Hydrodynamische Analyse der Pegel Wetter und Hattingen an der Ruhr

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1 Hydrodynamische Analyse der Pegel Wetter und Hattingen an der Ruhr Ergebnisse der GPS-Vermessung der Ruhraue im Vergleich zu Befliegungsdaten Kolloquienreihe Wasser und Boden im WS 08/09 Dr.-Ing. Mario Oertel Akademischer Rat Oberingenieur Lehr- und Forschungsgebiet Wasserwirtschaft und Wasserbau Fachbereich D Abt. Bauingenieurwesen Bergische Universität Wuppertal

2 Folie 2 Gliederung,,,,.

3 Folie 3 Abflusskurven geben den Zusammenhang zwischen Wasserstand und zugehörigem Abfluss, je Pegel existiert eine gültige Abflusskurve, Wasserstand kann unmittelbar gemessen werden Abflussmessungen weitaus aufwendiger, bei extremen Hochwässern oder Niedrigwasser größer werdende Schwierigkeiten.

4 Folie 4 An der Ruhr liegen die Pegel Wetter (KM 79,74) und Hattingen (KM 55,81) ca. 24 Fluss-km weit auseinander. Pegel Wetter Pegel Hattingen Pegel Hattingen Kemnader See Kraftwerk Hohenstein Pegel Wetter Harkortsee Hengsteysee

5 Folie 5 Keine maßgeblichen Zuflüsse zwischen den Pegeln, dennoch traten beim extremen Hochwasserereignis im August 2007 deutliche Abweichungen in den jeweiligen Abflüssen laut Abflusskurven auf.?

6 Folie 6 Ruhr bei Mittelwasser (Quelle: Ruhrverband)

7 Folie 7 Ruhr beim Hochwasser 2007 (Quelle: Ruhrverband)

8 Folie 8 Grund für die Abweichungen: fehlerhafte Abflusskurven, im oberen Abflussbereich ist keine ausreichende vorhanden, um die Abflusskurven zu extrapolieren, durch das extreme Hochwasserereignis 2007 stehen neue Messdaten zur Verfügung, welche eine neue Kalibrierung der Abflusskurven ermöglichen, dies ist die grundlegende Aufgabenstellung des beschriebenen Projektes.

9 Folie 9 Zur Projektbearbeitung werden hydraulische Daten (Abflusswerte etc.) vom Ruhrverband zur Verfügung gestellt, zusätzlich werden Höhendaten (DGM5, DGM5L) von der Bezirksregierung Köln (Landesvermessungsamt) angefordert, ergänzende Profildaten aus dem Hochwasseraktionsplan Ruhr vervollständigen die.

10 Folie 10 Für eine geplante hydrodynamische, numerische Modellierung ist eine Plausibilitätsprüfung der Datensätze zwingend erforderlich, ein numerisches Modell ist lediglich so gut wie die zugrundeliegenden Daten, gewählt wird ein mehrstufiges Überprüfungsverfahren, um korrekte Daten zu gewährleisten: 1. Vergleich von DGM5 und DGM5L Daten (Frage: Ist es ausreichend, das gerasterte DGM5 den Laserscandaten DGM5L vorzuziehen?), 2. eigene Vermessungsarbeiten zur Überprüfung des DGM (Frage: Trifft das Rastermodell DGM5 die maßgeblichen Bruchkanten?), 3. ADCP (Acoustic Doppler Current Profiler) Messungen, um gegebene Profildaten zu überprüfen (Frage: Sind die Profildaten noch von ausreichender Genauigkeit?).

11 Folie Vergleich von DGM5 und DGM5L Daten In NRW liegen nahezu flächendeckend Laserscan-Befliegungsdaten vor (hier: DGM5L), extrem hohe Datendichte und resultierend große Dateigrößen (schwer zu handhaben), daher werden ergänzend gerasterte Geländemodelle zur Verfügung gestellt (DGM5 = 10 Meter Raster), Daten werden bereinigt (Wälder, Häuser etc., werden nicht auf Geländehöhe getroffen, so dass diese runtergerechnet werden müssen), bei der Interpolation auf das DGM5 können u. a. Bruchkanten ausgewaschen werden dies ist zu prüfen.

12 Folie Vergleich von DGM5 und DGM5L Daten

13 Folie Vergleich von DGM5 und DGM5L Daten

14 Folie Vergleich von DGM5 und DGM5L Daten

15 Folie Vergleich von DGM5 und DGM5L Daten

16 Folie Vergleich von DGM5 und DGM5L Daten

17 Folie Vergleich von DGM5 und DGM5L Daten Fazit: *** Das DGM5 bietet bei geringerer Datenmenge eine ausreichende Genauigkeit; allerdings nur wenn sichergestellt ist, dass die Bruchkanten hinreichend genau abgebildet werden! *** Also: Überprüfung maßgeblicher Geländekanten etc. mithilfe eigener Vermessungsarbeiten.

