OPERATIONELLE ABFLUSS- UND WASSERSTANDSVORHERSAGEN FUER RHEINGEBIET BIS RHEINFELDEN (BASEL)

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1 OPERATIONELLE ABFLUSS- UND WASSERSTANDSVORHERSAGEN FUER RHEINGEBIET BIS RHEINFELDEN (BASEL) DAS Dr. Bruno Schädler Landeshydrologie und -geologie CH-3003 Bern

2 OPERATIONELLE ABFLUSS- UND WASSERSTANDSVORHERSAGEN FUER DAS RHEINGEBIET BIS RHEINFELDEN (BASEL) Bruno Schädler, Landeshydrologie urid -geologie, CH-30oa.Bern Inhaltsverzeichnis 1. Einleitung 2. Wer braucht Wasserstands- und Abflussvorhersagen? 3. Die operationelle Erarbeitung der Vorhersagen 4. Die Güte der Vorhersagen 5. Zukunftsperspektiven 6. Literatur 1. Einleitung Die Abflussvorhersagen für das Rheingebiet haben in der Schweiz eine lange Entwicklung hinter sich. Sie wurden auf Anregung aus BenUtzerkreisen seit den FUnfzigerjahren zuerst an der Versuchsanstalt fur Wasserbau, Hydrologie und Glaziologie (VAW), später am Geographischen Institut (Abt. Hydrologie) der ETH-Zürich mit finanzieller Beteiligung der Auftraggeber entwickelt, erprobt und dann regelmässig eingesetzt. Nachdem die Vorhersagemodelle und die tägliche Erarbeitung der Vorhersagen auf einen operationellen Stand gebracht worden waren, konnte die Aufgabe der regelmässigen Erarbeitung und Verbreitung der Abflussvorhersagen auf den der Landeshydrologie und -geologie (LHG) übertragen werden. Durch diesen Wechsel ist das ETH-Institut von dies~r operationellen Aufgabe entlastet worden und kann sich somit seinen Forschungsaufgaben wieder verstärkt widmen. Gleichzeitig ist die Abflussvorhersage bei jener Dienststelle angesiedelt worden, welche die Verantwortung für die zuverlässige Lieferung der hydrologischen Daten in der Schweiz seit bald 125 Jahren wahrnimmt. Die Obernahme dieser neuen Aufgabe ist jedoch nur dank ~iner erweiterten Mitarbeit der Schweizerischen Meteorologischen Anstalt (SMA) möglich geworden. Die SMA hat schon seit vielen Jahren die notwendigen meteorologischen Messdaten zur Verfügung gestellt. Seit 1985 werden nun zusätzlich von der SMA speziell zum Zweck der Abflussvorhersäge täglich detaillierte quantitative Niederschlags- und Temperaturvorhersagen erstellt. 2. Wer braucht Wasserstands- und Abflussvorhersagen? Durch die Vielzahl der Nutzer unseres reichen Wasserdargebotes, aber auch zufolge der unterschiedlichen Bedrohungsformen durch die FlUsse und Seen entstehen ganz verschieden gelagerte Anforderungen an Vorhersagen. Die wichtigsten Nutzniesser und Anwendungsgebiete sind:

3 Kraftwerke: Optimale Bewirtschaftung der zur Verfügung stehenden Stauräume bei Flusskraftwerken. Planung von Maschinenstillständen für Revisiönsarbeiten. - Rheinschiffahrt: Bei Niederwasser Disposition der höchstmöglichen dem voraussichtlichen Wasserstand entsprechenden Fracht. Bei Hochwasser Berechnung der Reisezeiten und Dispositionen bei Beschränkung der Fahrgeschwindigkeit oder bei Fahrverbot. - Hochwasserschutz: Zusammen mit dem bestehenden Netz von Hochwasseralarmstationen können die Abflussvorhersagen eine wichtige Entscheidungshilfe für die Verantwortlichen der Hochwasserschutzorganisationen sein. - Seeregulierung: Optimale Bewirtschaftung der Seen und der untenliegenden Flüsse entsprechend der gültigen Reglemente. - Bauunternehmungen: Disposition und Warnungen für Baustellen in und an Gewässern. - Medien: Information der Medien und der Öffentlichkeit über die voraussichtliche Entwicklung der Wasserstände während auffallenden Ereignissen. Ähnlich wie bei den Wettervorhersagen sind die Benützer von Wasserstand- und Abflussvorhersagen vor allem an Zeitperioden mit aussergewöhnlichen Vorkommnissen, sei es Hochwasser oder Niederwasser, interessiert. Trotzdem, oder gerade deswegen muss der für die Vorhersagen verantwortliche Dienst ständig das Personal, das Knowhow, die Geräte, Programme und Daten bereit halten, um bei einem der meist rasch und unverhofft eintretenden Hochwasserereignisse sofort reagieren zu können. Nicht zuletzt aus diesem Grund werden die Vorhersagen täglich berechnet. 3. Die operationelle Erarbeitung der Vorhersagen Das Vorhersagegebiet umfasst das gesamte Rheingebiet bis Rheinfelden (Figur 1). Ein grosser Teil des Einzugsgebietes liegt in den Alpen und Voralpen, sodass dem Schnee eine wichtige Rolle zufällt. Die am Alpenrand gelegenen Seen, die mit Ausnahme des Bodensees alle künstlich reguliert stnd, üben zwar einen dämpfenden Einfluss auf das Schmelzgeschehen in den Alpen aus. Im hügeligen Gebiet des Mittellandes jedoch kann sich während des Winters einige Male eine Schneedecke aufbauen, die jeweils oft im Zusammenhang mit Regenfällen rasch wieder schmelzen kann. -Das gesamte Einzugsgebiet ist in zahlreiche Teilgebiete unterteilt, die durch das Modell (LANG, JENSEN, GREBNER 1987) einzeln vorhergesagt werden und deren vorhergesagte Werte als Eingangsgrösse in das untenliegende Gebiet eingehen. Infolge der relativ kurzen Laufzeiten (6-12 Stunden) kann der angestrebte Vorhersagezeitraum von drei Tagen nur mit einer quantitativen Niederschlagsvorhersage und einer Temperaturvorhersage erreicht werden. Alle Modellteile werden mit einem Zeitschritt von einer Stunde berechnet.

4 - 3 - Vorhersoge von ~ Wasserstand und Abfluss T Wassersland ~ zusälzliche hydrometrische Stationen o Meteorologische Stationen \ "\ ) /' j - -.~ 0.-.,,-._,/ \. ~.- - ' \ _./.- I ('.) ) f... \ / ( l \ j km Figur 1: übersieht über das Einzugsgebiet des Rheins bis Rheinfelden. Die eingezeichneten Abflussmessstationen begrenzen die einzelnen Teileinzugsgebiete. Die Vorhersagen werden in der Regel an allen Arbeitstagen und, wenn es die hydrologische Situation erfordert (Hochwasser), auch an Wochenenden und an Feiertagen erarbei~ tet. Der Vorhersagezeitraum reicht bis zum Ende des übernächsten Tages (maximal 66 Stunden). Die Vorhersage sollte in der Regel bis spätestens 9 Uhr beim Kunden eintreffen. Bei Bedarf kann zu einem beliebigen Zeitpunkt während des Tages eine zusätzliche Vorhersage berechnet werden. Um einen möglichst effizienten und reibungslosen Ablauf zu gewährleisten, wurden der Arbeitsablauf, ausgehend vom Datensammeln Uber die Dateneingabe, die Berechnung der einzelnen Teilmodelle bis hin zur Vorhersageverteilung weitgehend automatisiert, jedoch in einzeln~ Arbeitsschritte unterteilt (Figur 2). Nach jedem Arbeitsschritt werden die Daten oder Zwischenresultate abgespeichert und meistens in graphischer Form ausgegeben. Dadurch ist eine übersieht und Kontrolle Uber die Daten und Uber die 'Resultate der einzelnen Teilmodelle gewährleistet. Auch ist es möglich, an einem beliebigen Punkt des Ablaufes einzugreifen und einzelne Schritte zu wiederholen. Die Niederschlags-, Temperatur- und Schneedaten von 42 automatischen Stationen der SMA werden stündlich über Telex (langsames, aber sehr sicheres tlbermittlungsnetz) übermittelt und laufend automatisch in die Datenbank integriert. Die Wasserstände von rund 30 Stationen der Landeshydrologie werden periodisch automatisch über Telefon abgefragt und

5 - 4 - ebenfalls direkt in den Vorhersagerechner übertragen. Alle Daten können auch mithilfe vorbereiteter Programme manuell in den Rechner eingegeben werden. Die Kontrolle der Eingangsdaten erfolgt einerseits durch automatische Plausibilisierungsprogramme, anderseits durch den Sachbearbeiter am graphischen Bildschirm. Allfällige Änderungen oder Ergänzungen an den Daten müssen (zum Teil rechnergestützt) manuell vorgenommen werden. Mit Ausnahme der Eingangsgrössen (Messdaten, vertikale Verteilung der Schneehöhen und der Temperatur, Niederschlagsund Temperaturvorhersagen) können keine Zahlenwerte (Modellparameter, Zwischenresultate, usw.) durch den Sachbearbeiter während der Vorhersageerstellung geändert werden. 42 Stationen Messdaten SMA Niederschlags - I ' Temperaturvorhersagen SMA 22 Stationen Wasserstands-/ Abflussdaten LHG "'I ~I 1 1 Vorhersage - Rechner ~ Wasserstand /Abfluss- Umrechnung. --- flüssig; Regen Niederschlag --- f est; S c h nee f a 11 _--Abbau Schneedecke---. A fb u au Gebietsniederschlag Abflussvorhersage berechnen Datenbank Graphische Ausgabe ~ Figur 2: Grobschema des Datenflusses und des Modellaufbaus für die Vorhersagen im Rheingebiet

6 - 5 - Modellparameter müssen zwar von Zeit zu Zeit angepasst werden, sie sollen jedoch nicht unter dem zeitlichen Druck der Vorhersageerstellung verändert werden. Die fertig berechneten Vorhersagen werden nach einer graphischen und numerischen Kontrolle durch den Sachbearbeiter vom Rechner kundengerecht aufbereitet (Figur 3) und dem Telexinterface übergeben, welches für die automatische Vermittlung der Meldungen an die Kunden besorgt ist. Es wurde beim ganzen System darauf geachtet, dass es möglichst pannenresistent ist. Die Geräte sind rund um die Uhr im Einsatz und müssen deshalb gegen Stromausfälle abgesichert sein, sei es durch Batterien oder sei es durch automatisches Aufstarten nach dem Stromunterbruch. Auch wurden verschiedene Hilfsprogramme eingerichtet, die beim Ausfall des einen oder des anderen Systems eine manuelle Abfrage und Eingabe z.b. der Pegelstände erlauben. Der gesamte Vorhersageablauf und insbesondere die Notroutinen sind menuegestützt und sind in einem ausführlichen Handbuch klar beschrieben. Der Zeitaufwand fur die Erstellung einer Vorhersage mit allen dazugehörenden Nebenarbeiten beträgt heute für eine Person etwa 75 Minuten. FUr Geräteamortisation, Kostenanteile Wetterdienst, Telefongebühren etc. muss mit etwa SFr. 30'000.- pro Jahr gerechnet werden. Drei Personen des Dienstes "Studien und Vorhersagen" ( 2 Akademiker, 1 Technischer Beamter) sind ausgebildet und stellen den Vorhersagedienst rund um das Jahr sicher. Der Unterhalt der Software und auch der Geräte bedeutet ein nicht zu unterschätzender Aufwand, insbesondere für ein operationelles System. Er ist sehr schwer zu quantifizieren~ beträgt aber etwa einen Mannmonat pro Jahr. 4. Die Güte der Vorhersagen Die Güte der Vorhersagen ist abhängig von einer Vielzahl von Einflussfaktoren. Ein wichtiges Element ist zweifellos das Vorhersagemodell, oder besser gesagt die Gesamtheit ailer Komponenten und Teilgebiete des Vorhersagemodelles. Daneben sind besonders für den zweiten und dritten,vorhersagetag die Güte der quantitativen Niederschlags- und Temperaturvorhersagen von entscheidender Bedeutung. Die Güte der gemessenen Eingangsdaten und die Güte der subjektiv ermittelten Eingangsdaten, wie etwa einige Modellpa~ameter oder die Regulierungsänderungen an den grossen Seen, sind weitere wichtige Kriterien. Die Modellgüte wird täglich überprüft, indem für jedes Teileinzugsgebiet mithilfe der gemessenen Daten der Abfluss berechnet wird. Der Vergleich mit dem gemessenen Abfluss erlaubt sofort eine zumindest qualitative Beurteilung der Modellgüte. Bei Fehlern, welche sich über einige Tage bestätigen, kann es aufgrund von z.b. saisonalen Schwankungen notwendig sein, gewisse Modellparameter anzupassen.

