Simulation der Binnenzuflüsse zum Nord-Ostsee-Kanal als Beitrag für eine vorausschauende Wasserbewirtschaftung
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- Benedikt Hauer
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1 Simulation der Binnenzuflüsse zum Nord-Ostsee-Kanal als Beitrag für eine vorausschauende Wasserbewirtschaftung Anna-Dorothea Ebner von Eschenbach 1, Jochen Hohenrainer 1, Christian Elpers 2, Martin Hunger 2 & Sabine Vollmer 2 1 Bundesanstalt für Gewässerkunde, 2 Aquantec - Gesellschaft für Wasser und Umwelt mbh 8. Hydrologisches Gespräch am 03. Juni 2016 in Husum von 09:30 Uhr bis 16:00 Uhr Seite 1
2 Gliederung Funktionen des Nord-Ostsee-Kanals Zielstellung & Methodik Wasserhaushaltsmodellierung Kanalbilanzmodellierung Instrumente der vorausschauenden Wasserbewirtschaftung Fazit 8. Hydrologisches Gespräch am 03. Juni 2016 in Husum von 09:30 Uhr bis 16:00 Uhr Seite 2
3 Nord-Ostsee-Kanal Quelle: WSV Der Nord-Ostsee-Kanal, Nov Hydrologisches Gespräch am 03. Juni 2016 in Husum von 09:30 Uhr bis 16:00 Uhr Seite 3
4 NOK als Wasserschifffahrtsstraße Steckbrief: Länge: ca. 100 km Breite: 162 m (NOK-km 0 bis NOK-km 87), 102,5 m Sohltiefe von 11 m 2 Hauptschleusen (Brunsbüttel/ Kiel-H.) 10 Brücken, 2 Wehre, 2 Schleusen Quelle: WSV Der Nord-Ostsee-Kanal, Nov Hydrologisches Gespräch am 03. Juni 2016 in Husum von 09:30 Uhr bis 16:00 Uhr Quelle: WSV Der Nord-Ostsee-Kanal, Seite Nov
5 NOK als Vorfluter Steckbrief: Größe des Einzugsgebietes: 1530 km² 4 Hauptnaturräume (korr.) Niederschlag: 910 mm/a ( ) reale Verdunstung: 500 mm/ a ( ) Abflusshöhe: 410 mm/a ( ) (20 m³/s) 8. Hydrologisches Gespräch am 03. Juni 2016 in Husum von 09:30 Uhr bis 16:00 Uhr Seite 5
6 Ziel: vorausschauende Wasserbewirtschaftung des Nord-Ostsee-Kanals zur Gewährleistung der Sicherheit der Anlagen eines möglichst reibungslosen Ablaufs des Schiffsverkehrs Quelle: WSV des Betriebs der Wasserstraße einschließlich des Querverkehrs durch die Fähren Quelle: BfG 8. Hydrologisches Gespräch am 03. Juni 2016 in Husum von 09:30 Uhr bis 16:00 Uhr Seite 6
7 Antworten auf Fragen finden Welche Wasservolumina fließen dem Kanal Wann & Wo zu? Wie groß ist das Abflussvolumen während einer Entwässerungsphase mit sich ändernden Wasserspiegeldifferenzen? 48 Std. Wie häufig traten/ treten Grenzzustände in der Bewirtschaftung des NOKs auf? 21 Jhd. Auftrag der Wasser- und Schifffahrtsverwaltung des Bundes (GDWS Nord mit den Ämtern Brunsbüttel & Kiel-Holtenau) an die Bundesanstalt für Gewässerkunde 8. Hydrologisches Gespräch am 03. Juni 2016 in Husum von 09:30 Uhr bis 16:00 Uhr Seite 7
8 Modellsysteme im Gesamtauftrag operationelles Vorhersagemodellsystem (bis 48 h) Wasserbewirtschaftungsmodellsystem für Langzeitbetrachtungen (bis 2100) (Version 1 ist aufgebaut) Kanalbilanzmodell NOK Stundenzeitschritt (Aufbau abgeschl.) Wasserhaushaltsmodell (LARSIM) Einzugsgebiet NOK Tageszeitschritt (im Aufbau) hydrodynamisches Modell NOK Stundenzeitschritt Entscheidungsunterstützungssystem operationelle Kanalbewirtschaftung Langzeitsimulation Ableitung von Grenzzuständen der Bewirtschaftung 8. Hydrologisches Gespräch am 03. Juni 2016 in Husum von 09:30 Uhr bis 16:00 Uhr Seite 8
9 Steckbrief der Modellierung & Herausforderungen Strategie Kalibrierung/ Validierung Ergebnisse SIMULATION DER BINNENZUFLÜSSE 8. Hydrologisches Gespräch am 03. Juni 2016 in Husum von 09:30 Uhr bis 16:00 Uhr Seite 9
