar 2009 Seite 17

23 Die Station Cleeberg liegt etwa 10 bis 15 km vom Einzugsgebiet entfernt. Bei der Betrachtung der Niederschlagsreihe wird deutlich, dass das Ereignis aus zwei Phasen mit hoher Niederschlagsintensität bestand. Die Intensitäten in der ersten Phase stiegen bis auf einen Maximalwert von 15 mm/h an. In der zweiten Phase lagen diese bei ca. 9 mm/h. Im Einzugsgebiet ist keine weitere Station vorhanden, sodass die räumliche Heterogenität dieses Starkniederschlagsereignisses nicht bekannt ist. Die Abbildung der tatsächlichen räumlichen Niederschlagssituation im Einzugsgebiet wäre nur mit einer unverhältnismäßig aufwendigen Recherche möglich. Die verbleibende Unsicherheit wirkt sich negativ auf die Abbildung dieses Ereignisses mit dem Modell aus. Mithilfe des NA-Modells und den gefundenen Parametern der kontinuierlichen Simulation und sehr geringer Bodenvorfeuchte wird das Ereignis, wie in Abbildung 2-4 dargestellt, berechnet. Die Messreihe des Pegels zeigt einen fast kontinuierlichen Anstieg der Abflüsse bis zum Scheitelwert. Die auf der Basis der Niederschlagsreihe (unterer Teil der Abbildung) simulierte Abflussreihe besteht hingegen aus einem zweigipfligen Ereignis. In der Realität konnte der Boden wahrscheinlich in der ersten Phase deutlich mehr Niederschlag in sehr kurzer Zeit speichern, als durch das Modell abgebildet wird. Die Modellreaktion auf den Niederschlagsinput entspricht den Erwartungen. Der Intensitätsverlauf des Niederschlages mit zwei zeitlich getrennten Phasen hoher Intensität muss im Modell zu einem zweigipfligen Abflussereignis führen. Diese Unsicherheit über die räumliche Niederschlagsverteilung kann nicht beseitigt werden. Dies hat besonders für die Vorlaufphase des Abflussscheitels eine große Bedeutung. Der ermittelte Parameterdatensatz führt in Bezug auf den Scheitel und den HW-Rückgang zu einer sehr guten Abbildung des gemessenen Abflussereignisses. Die simulierte Ganglinie kann mit ihrer zweiten Welle die Messreihe sowohl im zeitlichen Verlauf als auch im Volumen und in der Wellenform gut nachbilden. Das Modell ist somit prinzipiell in der Lage die Wellenform und Volumina von Extremereignissen richtig wiederzugeben. Februar 2009 Seite 18

24 - NASIM - Messwerte - Niederschlagssumme - Niederschlag 15-Minuten-Schritte Abbildung 2-4: Simulationsergebnis Ereignis 1981 Februar 2009 Seite 19

25 3 Ermittlung von Bemessungsabflüssen / Hydrologischer Längsschnitt 3.1 Methodik Mit dem Hessischen Landesamt für Umwelt und Geologie (HLUG) wurden die HQ T -Werte für den Pegel Bonbaden abgestimmt. Mittels KOSTRA 2000-Simulationen unter Wahl abgestufter Bodenfeuchteanfangsbedingungen und einer gewählten Regendauer von 3 h sind hydrologische Längsschnitte für den Istzustand für den Solmsbach berechnet worden. Dabei wurde eine DVWK-Verteilung nach Merkblatt 124 DVWK (1999) (mittenbetonter Niederschlagsverlauf) zugrunde gelegt. Die abgestuften Anfangsbodenfeuchten für die 3 h- Ereignisse sind in Tabelle 3-1 aufgeführt. Mit ihnen lässt sich für den Istzustand ohne Becken das HQ T aus der Pegelstatistik am Pegel reproduzieren. Abbildung 3-1: Zeitlicher Verlauf von Modellregen (DVWK 1999) Maßgeblich für die Beckenfüllen sind jedoch 12 h-niederschläge, die bei gleichen Spitzenabflüssen eine größere Abflussfülle erzeugen. Diese sind jedoch mit hohen Anfangsbodenfeuchten zu kombinieren, da sie Ereignisse mit langer Dauer und mit gewisser Vorfeuchte repräsentieren. Für hundertjährlichen Niederschlag variieren die N-Summen zwischen 50 und 60 mm für 3 h und zwischen 65 und 85 mm für 12 h. Februar 2009 Seite 20

26 Tabelle 3-1: Anfangsbodenfeuchte für D = 3 h Anfangsbodenfeuchte T Feldkapazität [a] [%] Abbildung 3-2: Lage der Teilgebiete zum KOSTRA-Raster Februar 2009 Seite 21

27 Anlayse Niederschlagsmenge D=3h Niederschlagsumme [mm] Jährlichkeit [a] Abbildung 3-3: Voranalyse der Niederschlagswerte nach KOSTRA Empirische Wahrscheinlichkeiten Mithilfe der mit dem Auftraggeber vorab festgelegten Pegelkenngrößen lässt sich das Abflussspektrum des Modells überprüfen. Tabelle 3-2: T (a) Tabelle der vorabgestimmten Pegelkenngrößen HQ [m³/s] 1 8, , , , , , , , ,60 Februar 2009 Seite 22

28 3.3 Überprüfung des Abflussspektrums Mit dem kalibrierten Modells und synthetischen Modellniederschlägen nach KOSTRA 2000 lassen sich zunächst für den Pegel die hydrologischen Kenngrößen berechnen. Stellt man die Pegelkenngrößen mit den Ergebnissen der Berechnung der Bemessungsabflüsse am Pegel gegenüber, erhält man die Abbildung 3-4. Für die Jährlichkeiten T = 5 a, 10 a, 20 a, 50 a und 100 a lässt sich eine sehr gute Übereinstimmung erkennen. Abflussspektrum Pegelstatistik NA-Modell 35 Abfluss (m³/s) Jährlichkeit T(a) Abbildung 3-4: Prüfung des Abflussspektrums am Pegel (Vergleich Pegelstatistik und Ergebnisse mit Bemessungsniederschlag) 3.4 Abflussscheitelwerte für den Istzustand Für den Istzustand sind hydrologische Längsschnitte mittels KOSTRA 2000-Simulationen unter Wahl abgestufter Bodenfeuchteanfangsbedingungen und einer gewählten Regendauer von 3 h für den Solmsbach berechnet worden. Die Abbildung 3-5 zeigt diese für die Jährlichkeiten T = 5 a, 10 a, 20 a, 50 a, 100a sowie T = 380 a, was einem um 30 % erhöhten HQ 100 entspricht. Dieses 1,3*HQ 100 wurde über Faktorisierung aus den HQ 100 -Abflüssen abgeleitet und nicht auf der Basis der KOSTRA-Niederschläge berechnet. In der Anlage 1 findet sich der hydrologische Längsschnitt in tabellarischer und grafischer Form für die Dauerstufe 3 h. Da für die Speicherdimensionierung eine Regendauer von 12 h maßgeblich ist, wurde diese in Februar 2009 Seite 23

29 Abbildung 3-6 dargestellt. Detailliertere Hinweise zu den Randbedingungen finden sich im Fachbericht Maßnahmen. Abbildung 3-5: Hydrologischer Längsschnitt Istzustand D=3 h Abbildung 3-6: Hydrologischer Längsschnitt Istzustand D=12 h Februar 2009 Seite 24

30 4 Literatur Deutscher Verband für Wasserwirtschaft und Kulturbau e. V. (DVWK) (Hrsg.) (1999): DVWK-Schriften 124: Hochwasserabflüsse. Verlag Paul Parey, Hamburg und Berlin. Fink, L. (1988): Gutachten über die Auswirkungen dezentraler Retentionsmaßnahmen auf die Hochwassersituation des Solmsbaches Prof. Dr.-Ing. Fink, FH Giessen-Friedberg, erstellt für den Kreisausschuss des Lahn-Dill-Kreises. HGN Hydrologie GmbH im Auftrag des Regierungspräsidiums Gießen: Retentionskataster Hessen (Solmsbach bearbeitet 1998) Ingenieurbüro Hoffmann (Juni 1986): Verbesserung der Abflussverhältnisse am Solmsbach in der Ortslage Bonbaden Vorprojekt, erstellt für das Magistrat der Stadt Braunfels. Ingenieurbüro Hoffmann (Okt. 1986): Verbesserung der Abflussverhältnisse am Solmsbach in den Gemarkungen Burgsolms und Oberndorf Vorprojekt, erstellt für das Magistrat der Stadt Braunfels. Ingenieurbüro Rauchfuß (Juli 1989): Verbesserung der Abflussverhältnisse am Solmsbach in den Gemarkungen Burgsolms und Oberndorf, erstellt für das Magistrat der Stadt Solms (mit Planfeststellungsbescheid). Wasserwirtschaftsamt Dillenburg (Febr. 1982): Studie Abflussregelung Solmsbach Weil Emsbach. Wasserwirtschaftsamt Dillenburg (Sept. 1981): Bericht über das im August aufgetretene Hochwasser im Dienstbezirk des Wasserwirtschaftsamtes Dillenburg. Verwendete EDV-Programmsysteme ArcGIS, Version ESRI, Redlands, CA, USA ArcView, Version ESRI, Redlands, CA, USA Jabron, Version Hydrotec Ingenieurgesellschaft für Wasser und Umwelt mbh, Aachen NASIM, Version Hydrotec Ingenieurgesellschaft für Wasser und Umwelt mbh, Aachen TimeView, Version Hydrotec Ingenieurgesellschaft für Wasser und Umwelt mbh, Aachen Februar 2009 Seite 25