"Simulation des Abflusses nach Starkniederschlagsereignissen in urbanen Räumen mit besonderem Blick auf die Niederschlagsverteilung"

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1 "Simulation des Abflusses nach Starkniederschlagsereignissen in urbanen Räumen mit besonderem Blick auf die " Univ.-Prof. Dr.-Ing. Andreas Schlenkhoff M.Sc. Peter Eichendorff LuFG Wasserwirtschaft und Wasserbau Fachbereich D Abt. Bauingenieurwesen Bergische Universität Wuppertal

2 Folie 2 Gliederung Starkregenereignisses Radarprodukten des DWD Verarbeitung von Rohdaten

3 Folie 3 Motivation der Untersuchung ist die Simulation des Abflusses im urbanen Bereich nach extremen Niederschlägen Hierfür sind Niederschlagsinformationen für Einzugsgebiete kleiner 10 km² erforderlich Die zeitliche Auflösung sollte im Bereich kleiner 5 Minuten liegen Die räumliche Auflösung sollte im Bereich von 1 km² liegen Es soll ein Abflussmodell auf Rasterbasis entwickelt werden In diesem Vortrag wird die betrachtet Es wird beispielhaft ein Einzugsgebiet in Wuppertal betrachtet

4 Folie 4 Wetterlage am Höhentief über Westeuropa führt zu südlichen und südwestlichen Strömungen mit Transport feuchtheißer Luft nach Mitteleuropa Lufttemperaturen ab dem deutschlandweit über 30 C (Tagesspitzen) Am bereits schweres Gewitter über Norddeutschland mit örtlich heftigen Sturmböen Am zieht eine Gewitterfront mit örtlichen Starkregen in nördliche Richtung Radarfilm der Station Essen (DWD) Wert [dbz] > < 16 Daten: Radolan DX-Daten des Deutschen Wetterdienstes (DWD), bearbeitet

5 Folie 5 Wetterlage am Großwetterlage: Höhentief über Westeuropa führt zu südlichen und südwestlichen Strömungen mit Transport feuchtheißer Luft nach Mitteleuropa Lufttemperaturen ab dem deutschlandweit über 30 C (Tagesspitzen) Am bereits schweres Gewitter über Norddeutschland mit örtlich heftigen Sturmböen Am zieht eine Gewitterfront mit örtlichen Starkregen in nördliche Richtung Quelle: zuletzt abgerufen am

6 Folie 6 Starkregen in Wuppertal Übersicht Wuppertal Gesamtdauer: ca. 2 Stunden, davon 70 min mit zum Teil hohen, zeitlich und räumlich sehr variablen Regenintensitäten Regensummen sehr unterschiedlich geprägt: Pluvio Dolinen: 68 mm Pluvio Waldkampfbahn: 11 mm Entfernung ca. 16 km Pluvio KA Schwelm Dauerstufe mm/h l/(s ha) 5 min min min min min min min Gemessene Regenintensitäten Daten: Wuppertaler Stadtwerke (Rohdaten)

7 Folie 7 Starkregen in Wuppertal Gemessene Niederschlagssummen Gesamtdauer: ca. 2 Stunden, davon 70 min mit zum Teil hohen, zeitlich und räumlich sehr variablen Regenintensitäten Regensummen sehr unterschiedlich geprägt: Pluvio Dolinen: 68 mm Pluvio Waldkampfbahn: 11 mm Entfernung ca. 16 km Gemessene Regenintensitäten Daten: Wuppertaler Stadtwerke (Rohdaten)

