Vorgehensweise zur Bestimmung von extremen HW-Spitzen bzw. Volumina

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1 Folie Vorgehensweise zur Bestimmung von extremen HW-Spitzen bzw. Volumina Dr.-Ing. Harald Wegner (ASCE, BWK, DWA, EWRI) Franz Fischer Ingenieurbüro Gliederung Folie Aufgabenstellung HQ/HW, EHQ, Erfordernisse der DIN 97, Grundlagen Grundfragen Homogenität der Grunddaten, Homogenität System, Auswirkungen 3 Weg zur Ermittlung großer Hochwasser Behandlung von Ausreißern und Systeminhomogenitäten Ermittlung von Extremereignissen Abflüsse, Volumina Fazit

2 Was ist ein extremes Hochwasser? Folie 3 Aufgabenstellung Folie Wünsche/Forderungen: Hochwasserrichtlinie, Hochwassergefahrenkarten: HQ/, EHQ DIN 97: T n,,,.,.,. Jahre Bemessungsabfluss BHQ Bemessungsfall Bemessungsfall Klasse Hochwasserentlastung Anlage Große Talsperrren T =. Jahre T =. Jahre Kleine Talsperren T = Jahre T =. Jahre Gegebenheiten: Belastungsreihen bis maximal Jahre (Niederschlag) Wünsche richten sich nicht auf den Niederschlag, sondern auf die Abflüsse und noch mehr auf die (Schaden bringenden) Wasserstände Daten von Belastung und Abfluss sind nur statistisch extrapolierbar Inhomogenitäten sind begründet im Datenmaterial und den örtlichen wasserwirtschaftlichen Gegebenheiten

3 Gliederung Folie Aufgabenstellung HQ/HW, EHQ, Erfordernisse der DIN 97, Grundlagen Grundfragen Homogenität der Grunddaten, Homogenität System, Auswirkungen 3 Weg zur Ermittlung großer Hochwasser Behandlung von Ausreissern und Systeminhomogenitäten Ermittlung von Extremereignissen Abflüsse, Volumina Fazit Homogenität der Belastungsdaten Folie Konfidenzgrenze ca. Jahre umfassende Datenreihe Ereignis weglassen - aus der Grundgesamtheit für die Statistik entfernen Ereignis setzen - mit einer Jährlichkeit größer als der Reihe angemessen belegen 3

4 Homogenität der Belastungsdaten Folie 7 Nichtbeachten von Ausreissern: Marten 3 Jahre mit Ausreisser Marten 3 Jahre ohne Ausreisser Nettebach Jahre mit Ausreisser Nettebach Jahre ohne Ausreisser Abfluss m3/s kurz Reihe lang mit Ausreisser ohne Ausreisser HQ HQ HQ HQ Jährlichkeit Tn Abflüsse größer HQ Folie Extremwertextrapolation und die Abhängigkeit von den Grunddaten nette all nette- marten all marten- nette all nette- marten all marten- BHQ NAM Alle Ereignisse max. Ereignis weggelassen/gesetzt..

5 Einordnung Niederschlagsereignis Juli Folie 9 h 3 h h h h 3 h h h h h h 7 h h h h 7 h Niederschlag [mm] 9 Niederschlag [mm] h 3 h h h h 3 h h h h h h 7 h h h h 7 h Niederschlag [mm] 9 Niederschlag [mm] Einordnung Niederschlagsereignis Juli Folie Ostalpen Kalenderjahr h 3 h h h h h h 7 h h 3 h h h h h h 7 h Niederschlag [mm] [mm] 9 9 Niederschlag [mm] 9 3 h 3 h h 3 h h h h 3 h h h h 3 h h h h h h 7 h h h h 7 h Niederschlag [mm] 9 Niederschlag [mm]

6 Inhomogenität aus Belastungs-/Systemeigenschaften Folie GE-Bismarck HRB Herne N-Reihen ohne Ausreisser HRB Bo-Hordel GE-Altstadt HRB Goldhammer Bach Bochum DMT N-Reihe mit Ausreisser BO-Wattenscheid Wichtung des max. Ereignisses Bochum DMT keine Wichtung Wichtung mit Tn=a Wichtung mit Tn=a Übergang von hoher zu geringer Wichtung N-Einzugsgebiete GE-Bismarck GE-Altstadt BO-Wattenscheid Bochum DMT Inhomogenität aus Systemeigenschaften Folie Beginn (systembedingt) inhomogener Daten Grenze (systembedingt) homogener Daten Fließrichtung

7 Exkurs: Auswertung Überstau Folie 3 Problem Kanalnetzwasserstände sind hoch inhomogen bedingt durch das System. Gleiches gilt für Grundwasserstände.,, 3, Bereich III: Überstau Gelände Wasserstand über Sohle in m 3,,,, Bereich II: Rückstau im Netz, Rohrdurchmesser, Freier Durchfluss,,,,, Jährlichkeit Bereich I: Gliederung Folie Aufgabenstellung HQ/HW, EHQ, Erfordernisse der DIN 97, Grundlagen Grundfragen Homogenität der Grunddaten, Homogenität System, Auswirkungen 3 Weg zur Ermittlung großer Hochwasser Behandlung von Ausreissern und Systeminhomogenitäten Ermittlung von Extremereignissen Abflüsse, Volumina Fazit 7

8 Grenzen statistischer Auswertungen Folie m3/s 3 Tsd m3 Volumen (Tn = Jahre).. m Jahre m3/s 3 Jahre Tsd m3 7.. Jahre 3 Jahre Berechnung extremer Hochwasserereignisse Folie Grundlagen/Vorgehen: Statistik funktioniert nur mit homogenem Datenmaterial Erkenntnis, dass inhomogenes Datenmaterial vorliegt Datenmaterial ist zu homogenisieren dann trifft es nicht mehr die Realität gibt jedoch eine Randbedingung für die weiteren Betrachtungen Modellbelastungen definierter Jährlichkeit an die idealisierte Verteilung anpassen Auswertung der Ergebnisse für die Modellbelastungen

