Hochwasser 06/2013: Erkenntnisse aus der Nachrechnung

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1 Technische Universität Dresden Fakultät Bauingenieurwesen Institut für Wasserbau und Technische Hydromechanik 37. Dresdner Wasserbaukolloquium 2014 Simulationsverfahren und Modelle für Wasserbau und Wasserwirtschaft Block 1 Saal 3 Hochwasser 06/2013: Erkenntnisse aus der Nachrechnung an Gera und Ilm Stefan Schmid Marcel Glebe Auch an Gera und Ilm ereignete sich im Mai/Juni 2013 ein Hochwasser beträchtlichen Ausmaßes. Da für den Unterlauf beider Gewässer bereits hydronumerische Modelle existierten, konnte auf Grundlage von aufgenommenen Hochwassermarken und Pegelaufzeichnungen das Ereignis nachgerechnet werden. Dabei konnten wertvolle Erkenntnisse zum Verhalten der Gewässer gewonnen werden, und es konnte auch weiterer Klärungsbedarf abgeleitet werden. 1 Charakteristik der Einzugsgebiete An Gera und Ilm war das Hochwasserereignis vom Mai/Juni 2013 von beträchtlichem Ausmaß, auch wenn es nicht die Extremwerte erreichte wie im Osten Thüringens an Pleiße und Weißer Elster. Sowohl an der Gera als auch an der Ilm waren am Mittel- und Unterlauf Ereignisse im Bereich eines 50- bis 100- jährlichem Wiederkehrintervalls zu verzeichnen. Dabei zeigten sich deutlich die unterschiedlichen Gewässercharakteristika der beiden unmittelbar benachbarten Einzugsgebiete: Die Größe der Einzugsgebiete sowie der Höhenunterschied sind bei beiden Gewässer annähernd identisch. Doch während das Einzugsgebiet der Ilm schmal und langgestreckt verläuft, ist das Einzugsgebiet der Gera im Oberlauf breit und teilt sich auf mehrere Nebeneinzugsgebiete mit ähnlich großem Teileinzugsgebiet auf. Der größte Nebenfluss der Gera, die Apfelstädt, mündet unmittelbar südlich von Erfurt in die Gera, wobei die Teileinzugsgebiete von Apfelstädt und Gera etwa gleich groß sind. Tabelle 1 Wesentliche Kenngrößen der Einzugsgebiete von Gera und Ilm (TLUG, 1998) Höhenunterschied Quelle-Mündung Länge Größe Einzugsgebiet Gera ca. 800 m 85 km 1090 km² Ilm ca. 800 m 134 km 1043 km 2 Dies hat unmittelbare Auswirkungen auf den Ablauf des Hochwasserereignisses, wie anhand der Pegelaufzeichnungen im Mittel- und Unterlauf der Gera und der Ilm gezeigt werden kann: Die Hochwasserganglinie am Pegel Möbisburg an der

2 46 Hochwasser 06/2013: Erkenntnisse aus der Nachrechnung an Gera und Ilm Gera, kurz unterhalb der Mündung der Apfelstädt, weist ausgeprägte, spitze Scheitel auf. Da die Gera unterhalb von Erfurt bis zur Mündung fast vollständig eingedeicht ist, bleiben diese Scheitel in weiteren Verlauf erhalten und flachen nur geringfügig ab. Die Hochwasserwelle an der Ilm ist hingegen langgestreckt, die einzelnen Scheitel überlagern sich und sind im Unterlauf nicht mehr klar zu trennen. Dafür ist die Scheitelhöhe an der Ilm auch nur etwa halb so groß wie an der Gera. Abbildung 1: Einzugsgebiete, Gewässernetz und relevante Einzugsgebiete von Gera und Ilm Abbildung 2: Abfluss und Wasserstandsganglinien an relevanten Pegeln von Gera und Ilm während des Hochwassers vom Mai/Juni 2013

3 Dresdner Wasserbauliche Mitteilungen, Heft Dresdner Wasserbaukolloquium 2014 Simulationsverfahren und Modelle für Wasserbau und Wasserwirtschaft 47 Block 1 Saal 3 Im Rahmen der Erstellung von Hochwasserschutzkonzepten und Planungen existieren bereits hydronumerische Modelle für die Gera und die Ilm. Diese wurden für Nachrechnungen des Hochwasserereignisses 06/2013 genutzt, wovon nachfolgend berichtet wird. 2 Pegelkalibrierung an der Gera Um über gesicherte Abflusswerte zu verfügen, wurden die Gera-Pegel Möbisburg und Ringleben 1 neu kalibriert. Dazu wurde das Gewässerbett bis zur Böschungsoberkante ca. 100 m stromauf und stromab des Pegels detailliert vermessen. Diese Vermessungsdaten wurden in das hydronumerische Modell eingearbeitet und damit Abflussberechnungen bei unterschiedlichen Gewässerrauheiten durchgeführt. Die Ergebnisse wurden mit den Abflussmessungen verglichen und daraus eine neue W-Q-Beziehung abgeleitet. Am Pegel Möbisburg konnte damit eine W-Q-Beziehung bis in den Bereich hoher Abflüsse erzeugt werden. Am Pegel Ringleben 1 hingegen stellt sich das Problem, dass die Deiche bereits bei Abflüssen von ca. 100 m³/s (je nach Rauheit) überströmt werden. Bei Abflüssen von mehr als 110 bis 120 m³/s treten sogar Überströmungen im unmittelbaren Pegelbereich auf. An der Stelle, an welcher im Modell die erste Überströmung auftrat, ist auch während des Ereignisses vom Mai/Juni 2013 der Deich übergelaufen. Im unmittelbaren Pegelbereich wurde während des Ereignisses eine Überströmung durch das Setzen von Sandsäcken verhindert. Die Höhen der Deichkronen werden im Modell auf Grundlage von Befliegungsdaten (photogrammetrische Auswertung) abgebildet und weisen somit eine Genauigkeit von ca. ± 2 dm auf (außer im unmittelbaren Pegelbereich, wo sie terrestrisch aufgenommen wurden). Aus diesen Gründen kann die W-Q-Beziehung nur bis zum Beginn des Überlaufens der Deichkronen als zuverlässig beurteilt werden. Der maximal berechnete Wasserstand im Pegelbereich lag bei 153,68 m NHN, während im Modell ab einem Wasserstand von ca. 153,50 m NHN die ersten Ausuferungen im unmittelbaren Pegelbereich begannen. Der während des Hochwassers aufgezeichnete maximale Wasserstand lag bei 153,85 m NHN und kann durch das Setzen von Sandsäcken und evtl. Ungenauigkeiten in den Deichkronenhöhen erklärt werden.

4 48 Hochwasser 06/2013: Erkenntnisse aus der Nachrechnung an Gera und Ilm Abbildung 3: Bisherige Schlüsselkurve und Nachrechnung der W-Q-Beziehung für den Pegel Ringleben 1 (Gera) 3 Nachrechnung des Hochwasserereignisses an der Gera Für die Gera existieren bereits hydronumerische 2D-Modelle (Hydro_AS-2D) für die Abschnitte von der Einmündung der Apfelstädt bis Erfurt und von Erfurt bis zur Mündung in die Unstrut. Für die Nachrechnung des Ereignisses wurden die beiden Teilmodelle zu einem gemeinsamen Modell für den gesamten Abschnitt kombiniert. Da das Teilmodell des nördlichen Abschnitts (von Erfurt bis zur Mündung) auch das gesamte Deichhinterland umfasste und dadurch sehr groß war (mit zugehörigen extrem langen Rechenzeiten), wurde dieses auf den deichnahen Bereich begrenzt. Es wurden bisher insgesamt vier Nachrechnungen des Ereignisses in folgenden Varianten durchgeführt: - Zusammengefügte Originalmodelle ohne Anpassungen - Modell mit angepasster Vorlandrauheit - Modell mit Ansatz für Versickerung - Originalmodell mit Deicherhöhung durch Sandsäcke (ca. 30 cm) Beim Modell mit angepasster Vorlandrauheit wurden die Rauheiten wie folgt verändert:

5 Dresdner Wasserbauliche Mitteilungen, Heft Dresdner Wasserbaukolloquium 2014 Simulationsverfahren und Modelle für Wasserbau und Wasserwirtschaft 49 Block 1 Saal 3 Tabelle 2 Anpassung der Vorlandrauheiten für die Nachrechnung der Hochwasserwelle der Gera Nutzung Rauheit bisher Rauheit angepasst m 1/3 /s m 1/3 /s Ackerflaeche Gruenland Kleingartenanlage Laub-Mischwald Weg_unbefestigt Damit sollte eine Verzögerung des Vorlandabflusses und somit eine Streckung der Hochwasserwelle erzielt werden. Beim Modell mit einem ersten Ansatz für die Versickerung wird angenommen, dass sich die Versickerung gleichmäßig über die gesamte Fließlänge verteilt und dass diese nur vom Wasserstand in der Gera abhängig ist. Dazu wurden in regelmäßigen Abständen interne Abflussränder als W-Q-Beziehung im Gewässer angeordnet. Mit sämtlichen Varianten konnte dabei die Hochwasserganglinie am Pegel Möbisburg naturgemäß gut nachvollzogen werden, da dieser Pegel für die Erstellung der W-Q-Beziehung und der Modellzuflüsse verwendet wurde. Am Pegel Ringleben 1 hingegen war die Übereinstimmung zwischen den aufgezeichneten und den berechneten Wasserständen weniger günstig. Die berechneten Scheitel treten bis zu 3 Stunden später ein als die gemessenen, und die berechneten Wasserstände sind tendenziell niedriger. Die beste Übereinstimmung wird mit dem Modell mit angepassten Vorlandrauheiten erreicht, die schlechteste mit dem Modell mit Versickerungsterm. Neben den Ganglinien an den Pegeln stehen noch weitere Aufzeichnungen für die Validierung der Nachrechnung zur Verfügung. Sowohl durch Mitarbeiter von Hydroprojekt als auch der TLUG wurden während des Ereignisses Begehungen durchgeführt. Die dadurch entstandene Fotodokumentation wurde im Nachhinein genutzt, um an 23 Stellen Hochwassermarken einzumessen, wobei sich diese auf den Abschnitt von Möbisburg bis Erfurt beschränken. Die Lage der eingemessenen Hochwassermarken ist aus Abbildung 5 ersichtlich.

6 50 Hochwasser 06/2013: Erkenntnisse aus der Nachrechnung an Gera und Ilm Abbildung 4: gemessener und berechneter Verlauf der Hochwasserwelle am Pegel Ringleben 1 (Gera) Abbildung 5: Lage der eingemessenen Hochwassermarken

7 Dresdner Wasserbauliche Mitteilungen, Heft Dresdner Wasserbaukolloquium 2014 Simulationsverfahren und Modelle für Wasserbau und Wasserwirtschaft 51 Block 1 Saal 3 Abbildung 6: Differenzen zwischen gemessenen und berechneten Wasserständen Auf Abbildung 6 sind die Differenzen zwischen den berechneten und den gemessenen Werten dargestellt. Das Ergebnis zeigt, dass die berechneten Werte hier eher zu hoch sind und dass die Differenzen zwischen den berechneten und den gemessenen Werten tendenziell in Fließrichtung zunehmen. Die Unterschiede zwischen den Rechenvarianten sind eher gering. Auch das berechnete Überschwemmungsgebiet ist größer als das tatsächliche, insbesondere im Bereich Hochheim/Löbervorstadt und nördlich von Erfurt. Somit nehmen auch hier die Unterschiede zwischen Beobachtung und Berechnung in Fließrichtung zu. Nördlich von Erfurt wird der Abfluss durch die Kapazität des eingedeichten Gerinnes der Gera begrenzt. Die Stellen, an denen die Deichüberströmungen beginnen, stimmen hier gut mit tatsächlich beobachteten Überströmungen bzw. Stellen, an denen Sandsäcke verlegt wurden, überein. Aus den bisherigen Erkenntnissen können somit folgende Schlussfolgerungen gezogen werden: - An der Gera spielt die Versickerung aus der Gera in den leistungsfähigen kiesigen Grundwasserleiter auch im Hochwasserfall eine nicht vernachlässigbare Rolle. Mit dem hier gewählten vereinfachten Berechnungsansatz kann dieser Einfluss aber nicht adäquat abgebildet werden. Wahrscheinlich ist abschnittweise die Versickerungsleistung noch höher als angenommen, dafür ist sie an anderen Stellen eher gering bzw. im Laufe eines Ereignisses erschöpft. Es laufen deshalb Bestrebungen, diesen Ein-