10 Steckbrief der Modellierung Modellsystem: LARSIM Zeitliche Auflösung: 1 Tag (1 Stunde im westlichen Gebiet) Räumliche Auflösung: 1x1 km², 1527 Rasterzellen Meteorologische Eingangsdaten: o Niederschlag: 30 SYNOP-Stationen (IDW, REGNIE, Korrektur nach Richter) o Lufttemperatur, Globalstrahlung / Sonnenscheindauer, Luftdruck, relative Luftfeuchte und Windgeschwindigkeit für Verdunstungsansatz nach Penman-Monteith Kalibrierung / Validierung an der Hydrologie (Q) 8. Hydrologisches Gespräch am 03. Juni 2016 in Husum von 09:30 Uhr bis 16:00 Uhr Seite 10
11 Naturräumliche Einordnung Pegel Wennbüttel Hochwasser südwestliches Modellgebiet: Marsch & Altmoränenlandschaft Pegel Flintbek Hochwasser Brümmer, G. und Schroeder, D. (1971): Landschaften und Böden Schleswig-Holsteins- insbesondere: Böden der Marsch- Landschaft. In: Mitteilungen der Deutschen Bodenkundlichen Gesellschaft 13, Seiten nordöstliches Modellgebiet: Jungmoränenlandschaft (Vorgeest/ Hügel.) 8. Hydrologisches Gespräch am 03. Juni 2016 in Husum von 09:30 Uhr bis 16:00 Uhr Seite 11 Brümmer, G. und Schroeder, D. (1971): Landschaften und Böden Schleswig-Holsteins- insbesondere: Böden der Marsch- Landschaft. In: Mitteilungen der Deutschen Bodenkundlichen Gesellschaft 13, Seiten 7-57.
12 Datenbasis & Parameter Referenzdaten (u.a. Messfehler, -Unsicherheiten) 60% des Gebietes sind ohne Abflussbeobachtungen Datenverfügbarkeit 8. Hydrologisches Gespräch am 03. Juni 2016 in Husum von 09:30 Uhr bis 16:00 Uhr Seite 12
13 Datenbasis & Parameter 18 Schöpfwerke (Leistung, Lage, Fläche, Steuerung) Schöpfwerke Schöpfwerke (Echtzeitdaten) Geschöpftes Gebiet: 250 km² (größte SW Kudensee Nord mit einer Fläche von ca. 80 km²) 16 % des EZG 8. Hydrologisches Gespräch am 03. Juni 2016 in Husum von 09:30 Uhr bis 16:00 Uhr Seite 13
14 Datenbasis & Parameter 18 Schöpfwerke (Leistung, Lage, Fläche, Steuerung) Geschöpftes Gebiet: 250 km² (größte SW Kudensee Nord mit einer Fläche von ca. 80 km²) 16 % des EZG 8. Hydrologisches Gespräch am 03. Juni 2016 in Husum von 09:30 Uhr bis 16:00 Uhr Seite 14
15 Datenbasis & Parameter Seensteuerung (Nach-Kalibrierung) am Beispiel des Pegels Osterrönfeld/Wehrau (Einfluss durch den Wardersee) 8. Hydrologisches Gespräch am 03. Juni 2016 in Husum von 09:30 Uhr bis 16:00 Uhr Seite 15
16 Steckbrief der Modellierung & Herausforderungen Strategie Kalibrierung/ Validierung Ergebnisse SIMULATION DER BINNENZUFLÜSSE 8. Hydrologisches Gespräch am 03. Juni 2016 in Husum von 09:30 Uhr bis 16:00 Uhr Seite 16
17 Kalibrierung / Validierung Kalibrierung (9 Jahre, ), Validierung an den 13 kalibrierten Pegeln 5 Jahre ( u ) 2stufiges Vorgehen (Hauptaugenmerk: Mündungsnahster Pegel) 1. Gesamter Abflussbereich (Niedrig-, Mittel- und Hochwasser) 2. Einzelne Hochwasserereignisse (Scheitel, Fülle, Form) Winterereignisse Sommerereignisse 1 Oktober November Dezember 2001 März 2002 Juli August Oktober - November Januar März März April November Dezember Februar April Januar Februar 2011 August September Dezember 2011 Januar Hydrologisches Gespräch am 03. Juni 2016 in Husum von 09:30 Uhr bis 16:00 Uhr Seite 17
