RHESI als FIRST LEGO Legue Forschungsthema

Transkript

1 RHESI als FIRST LEGO Legue Forschungsthema Jedes Jahr beschäftigen sich weltweit etwa Teams aus jährigen Jugendlichen im Rahmen des Forschungs- und Roboterwettbewerbs FIRST LEGO League (FLL) auch mit einem Projekt zum Jahresforschungsthema. Dabei müssen sich die Teams zunächst eine Forschungsaufgabe suchen zu deren Lösung sie als Team beitragen können. Die Teams haben dann etwa ein halbes Jahr Zeit ihre selbstgewählte Forschungsaufgabe (auch mit Hilfe externer Experten) zu bearbeiten und dann die Ergebnisse einer möglichst breiten Öffentlichkeit zugänglich zu machen. Am FLL-Wettbewerbstag müssen die Teams dann ihre Forschungsergebnisse vor einer Jury präsentieren. Wir - das Team etecrobots der HTL Bregenz - haben uns im Rahmen des FLL-Jahresthemas 2013 die Natur spielt verrückt die Aufgabe gestellt, das für die Zukunft Vorarlberg sehr wichtige Projekt Rhesi und das gewaltige Gefährdungspotential durch Rheinhochwasser unter Jugendlichen bekannter zu machen. Dazu haben wir uns zunächst die konkrete Aufgabe gestellt die Zeit zu berechnen, in der große Teile des Rheintals nach einem Dammbruch bei Feldkirch vollständig überschwemmt sind und haben anschließend unsere Berechnungen mit einem praktischen Experiment mit einem einfachen Modell überprüft. Dann haben wir eine Powerpointpräsentation ausgearbeitet mit der wir das Jahrhundertprojekt Rhesi und unser Berechnungsverfahren, die Berechnungsergebnisse und deren Überprüfung mit einem praktischen Versuch vielen Schülerinnen und Schülern der HTL Bregenz vorgestellt haben. Im folgendem finden Sie diese Präsentation und unsere en zu den einzelnen n. Text zur Wir begrüßen Sie herzlich zur Präsentation unserer Forschungsarbeiten zum FLL Jahresthema die Natur spielt verrückt. Letzten Juni haben wir uns überlegt, welches Naturereignis Vorarlberg besonders hart treffen würde und was wir als Schüler beitragen könnten um die Auswirkungen zu verringern. Nach dem Frühjahrshochwasser 2013 haben wir bei einem Vortrag zum ersten Mal vom Projekt RHESI gehört.

2 Obwohl wir in Vorarlberg schon länger nicht mehr ein folgenschweres Rhein-Hochwasser hatten, ist es nicht unwahrscheinlich, dass es in Zukunft ein größeres geben wird. Deshalb wird in diesem Abschnitt eine der vielen Dammvarianten, zum Ausbau des Rheinvorlandes, von Rhesi erklärt. RHESI bedeutet RHein Erholung und SIcherheit Beim Projekt Rhesi geht es darum, den Rheindamm so zu verstärken bzw. zu erneuern, dass die Vorarlberger Bevölkerung, welche im möglichen Überschwemmungsgebiet leben, für ein 300-jähriges Hochwasser gesichert ist. Im Moment ist das Rheingebiet für ein 100-jähriges Hochwasser ausgebaut. Doch da ein 300-jähriges Hochwasser nicht auszuschließen ist, wurde das Projekt Rhesi ins Leben gerufen und ausführlich geplant. Es wurden mehrere Dammvarianten geplant um dies zu erneuern: Die ökologisch sinnvollste und für unsere Jugendliche auch die spannendste Variante, da dadurch ein Freizeitgelände für klein und groß entlang des Rheins entstehen würde, ist die Variante B5. Dabei werden die inneren beiden Dämme entfernt, das bisherige Rheinvorland wird abgesenkt und die äußeren Dämme werden verstärkt. Dieser Lösungsweg bringt aber auch einige Probleme mit sich, da sich viele Landwirte aus dem Vorarlberger Rheintal dagegen wehren. Das Hauptproblem liegt daran, dass die meisten Felder dieser Landwirte sich im Rheinvorland befinden. Die Felder würden für das Projekt Rhesi in Anspruch genommen werden. Im Moment wird über eine mögliche Einigung diskutiert.