8 52 Hochwasser 06/2013: Erkenntnisse aus der Nachrechnung an Gera und Ilm fluss auf Grundlage eines Grundwasserströmungsmodells noch besser erfassen zu können. - Nördlich von Erfurt wird der Abfluss durch die Leistungsfähigkeit des eingedeichten Gerinnes beschränkt. Hier übt die Genauigkeit der Deichhöhen einen wesentlichen Einfluss aus auf die erreichbare Modellgenauigkeit. Für eine möglichst genaue Nachrechnung müssen hier auch die Deicherhöhungen durch Sandsäcke erfasst werden. Die Stellen, an welchen der Deich überlief bzw. an welchen Sandsäcke angeordnet wurden, wurden im Modell zuverlässig nachgebildet. - Der Vergleich zwischen den berechneten und den beobachteten Wasserstandsganglinien am Pegel Ringleben 1 deutet darauf hin, dass die Rauheit des Gerinnes eher glatter und diejenige des Vorlandes eher rauer zu wählen sind als im ursprünglichen Modell. - Durch Geschiebeumlagerungen sind die wesentlichen beobachteten Tendenzen (tendenziell zu hohe Wasserstände, Abfluss im Modell zu schnell) nicht erklärbar. Sie können lokal eine wesentliche Rolle spielen. So sind wahrscheinlich die großen Abweichungen zwischen Berechnung und Beobachtung im Flutgraben Erfurt (Hochwassermarken 18 bis 22) neben der Versickerung und der Rauheit auch auf Geschiebeumlagerungen zurückzuführen. Dass die Versickerung im Grundwasser eine wesentliche Ursache für die Abweichungen zwischen Berechnung und Beobachtung sein dürfte, zeigen parallel laufende Untersuchungen durch ein drittens Büro auf einem Abschnitt nördlich von Erfurt TLUG (2013b). Der in den vorliegenden Berechnungen gewählte einfache Ansatz für die Versickerung kann diesen Einfluss nicht hinreichend wiedergeben. 4 Nachrechnung des Hochwassers an der Ilm Etwa 800 m oberhalb der Mündung der Ilm in die Saale befindet sich ein größerer Industriebetrieb in der Aue der Ilm. Im Rahmen der Planungen für den werkseigenen Hochwasserschutz wurde bereits vor 5 Jahren ein zweidimensionales Modell erstellt, welches den Mündungsbereich der Ilm in die Saale abbildet (Gewässerlänge Ilm ca. 2 km, Saale ca. 1,4 km). Der Industriebetrieb betreibt an der Ilm einen eigenen, kontinuierlich aufzeichnenden Pegel. Zusätzlich wurden während des Hochwassers an mehreren Stellen Hochwassermarken aufgenommen.

9 Dresdner Wasserbauliche Mitteilungen, Heft Dresdner Wasserbaukolloquium 2014 Simulationsverfahren und Modelle für Wasserbau und Wasserwirtschaft 53 Block 1 Saal 3 Der betriebliche Hochwasserschutz hatte sich während des Ereignisses bewährt. Die Aufzeichnungen wurde im Auftrag des Betriebes genutzt, um das bestehende hydronumerische Modell zu überprüfen und neu zu kalibrieren. Eine erste Nachrechnung mit dem bestehenden Modell zeigte, dass im Bereich des automatisch aufzeichnenden Pegels im Modell um ca. 0,5 m höhere Wasserstände berechnet werden als beobachtet. An anderen Stellen, insbesondere weiter flussabwärts, konnte hingegen eine befriedigende bis gute Übereinstimmung mit den Beobachtungen erzielt werden. Eine erste Überprüfung zeigte, dass die hohen Abweichungen im Pegelbereich nicht nur durch den Einfluss der Rauheit oder Ungenauigkeiten in den Abflüssen erklärt werden können. Eine weitere Analyse und ein Abgleich mit den Beobachtungen zeigte, dass in der Flussbiegung unterhalb des Pegels Ausuferungen stattgefunden haben, welche im Modell in diesem Ausmaß nicht ausgewiesen wurden. Aufgrund dessen wurden die Ufer- und Vorlandhöhen in diesem Bereich terrestrisch vermessen und im Modell überarbeitet. Bisher wurden die Ufer- und Vorlandhöhen in diesem Bereich aus Befliegungsdaten abgebildet. Die terrestrische Vermessung ergab um bis zu 20 cm niedrigere Höhen. Abbildung 7: Gemessene und berechnete Wasserstandsganglinien am Ilm-Pegel in Großheringen vor (links) und nach (rechts) Modellüberarbeitung Mit weiteren Anpassungen der Gewässerrauheit (glatter Flussschlauch oberhalb des Pegels im Erosionsbereich und rauerer Flussschlauch weiter unterhalb im Ablagerungsbereich) und Anpassungen am Flussschlauch auf Grundlage von Gewässerprofilen, welche durch die Thüringer Landesanstalt für Umwelt und Geologie zur Verfügung gestellt wurden, konnte eine gute Übereinstimmung der Berechnungsergebnisse mit den Aufzeichnungen des Pegels und auch mit den aufgezeichneten Hochwassermarken erzielt werden. Damit werden auch die aus den Aufzeichnungen am Pegel Niedertrebra abgeleiteten Abflusswerte bestätigt.

10 54 Hochwasser 06/2013: Erkenntnisse aus der Nachrechnung an Gera und Ilm Das neu kalibrierte Modell wurde in der Folge genutzt, um auch ein selteneres Ereignis nachzurechnen. Abbildung 8: Lage der Nachvermessung (gelb), Hochwassermarken (rot) und berechnetes Überschwemmungsgebiet an der Ilm oberhalb der Mündung in die Saale 5 Literatur TLUG (2013): Hochwasserschutzkonzept Erfurt-Süd. Bereich Möbisburg bis Papierwehr. Lahmeyer Hydroprojekt GmbH im Auftrag der Thüringer Landesanstalt für Umwelt und Geologie, Jena 2013 TLUG (2013b): Hydrogeologisches Gutachten zur Bewertung der Auswirkungen eines Rückbaus des Wehres Gispersleben. Fugro Consult GmbH im Auftrag der Thüringer Landesanstalt für Umwelt und Geologie, Jena 2013 TLUG (1998): Gebiets- und Gewässerkennzahlen, Verzeichnis und Karte. Thüringer Landesanstalt für Umwelt und Geologie, Jena 1998 Viega (2013): Aktualisierung hydronumerisches 2D-Modell. MIDIC GmbH/Lahmeyer Hydroprojekt GmbH im Auftrag der Viega GmbH und Co. KG, Großheringen 2013 Autoren: Dr.-Ing. Stefan Schmid Lahmeyer Hydroprojekt GmbH Rießner Str Weimar Tel.: Fax: stefan.schmid@hydroprojekt.de Marcel Glebe Thüringer Landesanstalt für Umwelt und Geologie, Referat 55 Wasserbau Göschwitzer Straße Jena Tel.: Fax: marcel.glebe@tlug.thueringen.de