18 Herausforderungen Strategie Kalibrierung/ Validierung Ergebnisse SIMULATION DER BINNENZUFLÜSSE 8. Hydrologisches Gespräch am 03. Juni 2016 in Husum von 09:30 Uhr bis 16:00 Uhr Seite 18
19 Östliches Hügelland Pegel FLINTBEK Pegel Flintbek, Eider (128 km²) Feb 2002 / K Juli 2002 / K Jan 2012 / V 8. Hydrologisches Gespräch am 03. Juni 2016 in Husum von 09:30 Uhr bis 16:00 Uhr Seite 19
20 Hohe Geest Pegel TODENBÜTTEL Mrz 2005 / K Pegel Schafstedt, 22 km² Pegel Todenbüttel, 89 km² Pegel SCHAFSTEDT Mrz 2005 / K Jan 2012 / V Jan 2012 / V 8. Hydrologisches Gespräch am 03. Juni 2016 in Husum von 09:30 Uhr bis 16:00 Uhr Seite 20
21 Fazit Gute Erfassung der großen Hochwasserereignisse im Bereich des östlichen Hügellandes. Tendenz zur Überschätzung kleinerer und mittlerer Hochwasserereignisse im Sommer im Bereich des östlichen Hügellandes. Häufige Überschätzung der Hochwasserspitzen v.a. in den westlichen Bereichen (Hohe Geest): Papenau, Todenbüttel, Wennbüttel, Schafstedt. Tendenz zur Unterschätzung der Winterabflüsse und Überschätzung der Sommerabflüsse im Bereich der Vorgeest und Hohen Geest. 8. Hydrologisches Gespräch am 03. Juni 2016 in Husum von 09:30 Uhr bis 16:00 Uhr Seite 21
22 SIMULATION DER BEWIRTSCHAFTUNG DES KANALS 8. Hydrologisches Gespräch am 03. Juni 2016 in Husum von 09:30 Uhr bis 16:00 Uhr Seite 22
23 1 Entwässerung Nord-Ostsee-Kanal Planmäßiger Mindestwasserstand NHN -0,20 m (= 4,80 m ü PNP) Unterelbe (Nordsee) Nord-Ostsee-Kanal (Kieler Förde) Ostsee 8. Hydrologisches Gespräch am 03. Juni 2016 in Husum von 09:30 Uhr bis 16:00 Uhr Seite 23
24 Bilanzmodell BEWASYS NOK Kontinuierliche Eingangsreihen / Zustandsparameter Zufluss aus dem Einzugsgebiet Niederschlag / Verdunstung Schleusungen pro Tag Außenwasserstände und Binnenwasserstände 8. Hydrologisches Gespräch am 03. Juni 2016 in Husum von 09:30 Uhr bis 16:00 Uhr Seite 24
25 Bilanzmodell BEWASYS NOK Kontinuierliche Eingangsreihen / Zustandsparameter Zufluss aus dem Einzugsgebiet Niederschlag / Verdunstung Schleusungen pro Tag Außenwasserstände und Binnenwasserstände Entwässerungsleistung, -Steuerung SZENARIEN Umläufe & Schütze Umläufe & Siele 8. Hydrologisches Gespräch am 03. Juni 2016 in Husum von 09:30 Uhr bis 16:00 Uhr Seite 25
26 SIM Kanalwasserstände in m PNP Feb 2002 Jan 2007 Jan Hydrologisches Gespräch am 03. Juni 2016 in Husum von 09:30 Uhr bis 16:00 Uhr Seite 26
27 Q KH (m³/s) Q BrB (m³/s) Wst (m PNP) Ereignis Jan 2012 (5.0 m) BrB (ohne UML) KH 4 Schütze Siel 8 Schütze Siel 16 Schütze Siel 16 Schütze Siel / Umlauf Hydrologisches Gespräch am 03. Juni 2016 in Husum von 09:30 Uhr bis 16:00 Uhr Seite 27
28 Ausblick Detaillierte Ergebnisanalyse (u.a. Analyse der kleinen Hochwasserereignisse im Kanal) Minimierung der Unsicherheiten in den Eingangsdaten (bzw. Parameter), soweit wie möglich Verfeinerung des gegenwärtig im Modell implementierten Algorithmus zur Steuerung der Entwässerung in Brunsbüttel und Kiel-Holtenau 8. Hydrologisches Gespräch am 03. Juni 2016 in Husum von 09:30 Uhr bis 16:00 Uhr Seite 28
29 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Dr.-Ing. Anna-Dorothea Ebner von Eschenbach Quantitative Gewässerkunde Bundesanstalt für Gewässerkunde Am Mainzer Tor Koblenz Tel.: 0261/ EbnerVonEschenbach@bafg.de 8. Hydrologisches Gespräch am 03. Juni 2016 in Husum von 09:30 Uhr bis 16:00 Uhr Seite 29
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