Institut für Wasser und Gewässerentwicklung Bereich Hydrologie Prof. Dr.-Ing. Erwin Zehe Abteilung Ingenieurhydrologie Dr.-Ing. Jürgen Ihringer Telefon: 0721 608-4-3907 KIT-Campus Süd IWG Postfach 6980 76049 Karlsruhe Institut für Wasser und Gewässerentwicklung - Hydrologie Besucher- und Lieferanschrift: Otto-Ammann-Platz 1, Geb. 10.81, 4. OG 76131 Karlsruhe Telefon: 0721 608-4-3814 Fax: 0721 608-4-5651 E-Mail: Hydrologie@iwg.kit.edu Web: www.iwg.kit.edu KOSTRA-DWD-2010 Bewertung im Hinblick auf die wasserwirtschaftliche Bemessungspraxis Projektnummer: HY 16/3 Auftraggeber: Landesanstalt für Umwelt, Messungen und Naturschutz Baden-Württemberg Bearbeiter: Dr.-Ing. Jürgen Ihringer Dr.-Ing. Martin Helms Karlsruhe, 20. Dezember 2016 Dr.-Ing. J. Ihringer Karlsruher Institut für Technologie (KIT) Universitätsbereich Kaiserstraße 12 76131 Karlsruhe Präsident: Prof. Dr.-Ing. Holger Hanselka Vizepräsidenten: Dr. Elke Luise Barnstedt, Dr. Ulrich Breuer, Prof. Dr. Thomas Hirth, Prof. Dr. Oliver Kraft, Prof. Dr. Alexander Wanner KIT Die Forschungsuniversität in der Helmholtz-Gemeinschaft Bundesbank Karlsruhe BLZ 660 000 00 Kto. 66 001 508 BIC/SWIFT: MARK DE F1660 IBAN: DE57 6600 0000 0066 0015 08 USt-IdNr. DE266749428 www.kit.edu
IWG-Hydrologie Inhaltsverzeichnis Seite: I Inhaltsverzeichnis 1 Aufgabenstellung... 1-1 2 KOSTRA-DWD-2010... 2-1 2.1 Veränderung in der Methodik... 2-1 2.2 Veränderung in den Niederschlaghöhen... 2-6 3 Auswirkung auf die wasserwirtschaftliche Bemessungspraxis... 3-1 3.1 100-jährliche Bemessungsabflüsse... 3-2 3.2 Auffällige KOSTRA-Zellen in Baden-Württemberg... 3-11 3.3 Korrekturmöglichkeit von KOSTRA-Zellen und deren hydrologische Konsequenz... 3-14 4 Zusammenfassung und Empfehlung... 4-1 5 Literatur... 5-1 Abbildungsverzeichnis... 1 Tabellenverzeichnis... 2
Seite: II Inhaltsverzeichnis IWG-Hydrologie
IWG-Hydrologie Aufgabenstellung Seite: 1-1 1 Aufgabenstellung Bei der Planung und Bemessung von wasserwirtschaftlichen/wasserbaulichen Anlagen zum Zwecke des Hochwasserschutzes werden Hochwasserabfluss-Ereignisse benötigt, die vorgegebenen Jährlichkeiten zugeordnet werden können. Diese Hochwasserereignisse werden in der Regel über Niederschlag-Abfluss-Modelle aus Niederschlagsereignissen derselben Jährlichkeiten abgeleitet. Hierzu stehen in Deutschland flächendeckend die Niederschlagsstatistiken des Deutschen Wetterdienstes (DWD) zur Verfügung. Bisher waren dies die Starkniederschlagshöhen für Deutschland (KOSTRA-DWD-2000), die auf den Beobachtungsdaten bis zum Jahr 2000 beruhen (DWD 2005a und 2005b). Aus KOSTRA-DWD-2000 können T-jährliche Niederschlagshöhen für beliebige Jährlichkeiten T zwischen T = 0,5 a und T = 100 a für Dauerstufen zwischen D = 5 min und D = 72 h entweder als Jahreswerte oder getrennt für die Sommer- und Winterperiode abgeleitet werden. Die räumliche Zuordnung der statistischen Informationen erfolgt über Rasterzellen, die jeweils eine Größe von ca. 70 km² aufweisen. Beispielhaft zeigt Abb. 1-1 die räumliche Verteilung der 100- jährlichen Niederschlagshöhen für die Dauerstufe D = 12 h. Der Deutsche Wetterdienst (DWD) hat die