8 Folie 9 Abflussverhalten der Wupper Übersicht Wupperpegel Reaktion des Pegels Kluserbrücke ab 12:30 (40 min nach Beginn des Niederschlagsereignisses) Pegel Laaken reagiert stark verzögert auf das Regenereignis -> keine Auswirkungen auf den Scheitelwert an der Kluserbrücke Abflussanstieg innerhalb einer Stunde um mehr als 100 m³/s Die Hochwasserwelle erreicht gedämpft Buchenhofen (Fließzeit ca. 75 min entspricht ca. vm = 2 m/s) Gemessener Niederschlag Gemessener Abflussgang am m³/s Quelle Niederschlagsdaten: Wuppertaler Stadtwerke (Rohdaten) Quelle Abflussdaten: Wupperverband (Rohdaten)

9 Folie 10 Abflussverhalten der Wupper Übersicht Wupperpegel Reaktion des Pegels Kluserbrücke ab 12:30 (40 min nach Beginn des Niederschlagsereignisses) Pegel Laaken reagiert stark verzögert auf das Regenereignis -> keine Auswirkungen auf den Scheitelwert an der Kluserbrücke Abflussanstieg innerhalb einer Stunde um mehr als 100 m³/s Die Hochwasserwelle erreicht gedämpft Buchenhofen (Fließzeit ca. 75 min entspricht ca. vm = 2 m/s) Abflusssumme am Gemessener Abflussgang am m³/s 110 m³/s Quelle Niederschlagsdaten: Wuppertaler Stadtwerke (Rohdaten) Quelle Abflussdaten: Wupperverband (Rohdaten)

10 Folie 11 Teileinzugsgebiet Laaken/Kluserbrücke Schlussfolgerung: Das am Pegel Kluserbrücke gemessene Hochwasserereignis bezieht sein Volumen bis etwa 15:00 Uhr einzig dem Teileinzugsgebiet zwischen Laaken und Kluserbrücke. Gebietskenngrößen Fläche: ca. 58 km² Größtes Nebengewässer: Schwelme 8 Niederschlagsstationen Siedlungsentwässerung: meist Trennsystem (außer Schwelm) Nebengewässer häufig verrohrt Topographie: stark geprägte Höhenunterschiede und Gefälle

11 Folie 12 Teileinzugsgebiet Laaken/Kluserbrücke Schlussfolgerung: Das am Pegel Kluserbrücke gemessene Hochwasserereignis bezieht sein Volumen bis etwa 15:00 Uhr einzig dem Teileinzugsgebiet zwischen Laaken und Kluserbrücke. Gebietskenngrößen Fläche: ca. 58 km² Größtes Nebengewässer: Schwelme 8 Niederschlagsstationen Siedlungsentwässerung: meist Trennsystem (außer Schwelm) Nebengewässer häufig verrohrt Topographie: stark geprägte Höhenunterschiede und Gefälle Übersichtskarte Pluvios Legende bearbeiten

12 Folie 13 Teileinzugsgebiet Laaken/Kluserbrücke Schlussfolgerung: Das am Pegel Kluserbrücke gemessene Hochwasserereignis bezieht sein Volumen bis etwa 15:00 Uhr einzig dem Teileinzugsgebiet zwischen Laaken und Kluserbrücke. Gebietskenngrößen Fläche: ca. 58 km² Größtes Nebengewässer: Schwelme Übersichtskarte DGM 8 Niederschlagsstationen Siedlungsentwässerung: meist Trennsystem (außer Schwelm) Nebengewässer häufig verrohrt Topographie: stark geprägte Höhenunterschiede und Gefälle m ü. NHN Legende bearbeiten Höchster Geländepunkt: 357 m ü. NHN Tiefster Geländepunkt: 142 m ü. NHN

13 Folie 14 Teileinzugsgebiet Laaken/Kluserbrücke Vorstellung PC-Raster Oberflächenabflussmodell Rasterbasiertes NA-Modell (Oberflächenabfluss) Bildet gesamtes Einzugsgebiet ab (~ 58 km²) Rasterauflösung 10 x 10 m² Fließwege und Gefälle DGM10 berechnet Niederschlagsbelastung Pluvioganglinien mittels IDW-Verfahren Kinematische Wellenfunktion zur Abflussberechnung Abflussbeiwerte, Verlustraten und Manningbeiwerte werden Flächennutzungen BasisDLM zugeordnet Zeitschritt: 1 min Berechneter und gemessener Abfluss