9 Beurteilung von Inhomogenitäten Folie 7 Fall : Belastungsinhomogenität (entfernen, setzen) Fall : geringfügige Inhomogenität, Berechnung möglich Fall 3: keine einfache Statistik zu ermitteln Behandlung von systembedingten Inhomogenitäten Folie Erkennen systembedingter Störungen Abfluss in m 3 /s 9 7 3,,, Wiederkehrzeit T n (a) Elemination systembedingter Störungen, Berechnung ungestörter Randbedingungen Abfluss in m 3 /s 9 7 3,,, Wiederkehrzeit T n (a) 9

10 Behandlung von systembedingten Inhomogenitäten Folie 9 Ereignisberechnung mit äquivalenten Synthetischen Belastungen definierter Jährlichkeit Abfluss in m 3 /s 9 7 3,,, Wiederkehrzeit T n (a) 9 "DVWK-Regen" Die m.e. beste/einfachste Möglichkeit besteht im DVWK-Regen mit einer Variation der Dauerund Intensitätsstufen Niederschlag in Prozent Zeit in Prozent Intensität Summenlinie Zeit Niederschlag Zeit Niederschlag. Block 3% % 3% %. Block % % % 7% 3. Block % 3% % % Exkurs: Niederschlagsverteilung Folie Problem Eulerregen: Die Spitze im -Minutenintervall bleibt über alle Niederschlagsdauer gleich. Eine extreme -Minutenspitze in längeren Landregen ist jedoch meteorologisch Niederschlagsintensität Min, 9 mm Std, mm Std, 9, mm unsinnig. 3 3 Niederschlagsdauer Der DVWK-Regen ist durch die gleichbleibende Verteilung über Prozentverteilung gutmütiger, realistisch Niederschlag in Prozent "DVWK-Regen" Zeit in Prozent Intensität Summenlinie Zeit Niederschlag Zeit Niederschlag. Block 3% % 3% %. Block % % % 7% 3. Block % 3% % %

11 Behandlung von systembedingten Inhomogenitäten Folie Ergebnis des Vergleichs homogenes System Langzeitbelastung und Modellregen Abfluss in m 3 /s 9 7 3,,, Wiederkehrzeit T n (a) Ergebnis von Belastungsvarianten für das Volumen Abfluss in m 3 /s 9 7 3,,, Wiederkehrzeit T n (a) Ergebnis einer Bearbeitung Folie Ergebnis einer Bearbeitung mit System- und Ereignisbedingten Inhomogenitäten V =. m³ Empirische Daten LZ-Simulation (jährliche Serie) Modellregenberechung max. Ereignis.. auf T n =a gesetzt HRB voll gefüllt Volumen [Tausend m³]

12 Gliederung Folie 3 Aufgabenstellung HQ/HW, EHQ, Erfordernisse der DIN 97, Grundlagen Grundfragen Homogenität der Grunddaten, Homogenität System, Auswirkungen 3 Weg zur Ermittlung großer Hochwasser Behandlung von Ausreissern und Systeminhomogenitäten Ermittlung von Extremereignissen Abflüsse, Volumina Fazit Ermittlung der BHQ für HQ und EHQ Folie Bestimmung von HQ und EHQ (=HQ ) oder größer über die (homogene) jährliche Serie Prüfung der Ergebnisse nach Kleeberg/Schumann - insbesondere für T n größer Jahre Extrapolation des -jährlichen Niederschlags zur Generierung der Abflusswellen des NA-Modells passend zu den extremwertstatistisch bestimmten Werten BHQ. DVWK-Verteilung (anfangsbetont, mittenbetont, endbetont) Dauerstufen: sinnvoll dem Gebiet angepasst (einige Stunden bis einige Tage)

13 Beispiel Extrapolation HQ und HQ Folie Extremwertextrapolation 7,, Empirisch Empirisch Pears3 Gumbel Weibull Gamma Exp, HQ : 7, m³/s,, HQ :, m³/s,, Q [m³/s] 3, 3,,,,,,, Wellen HQ und HQ Folie Abfluss passt zur Statistik Niederschlag für HQ: Dauer: d, h N : mm (endbetont), für EHQ (=HQ): Dauer: d, h N : mm (endbetont) passt zu KOSTRA m³/s 97 m³/s Pegel m³/s m³/s Pegel 3 m³/s Pegel 3 3 m³/s 3

14 Gliederung Folie 7 Aufgabenstellung HQ/HW, EHQ, Erfordernisse der DIN 97, Grundlagen Grundfragen Homogenität der Grunddaten, Homogenität System, Auswirkungen 3 Weg zur Ermittlung großer Hochwasser Behandlung von Ausreissern und Systeminhomogenitäten Ermittlung von Extremereignissen Abflüsse, Volumina Fazit Fazit Folie Wir brauchen Aussagen zu Extremhochwasser in Bezug auf Abfluss und Volumen. Berechnungsgrundlagen müssen auf Inhomogenitäten in Bezug auf Ereignisse und das System betrachtet werden. Die Inhomogenitäten müssen vor einer statistischen Auswertung eliminiert werden. Modellbelastungen müssen den Ergebnissen der homogenen Verteilung angepasst werden. Die Systembelastung muss auf das rückgewandelte realistische System angewandt werden. Alle Ergebnisse müssen im Verbund auf Plausibilität geprüft werden. Danke