Niederschlagsstatistiken unter Berücksichtigung des fortgeschriebenen Datenstands aktualisiert. Hierzu wurden die Beobachtungszeitreihen der einbezogenen Niederschlagsdaten bis zum Jahr 2010 verlängert und die Niederschlagsstatistiken neu erstellt. Die Bearbeitung dieser aktualisierten Statistiken wurde Ende 2015 abgeschlossen und sind in der Zwischenzeit als KOSTRA-DWD-2010 veröffentlicht (DWD 2015, ITWH 2016). Aufgrund verschiedener Präsentationen des DWD und auch aufgrund einzelner Vorabgutachten für ausgewählte Gebiete in Baden-Württemberg scheinen regional sehr unterschiedliche Veränderungen in den T-jährlichen Niederschlagshöhen vorzuliegen. Tendenziell sind offensichtlich die Niederschlagshöhen der kurzen Dauerstufen nahezu unverändert. Dem gegenüber ergeben sich in verschiedenen Regionen bei den langen Dauerstufen teilweise erhebliche Veränderungen. In der wasserwirtschaftlichen Bemessungspraxis haben sowohl die kurzen als auch die langen Dauerstufen eine wichtige Bedeutung. Aufgrund des Abflussverhaltens von Einzugsgebieten ergibt sich bei der Anwendung eines Niederschlag-Abfluss-Modells zur Ermittlung von T-jährlichen Hochwasser-Bemessungsereignissen der maßgebende Abflussscheitelwert in kleineren Einzugsgebieten aus Niederschlagsereignissen mit recht kurzen Dauerstufen. Die maßgebenden Rückhaltevolumina von Hochwasserrückhaltebecken leiten sich dagegen meist aus Niederschlagsereignisses mit längeren Dauerstufen ab. Somit können Veränderungen in den Niederschlagsstatistiken über die gesamte Spannweite der Dauerstufen Konsequenzen auf die Planung neuer und die Bewertung vorhandener wasserwirtschaftlichen Anlagen haben. Aufgabe der hier dokumentierten Studie ist eine flächendeckende Auswertung der Veränderungen von KOSTRA-DWD-2010 in Baden-Württemberg im Vergleich zu KOSTRA-DWD-2000. Anschließend sollen die Konsequenzen der aktualisierten Niederschlagsstatistiken (KOSTRA-DWD-2010) auf die wasserwirtschaftliche Bemessungspraxis bewertet werden.
Seite: 1-2 Abb. 1-1: KOSTRA-DWD-2010 IWG-Hydrologie Räumliche Verteilung der Niederschlagshöhen in Deutschland für die Jährlichkeit T = 100 a und die Dauerstufe D = 12 h aus KOSTRA-DWD-2000
IWG-Hydrologie KOSTRA-DWD-2010 Seite: 2-1 2 KOSTRA-DWD-2010 2.1 Veränderung in der Methodik Bei der Neubearbeitung der Niederschlagsstatistiken haben sich einige methodische Änderungen ergeben, die sich auch auf die Bereitstellung und Anwendung der statistischen Informationen auswirken. Im wesentlichen sind dies: Sowohl bei KOSTRA-DWD-2000 als auch bei KOSTRA-DWD-2010 basieren die Niederschlagshöhen der Dauerstufen D 24 h nicht auf den Beobachtungszeitreihen der Niederschlagsstationen sondern auf den regionalisierten täglichen Niederschlagshöhen aus REGNIE (Dietzer 2000, Rauthe et. al. 2013), die eine räumliche Auflösung von 1 x 1 km aufweisen. Da die KOSTRA-Zellen eine Rastergröße von ca. 70 km² aufweisen, liegen somit innerhalb einer KOSTRA-Zelle ca. 70 REGNIE-Zellen. Zur Übertragung der Niederschlagshöhen aus den REGNIE-Daten auf die KOSTRA-Raster wurde bei KOSTRA-DWD-2000 eine repräsentative REGNIE-Zelle gewählt. Bei KOSTRA-DWD-2010 dagegen wurde die REGNIE-Zelle mit der größten Niederschlagshöhe verwendet. Bei beiden KOSTRA-Auswertungen wird die gesamte Niederschlagsstatistik anhand von ausgewählten Stützstellen für die Jährlichkeit T = 1 a und T = 100 a über definierte Interpolationsfunktionen abgeleitet. Für diese beiden Jährlichkeiten gibt KOSTRA-DWD-2000 als Stützstellen die Niederschlagshöhen für die Dauerstufen D = 15 min sowie D = 1, 12, 24, 48 und 72 h an. Bei KOSTRA-DWD-2010 entfallen die Dauerstufen D = 24 und 48 h. Es erfolgt somit eine Interpolation zwischen den Dauerstufen D = 12 h und D = 72 h. Dabei ist zu beachten, dass die Stützstelle für D = 12 h nicht über Extremwertstatistiken abgeleitet wurde. Die Niederschlagshöhe für D = 12 h ergibt sich aus einer Extrapolationsfunktion, die an die Niederschlagshöhen für D = 24, 48 und 72 h angepasst wurde. KOSTRA-DWD-2010 enthält nur noch jährliche Extremwerte des Niederschlags. Auf die jahreszeitliche Unterteilung in Sommer- und Wintersaison wurde verzichtet mit dem Hinweis, dass Kurzzeitniederschläge vorwiegend im Sommerhalbjahr auftreten. Folgende weitere Veränderungen haben sich ergeben, die sich vorwiegend auf die Bereitstellung und Interpretation der Daten beziehen: Die Größe der KOSTRA-Zellen wurde von zuvor 71,5 km² auf ca. 66 km² geändert und die Lage der Zelle ist etwas verschoben Die Spannweite der Niederschlagshöhen für die einzelnen Stützstellen (untere und obere Grenze) ist bei KOSTRA-DWD-2010 reduziert Die Landesfläche von Baden-Württemberg wird durch insgesamt 595 KOSTRA-Zellen abgedeckt. Zuvor waren es 587 Zellen.
Seite: 2-2 KOSTRA-DWD-2010 IWG-Hydrologie Abb. 2-1 zeigt einen Vergleich der Lage der Raster-Zellen bei KOSTRA-DWD-2000 und KOSTRA- DWD-2010 und Abb. 2-2 exemplarisch für eine Rasterzellen die Stützstellen, die zur Berechnung der gesamten Niederschlagsstatistik vorliegen, und die daraus abgeleitete (interpolierte) Abhängigkeit der Niederschlagshöhe von der Dauerstufe und Jährlichkeit. Zur Visualisierung der Verteilung der Niederschläge in Baden-Württemberg zeigt Abb. 2-3 für die Dauerstufen D = 1 h und D = 12 h sowie Abb. 2-4 für die Dauerstufen D = 24 h und D = 72 h die räumliche Verteilungen der Niederschlagshöhen jeweils für die Jährlichkeiten T = 1 a (linkes Diagramm) und T = 100 a (rechtes Diagramm). Für jede Darstellung wurde jeweils die Spannweite der Niederschlagshöhen in 10 äquidistante Klassen unterteilt. Als maßgebender Wert einer KOSTRA- Zelle wurde dabei die Mitte des vorgegebenen Klassenintervalls verwendet. Mit Ausnahme der Dauerstufe D = 24 h stellen die Niederschlagshöhen die Stützstellen für die Anwendung der Interpolationsfunktionen dar. Bei der Dauerstufe D = 24 h dagegen sind es interpolierte Werte. Abb. 2-3 und Abb. 2-4 zeigen, dass sich die Niederschläge in Baden-Württemberg für die dargestellten Dauerstufen und Jährlichkeiten recht homogen verteilen. Die jeweils größten Niederschläge treten dabei vor allem im Bereich des Schwarzwalds und des voralpinen Südostens auf. Bei der Dauerstufe D = 1 h ergeben sich zusätzlich im Bereich der Schwäbischen Alb erhöhte Niederschläge.
IWG-Hydrologie KOSTRA-DWD-2010 Seite: 2-3 Abb. 2-1: Vergleich der Lage der Zellen bei KOSTRA-DWD-2000 und KOSTRA-DWD-2010 Abb. 2-2: Stützstellen aus KOSTRA-DWD-2010 für die Jährlichkeiten T = 1 und 100 a und Dauerstufen D = 15 min sowie 1, 12 und 72 h (oben) und interpolierte Gesamtstatistik (unten) für eine ausgewählte KOSTRA-Zelle
Seite: 2-4 Abb. 2-3: KOSTRA-DWD-2010 IWG-Hydrologie räumliche Verteilung ausgewählter Niederschlagshöhen in BadenWürttemberg für Jährlichkeit T = 1a (links) und T = 100a (rechts) sowie für Dauerstufe D = 1h (oben) und D = 12h (unten); die Niederschlagshöhen sind jeweils in 10 äquidistante Klassen aufgeteilt
IWG-Hydrologie Abb. 2-4: KOSTRA-DWD-2010 Seite: 2-5 räumliche Verteilung ausgewählter Niederschlagshöhen in BadenWürttemberg für Jährlichkeit T = 1a (links) und T = 100a (rechts) sowie für Dauerstufe D = 24h (oben) und D = 72h (unten); die Niederschlagshöhen sind jeweils in 10 äquidistante Klassen aufgeteilt
Seite: 2-6 KOSTRA-DWD-2010 IWG-Hydrologie 2.2 Veränderung in den Niederschlaghöhen Zur Ermittlung und Bewertung der Veränderung von KOSTRA-DWD-2010 gegenüber KOSTRA- DWD-2000 wurden für die KOSTRA-Zellen in Baden-Württemberg die relativen Veränderungen für ausgewählte Dauerstufen berechnet und räumlich dargestellt. Abb. 2-5 und Abb. 2-6 zeigen die räumlichen Veränderungen der Niederschlagshöhen aus KOSTRA-DWQD-2010 gegenüber KOSTRA-DWD-2000 für die Jährlichkeiten T = 1 a (links) und T = 100 a (rechts) für die Dauerstufen D = 1, 12, 24 und 72 h. Die Veränderungen ergeben sich dabei aus der Differenz der Niederschlagshöhen bezogen auf die Werte aus KOSTRA-DWD-2000. Blaue Farben zeigen Abnahmen der Niederschlagshöhen und brau/rote Farben Zunahmen. In Abb. 2-7 und Abb. 2-8 sind die Häufigkeiten der KOSTRA-Zellen in Klassen mit prozentualen Abweichungen (relativen Veränderungen) sowie deren Summenhäufigkeiten dargestellt. Die Spannweite der jeweiligen Veränderungen ist in Tabelle 2-1 für die beiden Jährlichkeiten und die ausgewerteten Dauerstufen aufgeführt. Hieraus ergibt sich: Dauerstufe D = 1 h: Bei der Jährlichkeit T = 1 a (Abb. 2-5, links oben) weisen die Niederschlagshöhen dieser kurzen Dauerstufe nur sehr geringe Veränderungen auf. Die Spannweite liegt zwischen ca. -10% (Abnahmen) und ca. +13% (Zunahmen). Die meisten Veränderungen liegen jedoch in einem Bereich von ±1% (Abb. 2-7, oben). Diese geringe Veränderung ist sicherlich auf die veränderten Klassenintervalle der Niederschlagshöhen zurückzuführen. Knapp 8% der Zellen weisen Abnahmen kleiner -5% und ebenfalls ca. 8% der Zellen zeigen Zunahmen größer 5% auf. Diese Veränderungen verteilen sich recht gleichmäßig in Baden- Württemberg. Lediglich bei den Zunahmen ist eine geringe Konzentration auf den nordöstlichen Bereich vorhanden. Bei der Jährlichkeit T =100 a (Abb. 2-5, rechts oben) ergeben sich dagegen deutlich sowohl Abnahmen als auch Zunahmen, wobei die Zunahmen überwiegen. Die Spannweite der Veränderungen erstreckt sich von -12,5% (Abnahmen) bis knapp +44% (Zunahmen). Insgesamt von Abnahmen kleiner -1% sind 12,5% der Zellen betroffen. Zunahmen größer +1% zeigen ca. 70% der Zellen. Dauerstufe D = 12 h: Bei der Jährlichkeit T = 1 a (Abb. 2-5, links unten) weisen die Niederschlagshöhen etwas verstärkt Abnahmen auf. Die gesamte Spannweite liegt zwischen -25% und knapp +46%. Insgesamt ergeben sich Abnahmen an ca. 55% und somit Zunahmen an ca. 45% der Zellen. Auffällig ist, dass ca. 42% der Zellen Abnahmen im Bereich zwischen -5% und -10% und ca. 