18 Folie Eigene Vermessungsarbeiten Im März 2008 werden Vermessungsarbeiten durchgeführt, Messgeräte: zwei GPS vom Typ Trimble R8 GNSS mit Saposantenne Gemessen werden UTM- (Universal Transverse Mercator) bzw. WGS84- (World Geodetic System 1984) Werte, welche anschließend in das Gauß-Krüger-Koordinatensystem mit vorhandenen Stützpunkten zu transformieren sind, Hattingen: Vermessungsdatum: Anzahl der Vermessungspunkte: 625 Wetter: Vermessungsdatum: Anzahl der Vermessungspunkte: 213

19 Folie Eigene Vermessungsarbeiten SAPOS = SatelittenPositionierungsdienst der deutschen Landesvermessung, Netz von Referenzstationen, die permanent Satellitensignale des Global Positioning Systems (GPS) auswerten, zweiter GPS-Empfänger wird eingespart, Einwahl über Handynetz, Korrekturdatenermittlung.

20 Folie Eigene Vermessungsarbeiten

21 Folie Eigene Vermessungsarbeiten

22 Folie Eigene Vermessungsarbeiten

23 Folie Eigene Vermessungsarbeiten Hattingen Wetter

24 Folie Eigene Vermessungsarbeiten Abweichungen zum DGM5 Hattingen Wetter

25 Folie Eigene Vermessungsarbeiten Fazit: *** Das DGM5 kann bei Einbeziehung einiger eigens aufgemessener Bruchkanten problemlos für die Erstellung des numerischen Modells verwendet werden! *** Also: Es verbleibt noch die Überprüfung der Profildaten.

26 Folie ADCP Messungen Aus der Laserscan-Befliegung resultieren keine Profildaten, da die Wasseroberfläche getroffen wird, so führt der Ruhrverband im Frühjahr 2008 ADCP Messungen im Bereich beider Pegel durch, um zu überprüfen, ob die Profildaten aus dem HW- Aktionsplan noch hinreichend genau sind.

27 Folie ADCP Messungen Die Ergebnisse der ADCP Messungen zeigen (auch nach einer zweiten Überprüfung) deutliche, teils gravierende Unterschiede und Veränderungen der Profile im Gegensatz zum HW-Aktionsplan Ruhr. Hattingen Wetter

28 Folie ADCP Messungen Hattingen Profil Profil Profil 55900

29 Folie ADCP Messungen Wetter Profil Profil Profil 79742

30 Folie ADCP Messungen Fazit: *** Im Bereich der Pegel werden die neu aufgemessenen Profildaten für die numerischen verwendet! *** Somit sind alle notwendigen geometrischen Randbedingungen für die Erstellung der numerischen Modell gegeben.

31 Folie 31 Mit den aufbereiteten Daten werden für Hattingen und Wetter je ein numerisches 2-D-Modell erstellt, Pre- und Postprocessing: Surface-water Modeling System (SMS v9.0), Rechenkern: HYDRO_AS-2D (v2.2), Stichworte: Höhenmodell, Rauheiten, Hydraulische Randbedingungen, Kalibrierung.

32 Folie 32 Modell Hattingen: Oberer Modellrand: KM 56,791 Unterer Modellrand: KM 51,360 Modelllänge: ca. 5,4 km Pegel: KM 55,807 Anzahl der Zellen: ca Anzahl der Punkte: ca Höhenerstreckung: 55,77 bis 75,00 m ü. NN Modell Wetter: Oberer Modellrand: KM 82,139 Unterer Modellrand: KM 74,181 Modelllänge: ca. 7,9 km Pegel: KM 79,742 Anzahl der Zellen: ca Anzahl der Punkte: ca Höhenerstreckung: 75,78 bis 95,00 m ü. NN

33 Folie 33 Modell Hattingen: Geländehöhen

34 Folie 34 Modell Hattingen: Materialien

35 Folie 35 Modell Wetter: Geländehöhen

36 Folie 36 Modell Wetter: Materialien

37 Folie 37 Unter Verwendung der numerischen 2-D- werden Simulationen für unterschiedliche Durchflüsse durchgeführt, mithilfe von Kontrollpunkten und -querschnitten lassen sich u. a. Wasserstände an bestimmten Punkten und somit Wasserspiegellagen ermitteln, mit den Ergebnissen können letztendlich neue Abflusskurven erstellt werden, dabei erfolgt eine Unterscheidung zwischen sommerlichen und winterlichen Bewuchssituationen (Rauheitsvariationen), da das System sensibel auf sich verändernde Oberflächenbeschaffenheiten reagiert.

38 Folie 38 Neue Abflusskurven für Hattingen:

39 Folie 39 Neue Abflusskurven für Wetter:

40 Folie 40 Bedingt durch ein extremes HW-Ereignis im August 2007 wurden Diskrepanzen zwischen den beiden Abflusskurven Hattingen und Wetter festgestellt, im Zuge der Projektbearbeitung und rstellung erfolgte eine vertiefte Überprüfung der Höhendaten (DGM5, DGM5L) im Vergleich zu eigenen Vermessungsdaten, es zeigten sich gute Übereinstimmungen und ausreichende Genauigkeiten der DGM5 Daten, mithilfe numerischer 2-D-Simulationen konnten neue Abflusskurven generiert und dem Ruhrverband zur Verfügung gestellt werden. Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit. Dr.-Ing. Mario Oertel Akademischer Rat Oberingenieur LuFG Wasserwirtschaft und Wasserbau Bergische Universität Wuppertal Tel.: