Abflussbildung bei Hochwasser

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1 Abflussbildung bei Hochwasser Dieter Gutknecht, Technische Universität Wien

2 Abflussbildung bei Hochwasser Resultate der Teilprojekte WP HYDROLOGIE TP02 Analyse regionaler Ereignisabflussbeiwerte TP04 Rekonstruktion der Pegeldurchflüsse im Katastrophengebiet Schwerpunkt Kamp, Aist und Naarn WP DONAU TP04 Hydrologie Donau

3 Analyse regionaler Ereignisabflussbeiwerte in Österreich Projektleitung : Günter Blöschl Sachbearbeiter: Ralf Merz, Juraj Parajka, Christian Reszler Abflussbeiwert h A / h N = Abflusshöhe / Niederschlagshöhe Zielsetzung des Projektes: Bestimmung von Ereignisabflussbeiwerten für Pegeleinzugsgebiete in Österreich Analyse dieser Abflussbeiwerte als Funktion verschiedener Einflussgrößen Vergleich mit dem im August 2002 aufgetretenen Hochwasser

4 Einbezogene Daten Niederschlag Stündliche Werte Tageswerte 143 Stationen 1066 Stationen Abfluss Stündliche Werte 326 Stationen Einzugsgebietsgröße... zwischen 80 und km 2 Zeitraum... (maximal) Anzahl der Ereignisse... ca

5 Ergebnisse: Mittlere Abflussbeiwerte für Ereignisse mit einer Niederschlagshöhe zwischen 10 und 50 mm a) größer 50 mm b)

6 Ergebnisse Unterscheidung von 6 Regionen in Hinblick auf die Abflussbereitschaft in Österreich Abflussbeiwert Mittel Standabw. Größt Alpennordrand Ostösterreich Waldviertel und Mühlviertel Steiermark und südliches Burgenland Südliches Kärnten Hochalpine Gebiete Tirols und Osttirols 0,5 0,8 0,1 0,1 0,2 groß 0,5 0,2 0,4 0,45 groß 0,6 0,45 0,6

7 Ergebnisse: Relation zwischen Abflusshöhe und Niederschlagshöhe für 4 ausgewählte Einzugsgebiete Ritzenried Pitze Lunz Ois Zwettl Kamp Schützen Wulka

8 Variabilität: Verteilungsfunktion der Abflussbeiwerte 1 Schützen 0.8 Unterschreitungshäufigkeit Zwettl Ritzenried Lunz Abflussbeiwert

9 Abflussbeiwert des größten und des zweitgrößten Ereignisses der Datenreihe a) b)

10 Einfluss verschiedener Einflussgrößen Ereignisniederschlagshöhe 1 (1) 10 < h N < 50 mm (2) h N > 50 mm (3) h N > 100 mm Jahreszeit Sommer Winter plus 25 % Unterschreitungshäufigkeit ψ 1 ψ 2 ψ 3 Anteil der Schneeschmelze Vorregen ohne/klein mit/groß bis plus 100 % Abflussbeiwert

11 Schematische Darstellung des Einflusses von Vorbefeuchtung Ereignisniederschlagshöhe Niederschlagsintensität Abflussbeiwert große Vorbefeuchtung Einfluss der Niederschlagsintensität große kleine Niederschlagshöhe kleine Vorbefeuchtung Ereignisbeginn Zeit

12 Direktabflusshöhen in der Kampregion für verschiedene Hochwasserereignisse Direktabflusshöhe (mm) Zwettl/Kamp Zwettl/Zwettl 50 Rastenberg Kaltenbrunn 0208_1 Frauenhofen 0208_1 0208_1 0208_ _ _ _ Ereignisniederschlag (mm)

13 Einordnung des Hochwasserereignisses August 2002 im Kampgebiet Überproportionale Zunahme der Abflussbeiwerte Verstärkung der Außerordentlichkeit der Niederschläge Seltene Hochwässer sind größer als die über Extrapolation abgeleiteten Extrapolierbarkeit auf seltene Ereignisse aus Angaben über häufigere Ereignisse: Unterschiedliche Situation in den verschiedenen Regionen Österreichs Genauere Einzeluntersuchung notwendig in manchen Regionen: Wald-, Mühlviertel, Steiermark; südl. Kärnten,...

