Kombination von statistischen Niederschlagsdaten mit einem realen Ereignis zur Ableitung eines Extremereignisses für Simulationen von Stauanlagen

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1 Kombination von statistischen Niederschlagsdaten mit einem realen Ereignis zur Ableitung eines Extremereignisses für Simulationen von Stauanlagen Dipl. AUW Natalie Stahl, Sachgebietsleiterin Hochwasservorhersagezentrale Isar, WWA

2 Hintergrund Es wird ein Verfahren gesucht, mit dem Hochwasserrückhaltespeicher in Ihrer Wirkung auf ein nicht genau definiertes HQ extrem analog EU Hochwasserrisikomanagementrichtlinie (EU-HWRM-RL)- untersucht werden können. Im Gegensatz zu den üblichen zu Vergleichen herangezogenen Größen wie z. B. dem spezifischen Rückhalt soll dabei die genaue Steuerung berücksichtigt werden, bzw. die optimale Steuerung kombinierter Speichersysteme ermittelt und berücksichtigt werden. Am WWA läuft für die Isar mit Seitengewässern dazu eine Wirkungsanalyse, es wird dabei ein Konzept entwickelt, das als Vorlage für alle anderen bayerischen Gebiete dienen soll und in einer Handreichung festgehalten wird.

3 Vorüberlegung Entscheidend für die Speicherwirkung ist die Steuerstrategie unter den Randbedingungen Niederschlagsverteilung über die Zeit (Zufluss) und technische Möglichkeiten der Steuerorgane (Abgabe). Eine Wirkungsanalyse der Speicher ist nur möglich mit einem Verlauf der Niederschläge. Ein einzelner statistischer Niederschlagswert reicht wie ein reiner Vergleich der Speichervolumen nicht aus, um die Speicherwirkung zu beurteilen. THESE: Gerade die kombinierte Untersuchung mehrerer Speicher reagiert im Ergebnis sensibel auf Veränderungen in der Niederschlagsverteilung. => Man benötigt ein definiertes Niederschlagsszenario als Basis für eine Wirkungsanalyse von Speichersystemen.

4 Anforderungen an das Niederschlagsszenario Das Vorgehen zur Entwicklung des Niederschlagsszenarios soll übertragbar sein auf andere Regionen (in Bayern). Der Niederschlag soll in seiner Höhe hochwasserrelevant sein bezogen auf das Abflussgebiet. Der Niederschlag soll einen möglichst hohen Realitätsbezug für das Gebiet haben, aber dennoch vergleichbar sein (normiert). => Wir brauchen eine normierte statistische Größe, die an die spezifische Reaktion im Abflussgebiet gekoppelt wird

5 KOSTRA N100 als statistische Größe (Aus Starkniederschlagsauswertung des Deutschen Wetterdienstes, 50 jährige Messreihen des Niederschlages) Ein N100 erzeugt ein HQ100 in kleinen Einzugsgebieten. Bei der Annahme N100 über das gesamte Einzugsgebiet erhöht sich die Jährlichkeit des Abflusses leicht. (Nach DVWK Regelwerk ist die Annahme für die Betrachtung von Rückhaltebecken jedoch zulässig und es benötigt keinen Abminderungsfaktor.) Bei unserem Szenario gehen wir zudem von einer Vorsättigung der Böden aus. Das Szenario erzeugt ein HQ >100 im Einzugsgebiet, das gesuchte HQ extrem.

6 Ein reales Ereignis als empirische Größe für den Verlauf Es gilt ein reales Ereignis zu suchen, das typisch und hochwasserrelevant für die Region ist. Für die Abschätzung eines HQ extrem sollte es flächendeckend mindestens das HQ50 erreicht haben. Das 1999er Hochwasser repräsentiert von den Hochwasserscheiteln flächendeckend für das Gebiet ein HQ100. Das 1999er Hochwasser war von der Niederschlagsverteilung das ungünstigste Hochwasser in Verhältnis vom Scheitel zum Volumen der Zuflusswelle am Sylvensteinspeicher. Das Hochwasser 2005 hatte überwiegend die größten je gemessenen Scheitel. Da das große Volumen für die Speicherbewirtschaftung der ungünstigste Fall ist, wurde die Niederschlagsverteilung von 1999 gewählt, auch wenn das Ereignis 2005 höher war.

7 KOSTRA contra REALES EREIGNIS (72 h Dauer) KOSTRA N100 Niederschlagsverteilung 1999

8 Zusammenführung KOSTRA - REALES EREIGNIS Normierung der Gebietsniederschläge des realen Ereignisses mit den KOSTRA Niederschlägen (bezogen auf Abflussgebiete) Abflussgebiete

9 Abflussszenario Teil 1 Aneichung des N-A-Modells Die Abflussreaktion wird an das Ereignis 1999 angeeicht, d.h. die Abflussbeiwerte festgelegt. Der Abflussbeiwert bleibt über das Ereignis konstant (mathematisch stabiler bei Veränderung des Eingangsniederschlags) relativ hohe Vorsättigung des Bodens angenommen. Leichte Überschätzung des Volumens in der ansteigenden Welle, da die Anfangsverluste durch den konstanten Abflussbeiwert entfallen.