3 Ein 300-Jähriges Rheinhochwasser stellt für uns Vorarlberger eine große und leider auch zukünftig reale Gefahr dar. Dieses Hochwasser würde enorme Folgekosten hervorrufen die bis in den Milliardenbereich reichen. Diese finanziellen Fakten und Auswirkungen werden in dieser sehr genau erklärt. Wir wollen nun mit unserem FLL-Forschungsprojekt die Gefahren eines Rheinhochwassers und eines Dammbruches für Vorarlberg verdeutlichen. Dazu haben wir uns einmal genauer mit den Folgekosten nach einem 300-Jahr-Hochwasserereignis auseinandergesetzt. Der geschätzte Wasserschaden beträgt für Vorarlberg etwa 2,6 Milliarden Fast noch viel schlimmer ist, dass unsere großen Firmen, wie zum Beispiel die Firma Blum, Alpla, Grass, die davon betroffen wären, teilweise bis zu einem Jahr nicht mehr produzieren könnten, da sie die zerstörten Fertigungsmaschinen nicht so schnell ersetzen könnten. Wie schaut Vorarlberg nach so einem Jahrhundertdammbruch aus?

4 Auf diesem Bild kann man den Wasserstand bei einem 1000-jährigen Hochwasser sehen. Rot wie es in Koblach ist bedeutet einen Wasserstand von 9m. Wir haben uns dieses Bild genauer angeschaut und versucht die Füllzeit zu berechnen. Die farbigen Stellen im Bild zeigen die überschwemmten Gebiete in Vorarlberg nach einem 1000-jährigen Hochwasser, bei einem rechtsseitigen Dammbruch bei Feldkirch und bei einem linksseitigen Dammbruch in der Schweiz. Die Farben entsprechen der Wasserhöhe in den Überschwemmungsgebieten. Rot, wie wir es in der Gegend von Koblach haben, bedeutet eine Wasserhöhe von 9 m. Um die mögliche Reaktionszeit der Vorarlberger Bevölkerung nach einem Dammbruch einschätzen zu können haben wir uns als Forschungsaufgabe ausgewählt, auszurechnen, in welcher Zeit Vorarlberg nach einem Dammbruch bei einem 1000-jährigen Hochwasserereignis gefüllt wird.

5 Wie hoch wird das Wasser stehen wenn der Rhein übergeht? Auf dieser wird die Berechnung des Wasservolumens dargestellt. Das heißt, wie hoch das Wasser stehen würde in den verschiedenen Orten. Das dabei zu füllende Volumen haben wir so ermittelt, indem wir das Überschwemmungsgebiet in Spalten mit einer mittleren Höhe eingeteilt haben. Mit diesem Spaltenmodell und den nummerierten Spalten ist es dann durch Excel leicht das Wasservolumen auszurechnen. Wir sind auf ungefähr 160 Millionen m3 gekommen.

6 Hier wird die Berechnung der Zeit dargestellt, die der Bevölkerung bei einem extremen Hochwasser bleibt um zu handeln. Geht man von einer konstanten Zuflussmenge von z.b m³/s nach einem Dammbruch aus, dann ist die Berechnung der Gesamtzeit bis alles überschwemmt ist leicht: Das Gesamtvolumen in m³ wird dividiert durch die Zuflussmenge in m³/s. Wir sind so auf ca. 18 Stunden gekommen. In der Realität ist der Zufluss durch den Dammbruch aber von der Zeit nach dem Dammbruch abhängig, weil das Wasser im Rhein vor der Dammbruchstelle mit der Zeit noch weiter ansteigt. Außerdem werden die tiefer gelengenden Stellen wie z.b. Koblach ja zuerst schneller überschwemmt. Wenn man das genauer anschauen will, muss man das Wasservolumen von unten weg in Scheiben einteilen die nacheinander gefüllt werden. Wenn man mit Excel die Füllzeiten der einzelnen Scheiben berechnet und dann zusammenzählt, kommt man auf die Gesamtzeit und sieht außerdem, in welcher Zeit das Wasser in den einzelnen Scheiben ansteigt. Diese Berechnung ist schon nicht mehr so einfach, man kommt leicht mit den Höhen durcheinander. Daher sollte man bei komplizierten Berechnungen oder Simulationen hinterher nochmals kontrollieren, ob das Ergebnis auch wirklich stimmen kann.