7 - 6 - : prevision moyennes h h rhin-rheinfelden de 7 h horaires en m3/s: 1/ /19_ \ 1-12 h h 1/ 13' ' / h h 1/ / moyennes journalieres en 10 0/0 50 0/ m3/s: 90 0/ le 15: passage d'une zone de precipitation intensive, refroidissement le 16: averses frequentes, limite de chute de neige 1300 m, le 17: en l'est encore quelques precipitations, toujours froid. -.lfandeshydrologie bern.08:58 15-jun-87 zh. hrn. dr. meiidel wasserstandsvorhersage rhein-rheinfelden '\ gemessene wasserstaende bis uhr vorhergesagte wasserstaende ab uhr momentanwerte in m / vor t ag ausgabetag /:f 1. folgetag ,..,.L.. folgetag µhr 15. durchgang einer intensiven niederschlagszone, markante abkuehlung 16. haeufige schauerartige nierderschlaege, schnee bis 1300 m 17. vor allem am alpennordhang und im bsten noch zeitweise regen, immer noch kalt. Figur 3: Vom Rechner automatisch kundengerecht dargestellte und über Telex vermittelte Wasserstands- bzw. Abflussvorhersagen

8 - 7 - Es gibt zahlreiche Methoden, ein Mass für die Güte von Vorhersagen zu bestimmen (NEMEC, 1986). Für die Vorhersagen des Abflusses des Rheins bei Rheinfelden wurden bisher neben graphischen Vergleichen nur die Tagesmittelwerte der Abflüsse verglichen (Tabelle 1 und 2). Für das Jahr 1986 wurden 250 Vorhersagen berechnet. Darin enthalten sind zahlreiche 'problemlose' Tage mit wenig Abflussänderung. Daher sind in Tabelle 2 zusätzlich die Fehler der sehr niederschlagsreichen Zeitperiode vom 3. Juni bis 3. Juli 1987 mit 32 Vorhersagen in ununterbrochener Folge dargestellt. Tabelle 1: Abweichungen zwischen den im operationellen Vorhersagebetrieb vorhergesagten und den gemessenen Tagesmittelwerten des Abflusses (in % und m3/s) und des Wasserstandes (in cm) des Jahres 1986 (250 Vorhersagen, MQ=1056 m3/s) für die Station Rhein-Rheinfelden Vorhersage- mittlerer Fehler Standardabweichung maximale Fehler zeitraum der Fehler % m3/s Cll % 113/s Cll % m3/s Cll 1. Tag l i 2.7 ±. 36 ± Tag ±.10.1 ±. 154 ± Tag ± i 202 ± Tabelle 2: Abweichungen zwischen den im operationellen Vorhersagebetrieb vorhergesagten und den gemessenen Tagesmittelwerten des Abflusses (in% und m3/s) und des Wasserstandes (in cm) der Hochwasserperiode 3. Juni - 3. Juli 1987 (32 Vorhersagen, MQ=2355 m3/s) für die Station Rhein Rheinfelden Vorhersage- mittlerer Fehler StandardabReichung maximale Fehler zeitrau11 der Fehler % 113/s Cll % 113/s Cll % 113/s Cll ' 1. Tag ± ±. 41 ± Tag ±. 5.6 ±. 131 ± Tag ± ±. 153 ± ,