14 Folie 15 Messdaten Eigenschaften der Messdaten 8 Pluvio-Zeitreihen, Auflösung: 0,5 min Intensitätsschwelle 0,1 mm/min sverfahren Thiessen Polygone Inverses Distanzwichtungsverfahren (IDW) Potenz dritter Ordnung Variabler Suchradius Kriging (Statistisches Verfahren) Ordinary Methode Sphärisches Semivariogramm-Modell Variabler Suchradius Interpoliertes Oberflächenraster (Kriging) Kriging 12:15 MEZ Ergebnisraster Zeitliche Auflösung: 5 min Räumliche Auflösung: 10 x 10 m² Einheit: mm / 5 min

15 Folie 16 Messdaten Mittlerer Gebietsniederschlag Auswertung der sverfahren Summation der 5-Minuten-Raster zu jeweils einem Summenraster (Zeitraum Uhr MEZ) Bildung des Gebietsmittelwerts für jeden 5- Minuten-Zeitschritt (siehe Diagramm rechts) Niederschlagssumme Thiessen- Polygonen Niederschlagssumme Kriging-Rastern Niederschlagssumme IDW-Rastern mm Niederschlagsdaten: Wuppertaler Stadtwerke (Rohdaten)

16 Folie 17 Messdaten Darstellung der Teilgebiete Betrachtung kleinräumigee Teilgebiete Bildung von Gebietsmittelwerten und Niederschlagssummen für Teilgebiete Abweichungen von bis zu 25 % vorhanden Regensummen der Teilgebiete

17 Folie 19 Radarprodukte des DWD RADOLAN Kompositformat (Deutschland): 900 x 900 km² (deckt Bundesgebiet ab) Binärdatenformat, Spezialsoftware notwendig Auflösung der Rasterzellen 1 x 1 km² in polarstereografischer Projektion von 17 Stationen enthalten Diverse Datenprodukte Niederschlagsdaten verschiedener zeitlicher Auflösungen Produkte mit Aneichung verfügbar Quelle: DWD (2013), Messinstrumente der Meteorolgie (siehe Link), zuletzt abgerufen am PDF,templateId=raw,property=publicationFile.p df/wetterradar_pdf.pdf

18 Folie 20 Radarprodukte des DWD RADOLAN Kompositformat (Deutschland): 900 x 900 km² (deckt Bundesgebiet ab) Binärdatenformat, Spezialsoftware notwendig Auflösung der Rasterzellen 1 x 1 km² in polarstereografischer Projektion von 17 Stationen enthalten Diverse Datenprodukte Niederschlagsdaten verschiedener zeitlicher Auflösungen Produkte mit Aneichung verfügbar Quelle: DWD (2013), Messinstrumente in der Meteorolgie Quelle: DWD (2012): Radolan Kurzbeschreibung, zuletzt abgerufen am Leistungen/Radarniederschlagsprodukte/radolankurzbeschreib ung pdf,templateid=raw,property=publicationfile.pdf/radolankurzbeschreibung_pdf.pdf

19 Folie 21 Verwendung von RY und RW Daten Niederschlagssumme RY RY-Daten: 5 min-werte, Niederschlagsintensität R [0,01 mm / 5 min] qualitätsgeprüft, korrigierte Abschattung, berechnete Niederschlägshöhen Ausprägung der Niederschlagswerte viel geringer als Pluvio-Messwerte Nicht verwendbar RW-Daten: 1 h-werte, Niederschlagsintensität R [0,1 mm / h] Zusätzlich mittels Stationsmessungen angeeicht (Eichstationen befinden sich außerhalb des Untersuchungsgebiets) Akzeptable Ausprägung der RW-Daten (vgl. interpolierte Messungen) Zeitliche Auflösung jedoch zu grob für Nutzung als Eingangsgröße für NA-Modell Niederschlagssumme RW < mm