14 Rekonstruktion der Pegeldurchflüsse im Katastrophengebiet Schwerpunkt Kamp, Aist und Naarn Projektteam: BMLFUW: Abteilung VII/3 Wasserhaushalt (HZB): R. Godina, P.Lorenz, G. Müller, V. Weilguni Hydrographischer Dienst Niederösterreich: Ch. Krammer Hydrographischer Dienst Oberösterreich: Ch. Wakolbinger, M. Wimmer Zielsetzung Rekonstruktion der Durchflussganglinien an den Messstellen des Hydrographischen Dienstes im Einzugsgebiet der Naarn, der Aist und am Kamp

15 Rekonstruktion der Durchflussganglinien Messstellen z.t. stark beschädigt, zerstört Lücken in den Wasserstandsaufzeichnungen Extrapolation der Pegelschlüssel in bisher noch nicht beobachtete Bereiche Durchführung: Berücksichtigung von Abflussmessungen,die während des Hochwassers durchgeführt wurden Hydraulische Berechnungen, Geländeaufnahmen Bilanzierungen Abgleich mit Oberlieger- und Zubringerpegel

16 Ergebnisse: Rekonstruktion der Durchflussganglinien Ablauf des Hochwassers im unteren Mühlviertel Wiederkehrzeiten der Scheiteldurchflüsse in den Einzugsgebieten [m³/s] Feldaist, Aist... weit über 100 Jahre Kefermarkt/Feldaist Weitersfelden/Waldaist Pfahnlmühle/Waldaist Schwertberg/Aist Freistadt/Feldaist Benachbarte Gebiete: Rodl, Kleine Gusen... In den letzten Jahren lokal größere Ereignisse als im August 2002

17 Ergebnisse: Rekonstruktion der Durchflussganglinien Beispiel: Kamp-Einzugsgebiet [m³/s] Zwettl / Kamp Rastenberg / Purzelkamp Stiefern / Kamp

18 Abflussbildung: Beispiel Kamp-Gebiet Durchgang zweier Niederschlagsfronten mit unterschiedlichen Auswirkungen Erste Überregnung > Anstieg auf 100 m3/s Zweite Intensitätsspitze > Steilanstieg der Welle 800, , ,0 m 3 /sec 500,0 400,0 300, Niederschlag [mm/6h] 200,0 100,0 50 0, Zufluss gerechnet Flächenniederschlag [mm/6h]

19 Ergebnisse: Jährlichkeiten der Ereignisse Einschätzung der Jährlichkeit bei außergewöhnlichen Ereignissen Einbeziehung außergewöhnlicher Ereignisse hat starken Einfluss auf den Verlauf der theoretischen Verteilungsfunktion Beispiel 1: Beispiel 2: Zwettl/Kamp Berechnung ohne Stiefern/Kamp zusätzliche bzw. mit Berücksichtigung des Einbeziehung von Daten über historische außergewöhnlichen Ereignisses Überflutungen Abflussspitze [m 3 /s] beobachtete Werte GEV - vor 2002 GEV - nach 2002 Ereignis 2002: 460 m3/s Abflussspitze [m 3 /s] Jahresreihe GEV - vor 2002 GEV - nach 2002 Ereignis 2002: 800 m3/s Jährlichkeit Jährlichkeit

20 Ergebnisse: Jährlichkeiten der Ereignisse Hochwasser vom August 2002 Gewässer < HQ10 HQ10 - HQ30 HQ30 - HQ50 HQ50 - HQ100 > HQ100

21 Ergebnisse: Jährlichkeiten der Ereignisse Hochwasser vom August 2002 Gewaesser < HQ10 HQ10 - HQ30 HQ30 - HQ50 HQ50 - HQ100 > HQ 100

22 Schlussfolgerungen Augusthochwasser 2002 in vieler Hinsicht ein extremes Naturereignis Hydrographisches Messnetz hat sich der Konzeption nach bewährt (Messnetzdichte, Lage der Stationen), soweit die Bemessungswerte nicht überschritten wurden Schäden an und Zerstörung von Messstellen > Planung und Einrichtung von Messstellen, die auch extremen Ereignissen standhalten Notwendigkeit der Ausstattung der Hydrographischen Landesdienststellen mit ausreichend Personal: neben laufendem Betrieb und Hochwasserdienst > Aufbereitung und Rekonstruktion vergangener Hochwasserereignisse