10 Abflussszenario Teil 2 Szenarios mit normiertem Niederschlag Nach dem Aneichen des N-A-Modells an das Ereignis 1999, werden die für die Normierung auf die KOSTRA-Daten ermittelten Faktoren angewendet. Der Gebietsniederschlag von 1999 wird für jedes Pegeleinzugsgebiet mit diesem Faktor multipliziert. Dann können die Abflüsse mit diesem neuen Niederschlagsinput erzeugt werden, um das Wirkungsanalyse Szenario zu berechnen. Nun können verschiedene Rückhalteräume in das Modell eingepflegt und deren Wirkung vergleichend untersucht werden.

11 Ereignis Ca m³/s Ca. 175 m³/s (HQ1000) ohne Rückhalt Ca m³/s Ca. 175 m³/s Angegeben sind die Hochwasserscheitel in schwarz, die sich ohne künstlichen Rückhalteraum ergeben würden (Achensee und Walchensee berücksichtigt). Zum Vergleich sind an ausgewählten Pegeln in grün die bisher größten Messwerte (alle mind. HQ100) eingetragen und in rot das HQ 1000 (vom LfU anhand der Pegelstatistik ermittelt). Ca m³/s (Scheitel 2005) Ca m³/s Ca. 610 m³/s (Scheitel 1954 vor Bau Ca. 580 m³/s Ca. 540 m³/s Ca. 360 m³/s Ca. 140 m³/s (Scheitel 2005) Ca m³/s (HQ1000) Ca m³/s Ca. 580 m³/s des Sylvensteinspeichers) (Scheitel 2005) Ca m³/s Ca m³/s Ca m³/s (Scheitel 1999) (Scheitel 2005)

12 Vorteile: Für diese Methode müssen keine Extremwerte der Abflussstatistik vorliegen, die in vielen Einzugsgebieten auf Grund der kurzen Q-Messreihen auch nicht vorhanden sind oder nur mit sehr große Unsicherheiten durch die Extrapolation. Auf Grund des Bezugs zu realen Daten kann von einer breiten Akzeptanz der Ergebnisse ausgegangen werden. Der Verlauf der Ereignisse ist in hohem Maße realistisch, das Setzen der Eichparameter nicht willkürlich.

13 Nachteile: Es gibt Fragestellungen, die in ihrer Methodik auf bestimmte Abflussstatistikwerte definiert sind, für diese kann diese Methode nicht angewendet werden: - Die Berechnungen nach der DIN für die Sicherheit und Bemessung von Stauanlagen ist auf ein HQ1.000 und ein HQ festgelegt. - Überschwemmungsgebiete sind auf ein HQ100 zu beziehen. Es muss zumindest ein größeres Hochwasser zwischen HQ50 und HQ100 im Einzugsgebiet an einem Pegel gemessen worden sein (trifft allerdings für Bayern zu).

14 Stand Das erste für die Wirkungsanalyse benötigte Niederschlagsszenario ist erstellt und wurde hier vorgestellt. Im nächsten Projektschritt soll noch ein zweites Szenario als Untersuchungsbasis verwendet werden. Das zweite Szenario hat als Charakteristikum einen deutlichen Nachregen (Vb-Zugbahn bleibt erhalten). Der Nachregen ist bei der Speicherbewirtschaftung von Interesse, da zum Eintreffen des neuerlichen Niederschlages bei großen Ereignissen der Speicher meist noch nicht wieder leer ist. Im Gegensatz zu den Pegeln im Fluss ist das Maximum im Speicher immer erst zeitverzögert in der auslaufenden Welle erreicht. These: Für kombinierte Speichersysteme und die Entwicklung einer optimalen Bewirtschaftung für diese ist der kritischste Fall ein Hochwasser, dem kurz darauf ein Nachregen folgt, auch wenn dieser nicht allzu groß ist und für Pegel in speicherlosen Gebieten keinen kritischen Fall darstellt.

15 Ziel im Workshop Da dieses Verfahren als Standard für Wirkungsanalysen von Speichersystemen in Bayern eingeführt werden soll, dient die Diskussion im Workshop dazu, frühzeitig evtl. Unzulänglichkeiten aufzudecken. Für die noch ausstehende Fragestellung eines Hochwasserereignisses mit einem Nachregen suchen wir noch Anregungen zur Bewertung der Wahrscheinlichkeit zweier aufeinanderfolgender Niederschlagsereignisse. Gibt es Artikel die sich mit dieser Problematik beschäftigen? Im Besonderen interessieren uns in diesem Zusammenhang auch alle Überlegungen zu Vb Wetterlagen. Treten sie häufiger auf als früher, sind sie persistent in der Zugbahn, d.h. wie hoch sind die Wahrscheinlichkeiten dafür, dass mehrere Tiefdruckgebiete hintereinander diese Zugbahn nehmen (Vorregen, Nachregen)? Wie viel Zeit liegt dann zwischen dem Eintreffen der einzelnen Ereignisse?