9 - 8 - Diskussion der Fehler Während dieser Zeit führte der Rhein während sieben Tagen Hochwasser oberhalb der Hochwassergrenze von 4.50 m am Pegel Rheinfelden, was für die Rheinschiffahrt unterhalb und oberhalb von Basel Fahrverbot bedeutete. Seit über. 100 Jahren wurde keine so lange Hochwasserperiode mehr beobachtet. Obwohl der Mittelwerte der Fehler über eine längere Zeitperiode nahe Null sein sollte, fällt hier in allen Fällen ein offenbar systematischer negativer Fehler auf. Die Gründe für dieses Phänomen sind noch nicht vollständig abgeklärt, jedoch dürften vor allem ein durch den Pumpspeicher-Kraftwerksbetrieb verursachtes Minimum irinerhalb eines Tagesganges des Rheins, welches mit dem Vorhersagezeitpunkt (6 Uhr) zusammenfällt, der wichtigste Grund sein. Die Vorhersagefehler sind erwartungsgemäss am ersten Tag sehr klein. Hier fallen nur die Fehler des Modells und Ungenauigkeiten in den Daten und deren Interpolation (z.b. Gebietsniederschlag) ins Gewicht. Die Fehler des zweiten und dritten Tages sind zwar erheblich gr6sser, liegen aber mit einer Standardabweichung von rund 6-10 % immer noch recht niedrig. Insbesondere während der Hochwasserperiode vom Juni 1987, wo die maximalen Fehler 20 % betrugen, kann im Vergleich mit den Schwankungen des Rheins (Figur 4) von sehr zufriedenstellenden Vorhersageergebnissen gesprochen werden. Diese guten Ergebnisse sind vor allem den guten Niederschlagsvorhersagen zu verdanken, die für den zweiten und dritten Vorhersagetag von entscheidender Bedeutung sind. Effizienz der Vorhersagen Der Vergleich der Vorhersagen mit den Ergebnissen von primitiven "Vorhersage"-Methoden kann erst Aufschluss geben über die Wirksamkeit der angewendeten Methode. Für die Hochwasserperiode vom Juni 1987 wurden die Vorhersagen mit der Primitivvorhersage "Abfluss bleibt konstant" verglichen. Es zeigte sich dabei, dass die Standardabweichung der Fehler mit der Primitivvorhersage für den ersten Tag mehr als vier mal so gross (±22 cm), für den zweiten und dritten Tag noch zweimal so gross (±34 bzw. ±36 cm) wie bei der ausführlichen Vorhersage waren. Dazu kommt, dass die ausführliche Methode auch den Tagesverlauf vorhersagt. Damit kann klar gezeigt werden, dass selbst in einem so komplexen Einzugsgebiet wie dem des Rheins bis Basel, in welchem kurze Laufzeiten und schwierige topographische Verhältnisse das hydrologische Geschehen dominieren, Vorhersagen bis über drei Tage dank der immer zuverlässiger werdenden quantitativen Niederschlagsvorhersagen mit einer befriedigenden Genauigkeit möglich sind.

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11 Einbezug der Niederschlagsdaten, welche die beiden in der Schweiz seit langer Zeit operationell arbeitenden Niederschlagsradar alle 10 Minuten zur Verfügung stellen - Verbesserung der quantitativen Niederschlagsvorhersage durch verbesserte numerische Modelle mit verfeinerter Maschenweite 6. Literatur Lang H., Jensen H., Grebner D.(1987): Short-range runoff forecasting for the river Rhine at Rheinfelden: experiences and present problems; Hydrol. Sciences J., 32, 3, 9/1987. Nemec J. (1986): Hydrological forecasting. D.Reidel Publishing Company, Dordrecht; 239 pp.