23 Hydrologie Donau Projektteam: Technische Universität Wien: D. Gutknecht, M. Tritthart DonauConsult: R. Schmalfuß, M. Fuchs Wasserstraßendirektion: Ch. Kölbl, W. Bors Verbund Austrian Hydro Power AG - AHP: H. Schimpf, H. Grüner, H.-P. Allmer SCIETEC: G. Reichel Zielsetzung: Harmonisierung der Durchflussangaben an der Donau Identifikation von Problembereichen Übersicht über bestehende Durchflussberechnungen und Modelle Empfehlungen zum Monitoring

24 Abgleich der Durchflussangaben für die Donau Durchführung Basisdaten: Hydrografische Daten: Wasserstände, Fließgeschwindigkeiten, Durchflüsse, Wehrberichte,Wasserspiegellängenschnitte, Pegelschlüssel Stromsohlenvermessungen Überflutungsgrenzen Berichte: Hochwasserdokumentation, Bilanzierung, etc. Grundlage: Bilanzen der Verbund AHP Summenlinien: Zu- und Abflüsse für alle Stauräume Optimierung der Bilanzen: Anpassung der Durchflüsse im Scheitelbereich Anpassung des zeitlichen Verlaufes der Vorlandflüsse Ermittlung des maximalen Retentionsvolumens

25 Ergebnisse: Wasserstandsganglinien P. Korneuburg OW EBW Neue Donau P. Kuchelau P. Nussdorf P. Floridsdorfer Brücke P. Reichsbrücke OW DKW Freudenau m ü.a

26 Ergebnisse: Retentionsvolumina Abwinden-Asten Wallsee-Mitterkirchen Wallsee-Mitterkirchen Ybbs-Persenbeug Ybbs-Persenbeug Melk Melk Altenwörth Altenwörth Greifenstein Greifenstein Freudenau Freudenau Hainburg 330 Mio. m3 150 Mio. m3 70 Mio. m3 170 Mio. m3 190 Mio. m3 90 Mio. m3 340 Mio. m3

27 Durchflussverlauf an der Niederösterreichischen Donau m³/s Wallsee Ybbs Melk Kienstock Altenwörth Greifenstein Freudenau

28 Modellierung Modelle und ihre Aussagekraft 1D: St. Venant`sche Gleichungen Nicht darstellbar: Horizontale und vertikale Geschwindigkeiten, Neigung der Gewässeroberfläche im Querschnitt, quer zur Fließrichtung gerichtete Ausuferungsvorgänge, etc. 2D: Flachwassergleichungen Nicht darstellbar: Vertikale Geschwindigkeitsverteilung,Querneigung der Wasseroberfläche durch Krümmungen 3D: Reynoldsgleichungen Alle Fließphänomene prinzipiell darstellbar, Einschränkungen aber durch Turbulenzmodell gegeben Turbulenzmodelle Bestandteil von 2D- und 3D- Modellen; Hauptunterschied: Annahme er Wirbelviskosität > Transport turbulenter Strukturen möglich/ nicht möglich

29 Modellierung -Erforderliche Datengrundlagen 1D Querprofile des Flusslaufs und der Vorländer, Abmessungen von Flussbauwerken, Sohlrauheiten, Durchflussganglinie (oben), Wasserstand (unten) 2D Digitales Geländemodell mit Strukturkanten als Polygonzüge, Abmessungen von Flussbauwerken, detaillierte Kenntnis über Bewuchs bzw. Rauheitsverteilung, Lage von Zufluss- und Abflussrändern sowie dort vorliegende Ganglinien 3D Gleiche Datengrundlage wie für 2D-Modelle, aber zur Ausschöpfung der Modellfähigkeiten in noch größerer Genauigkeit erforderlich ( z.b. Laserscan, Fächerecholot )

30 Maßnahmenprogramm Hochwassermonitoring Einrichtung einer Projektgruppe: Wasserstraßendirektion, Verbund Austrian Hydro Power AG; Hydrografische Dienste OÖ, NÖ, Wien; wissenschaftliche Begleitung Ausarbeitung und Umsetzung eines Messprogramms: Ergänzend erforderliche Messstellen Erforderliche Messstelleneinrichtungen und Messgeräte Zuständigkeiten Regelung der Durchführung im Hochwasserfall Sicherung der Messeinrichtungen gegen Versagen bei sehr großen Ereignissen Generelle Vorgangsweise zur Datenauswertung und Konsolidierung Einbeziehung innovativer Messverfahren: ADCPs auf unbemannten Messbooten, Ultraschallmessverfahren Erfassung redundanter Daten zur Beurteilung der Zuverlässigkeit im Ereignisfall Verbesserung der Datenverfügbarkeit