7 Um darzustellen wie schnell Vorarlberg gefüllt wird, haben wir uns ein Überschwemmungsmodell gebaut. Dadurch können wir unsere Rechnung mit der Realität vergleichen und überprüfen ob wir richtig gerechnet haben. Wir haben uns für den praktischen Versuch ein einfaches Überschwemmungsmodell gebaut, das nur aus zwei rechteckförmigen Plastikbehältern besteht: Der große wird mit Wasser gefüllt bis es aus den Seiten herausrinnt und der Überschwemmungswasserstand konstant bleibt. Anschließend wird der kleinere Behälter mit dem Dammbruchschlitz in den großen Behälter gedrückt. Dann fließt durch den Dammbruchschlitz das Wasser in den kleinen Behälter und füllt ihn. Wir können mitstoppen wie das Wasser steigt und wann der Behälter voll ist. Diese Zeiten können wir auch mit unserem Excel-Scheibenmodell berechnen und so schauen ob es richtig rechnet. Was glauben Sie wie lange dauert es bis der kleine Behälter durch diesen kleinen Schlitz gefüllt ist?

8 Auf dieser sieht man wie wir unser Experiment durchführen. Das Diagramm veranschaulicht wie die Wasserhöhe mit der Zeit ansteigt. Die zeigt ein Foto unseres Experiments im Wasserbecken des Mikrocontrollerlabors. Das Diagramm daneben zeigt, wie das Wasser im Behälter mit der Zeit ansteigt. Wirklich verblüfft hat uns dabei, dass das die Anstiegsgeschwindigkeit konstant bleibt auch wenn der Wasserstand über der Dammbruch-Unterkante liegt. Ein Experte vom Wasserbauamt hat uns das mit dem Prinzip der kommunizierenden Gefäße erklärt. Aus dem Diagramm können wir die Zuflussmenge in cm3/s durch den Schlitz berechnen und dann zur Kontrolle über das Volumen des Behälter die Gesamtfüllzeit.

9 Auf der folgenden sieht man ein Diagramm, welches simulierte Abflussmengen bei verschiedenen Hochwassersituationen in Abhängigkeit der Zeit darstellt. Von Herrn Mähr von der Rheinbauleitung haben wir simulierte Abflussmengen bei verschiedenen Hochwassersituationen bekommen: Die Simulation: Die schwarze Linie stellt ein 1000-Jähriges Hochwasser dar. Die braune Linie stellt ein 300-Jähriges Hochwasser dar. Die blaue Linie stellt einen linksseitigen Dammbruch bei einem 1000-Jährigen Hochwasser dar. Die blaue strichlierte Linie stellt einen rechtsseitigen Dammbruch bei einem 1000-Jährigen Hochwasser dar. Die grüne Linie stellt die über den Rhein schwappende Wassermenge auf der linken Seite dar, falls der Damm hält. Die grüne strichlierte Linie stellt die über den Rhein schwappende Wassermenge auf der rechten Seite dar, falls der Damm hält. Wir wissen also jetzt wie der zeitliche Verlauf des Zuflusses nach Vorarlberg hinein ausschauen könnte. Das könnten wir in unserem Excel-Scheibenmodell mit berücksichtigen dazu sind wir aber jetzt nicht mehr gekommen.

10 Wir möchten uns bei den Experten für Ihre Unterstützung bedanken. Wir möchten uns ganz herzlich bei: DI Thomas Blank (Wasserbauamt) Dr. Markus Mähr (Rheinbauleitung) DI Dr. Klaus-Peter Schröcker (HTL Bregenz) Mag. Ing. Reinhard Berger (HTL Bregenz) für ihre Unterstützung bedanken. Danke auch der Klasse 2HE, 3HE und 3aHa die uns bei den Proben zugeschaut haben und den Professoren die uns Verbesserungsvorschläge gemacht haben. Sehr nützliche Info-Quellen über RHESI die auch wir genützt haben sind: Wanderausstellung über Rhesi ab in Lustenau Informationen zur FIRST LEGO League Vorarlberg finden Sie unter: Danke für Ihre Aufmerksamkeit. Für den Inhalt der Präsentation verantwortlich: Clemens Armellini, Laurin Burtscher, Daniel Caldonazzi, Timo Hagen, David Kern