20 Folie 22 Verwendung von RY und RW Daten RY-Daten: 5 min-werte, Niederschlagsintensität R [0,01 mm / 5 min] qualitätsgeprüft, Niederschlagssumme korrigierte Abschattung, berechnete Niederschlägshöhen Ausprägung der Niederschlagswerte viel geringer als Pluvio-Messwerte Nicht verwendbar RW-Daten: IDW-Rastern 1 h-werte, Niederschlagsintensität R [0,1 mm / h] Zusätzlich mittels Stationsmessungen angeeicht (Eichstationen befinden sich außerhalb des Untersuchungsgebiets) Akzeptable Ausprägung der RW-Daten (vgl. interpolierte Messungen) Zeitliche Auflösung jedoch zu grob für Nutzung als Eingangsgröße für NA-Modell Niederschlagssumme RY Niederschlagssumme RW < mm

21 Folie 23 Verwendung von RY- und RW-Daten Auswertung der Daten: Bildung der Gebiets- und Teilgebietsmittelwerte (5-Minuten- Werte) Summation der Werte zur Gebietsregenhöhe Mittlerer Gebietsniederschlag

22 Folie 24 Verwendung von RY- und RW-Daten Auswertung der Daten: Bildung der Gebiets- und Teilgebietsmittelwerte (5-Minuten- Werte) Summation der Werte zur Gebietsregenhöhe Mittlerer Gebietsniederschlag

23 Folie 25 Verwendung von Rohdaten (DX-Format, Radarstation Essen) RADOLAN DX-Format Ausdehnung : 360 (Azimutwinkel) x 128 km (Kreis mit Radius von 128 km um eine Radarstation) Polare Rasterung: 1 x 1 km pro Rasterzelle Binärdatenformat, Spezialsoftware zur Bearbeitung notwendig (z.b. Nutzung der OpenSource Python-Library wradlib möglich) Rasterwerte in dbz (Einheit der Radarreflektivität) Zur Umrechnung in Regenintensitäten ist Fachwissen erforderlich Üblicherweise folgende Bearbeitungsschritte notwendig/möglich: Beseitigung von Cluttern (Falschechos) Abschattungskorrektur Dämpfungskorrektur Skalierung der Reflektivität [dbz] in die Regenintensität

24 Folie 26 Verwendung von Rohdaten (DX-Format, Radarstation Essen) DX--Visualisierung für das Untersuchungsgebiet Wert [dbz] dbz > extrem stark / Hagel sehr stark stark mäßig leicht < 16 minimal

25 Folie 27 Verarbeitung der DX-Daten 1. Abschattungskorrektur: vernachlässigbar, da keine topographisch bedingten Abschattungen im Untersuchungsgebiet vorhanden sind 2. Clutterkorrektur: keine relevanten Clutterstrukturen im Gebietssektor vorhanden, daher Verzicht auf Clutterkorrektur 3. Skalierung der Reflektivität Z in die Regenintensität R Diagramm einfügen R c Z Z 10 d dbz /10 mm h mm 3 m Verschiedene R-Z-Beziehungen anwendbar: Beziehung c d R-Z stratiform 0,025 0,694 R-Z (DWD) 0,020 0,704 R-Z Marshall Palmer 0,037 0,625 R-Z konvektiv 0,015 0,707 6 Quelle: Krämer et al. (2009): Korrektur von C-Band- für die Niederschlag-Abfluss-Modellierung, Korrespondenz Wasserwirtschaft 2009 (2), Nr.9.

26 Folie 28 Verarbeitung der DX-Daten DX-Rohdaten exemplarisch Wert [dbz] dbz > < 16 Berechnete Regenintensitäten mm/h

27 Folie 29 Auswertung der DX-Daten Bildung der Gebiets- und Teilgebietsmittelwerte (5-Minuten- Werte) Summation der Werte zur Gebietsregenhöhe Niederschlagssumme DX-Daten < mm Mittlere Gebietssumme des Niederschlags (29 mm) zu niedrig Vor allem der östliche Bereich (Schwelm) wird stark unterschätzt Zusätzliche Bearbeitung der Daten nötig

28 Folie 30 Verarbeitung der DX-Daten Verfahren zur Dämpfungskorrektur nach Kraemer Ausgehend von der Radarstation wird jedem dbz-wert entlang eines radialen Strahls ein Korrekturwert zugeordnet und hinzuaddiert Der Korrekturwert wird der Summe der zurückliegenden Korrekturwerte gebildet dbz i dbz i dbz a, a dbz i i 1 a i j 0, a 10 dbz korrigierter dbz-wert unkorrigierter dbz-wert j /10 b Linearkoeffizient (~1E-04 3E-06) b Exponent (0,65-1,0) gewählte Parameter : a = 3*10-5, b = 0,80 Krämer et al. (2009): Korrektur von C-Band- für die Niederschlag-Abfluss-Modellierung, Korrespondenz Wasserwirtschaft 2009 (2), Nr.9.

29 Folie 31 Dämpfungskorrektur der DX Daten DX-Rohdaten (volle Ausdehnung) DX-Rohdaten (Einzugsgebiet) Wert [dbz dbz > < 16

30 Folie 32 Dämpfungskorrektur der DX Daten Korrigierte DX-Daten (volle Ausdehnung) Korrigierte DX-Daten (Einzugsgebiet) Wert [dbz dbz > < 16

31 Folie 33 Dämpfungskorrektur der DX Daten Korrigierte DX-Daten (volle Ausdehnung) Differenz (korrigiert - unkorrigiert) dbz Korrigierte DX-Daten (Einzugsgebiet) Wert [dbz dbz > < 16

32 Folie 34 Niederschlagssumme Dämpfungskorrektur Niederschlagssumme ohne vorige Dämpfungskorrektur Niederschlagssumme mit voriger Dämpfungskorrektur mm Differenz mm Niederschlagssumme (IDW)

33 Folie 35 Darstellung der Teilgebiete Auswertung der den gewonnenen Niederschlagswerte Bildung der Gebiets- und Teilgebietsmittelwerte (5-Minuten-Werte) Summation der Werte zur Gebiets bzw. Teilgebietsregenhöhe Mittlere Regenintensitäten Mittlere Niederschlagssummen der Teilgebiete

34 Folie 36 Darstellung der Teilgebiete Auswertung der den gewonnenen Niederschlagswerte Bildung der Gebiets- und Teilgebietsmittelwerte (5-Minuten-Werte) Summation der Werte zur Gebiets bzw. Teilgebietsregenhöhe Niederschlagssummen (Gesamtgebiet) Mittlere Niederschlagssummen der Teilgebiete

35 Folie 37 Nachbildung der von konvektiven Starkregeneignissen mit räumlich und zeitlich stark variablen Charakter bleibt herfordernd Niederschlagsmessungen liefern punktförmige Stichproben mit hoher zeitlicher Auflösung, die räumliche setzt jedoch kontinuierliche Übergänge vor Niederschlagshöhen der angeeichten (RW-Format) liegen im Größenbereich der Pluvio-Messdaten, die zeitliche Auflösung von einer Stunde ist jedoch für NA-Simulationen im kleinräumigen urbanen Bereich zu gering Die sonstigen getesteten Radarprodukte (RY, DX) liefern für das betrachtete Ereignis am keine befriedigenden Niederschlagshöhen Auch die Dämpfungskorrektur der DX-Daten erzeugt keine reichende Erhöhung der Niederschlagshöhen im Osten des Einzugsgebietes Weiterer Forschungsbedarf dringend gegeben