28% der Zellen Zunahmen zwischen +10% und +15% aufweisen. Die anderen Abweichungsklassen sind deutlich weniger vertreten. Die räumliche Verteilung der Veränderungen (Abb. 2-5, links unten) zeigt, dass die Zunahmen hauptsächlich im Südwesten und Süden von Baden-Württemberg sowie entlang der Schwäbischen Alb vorhanden sind. Im Norden von Baden-Württemberg und entlang der Donau dominieren die Abnahmen. Bei der Jährlichkeit T =100 a (Abb. 2-5, rechts unten) ergibt sich ein sehr heterogenes Bild, wobei Zunahmen und Abnahmen zwar bereichsweise kleine Gruppierungen aufweisen, diese jedoch getrennt durch viele Zellen ohne wesentliche Änderung über die gesamte Landesfläche verstreut sind. Insgesamt ergeben sich an ca. 50% der Zellen Zu- und Abnahmen (Abb. 2-7, unten), wobei der größte Anteil mit knapp 47% in einem Bereich von ±1% liegen. Auch bei dieser Jährlichkeit ergebt sich eine gewisse Konzentration der Zellen in die Abnahmeklasse
IWG-Hydrologie KOSTRA-DWD-2010 Seite: 2-7 zwischen -10% und -20% mit ca. 18% und in die Zunahmeklasse zwischen +10% und +20% mit ca. 27% der Zellen. Dauerstufe D = 24 h: Diese Dauerstufe stellt zwar keine Stützstellen zur Berechnung der gesamten Niederschlagsstatistik dar, ist jedoch als Tagesniederschlag für hydrologische Betrachtungen von Bedeutung. Deshalb wurde diese Dauerstufe zwischen den Dauern D = 12 h und D = 24 h interpoliert und bezüglich der Änderungen ausgewertet. Bei der Jährlichkeit T = 1 a (Abb. 2-6, links oben) wechseln sich in der räumlichen Verteilung Zellen mit Zu- und Abnahmen recht unstrukturiert ab, wobei die Zunahmen etwas überwiegen. Insgesamt liegt die Spannweite der Veränderungen zwischen ca. -25,5% und knapp +47%. Abnahmen sind an knapp 40% der Zellen und Zunahmen somit an ca. 60% der Zellen vorhanden. Diese Dauerstufe zeigt auch bei der Jährlichkeit T = 100 a (Abb. 2-6, rechts oben) nur leichte Tendenzen bezüglich einer räumlichen Struktur. Im Bereich des Schwarzwaldes treten etwas verstärkt Zellen mit Zunahmen sowie entlang der Donau und auch im Nordosten von Baden- Württemberg Zellen mit Abnahmen auf. Die Spannweite der Veränderungen recht von ca. -21,5% bis ca. 55%. Abnahmen sind bei dieser Jährlichkeit ebenfalls an knapp 40% der Zellen und Zunahmen somit ca. 60% der Zellen vorhanden. Dauerstufe D = 72 h: Sowohl bei der Jährlichkeit T = 1 a als auch T = 100 a ergeben sich in der räumlichen Verteilung der Änderungen (Abb. 2-6, unten) Bereiche mit vergleichbaren Tendenzen, wobei bei beiden Jährlichkeiten die Zunahmen überwiegen. Die Spannweite der Veränderungen liegt beim 1-jährlichen Niederschlag zwischen ca. -16,5% und ca. +55.5% und beim 100-jährlichen Niederschlag zwischen knapp -19% und ca. +69%. Dies bedeutet, dass für einzelne Zellen die Niederschlagshöhe bis zu 55% bzw. knapp 70% zunimmt. Bei der Jährlichkeit T = 1 a weisen ca. 30% der Zellen Abnahmen und somit ca. 70% der Zellen Zunahmen auf (Abb. 2-8, unten). Die Zellen mit deutlichen Zunahmen befinden sich vorwiegend im Bereich des Schwarzwaldes. Zellen mit deutlichen Abnahmen liegen in einem Streifen entlang der Donau sowie im Bereich Oberlauf der Würm, Ammer, Neckar und in einem Streifen zwischen Oberlauf Elsenz und Unterlauf Kocher. Der 100-jährlichen Niederschlag zeigt, dass an ca. 11% der Zellen Abnahmen kleiner -1% und an ca. 44% der Zellen Zunahmen größer 1% vorhanden sind (Abb. 2-8, unten). Auffällig ist, das an ca. 45% der Zellen keine Änderung zwischen KOSTRA-DWD-2000 und KOSTRA- DWD-2010 vorhanden ist. Zusammenfassend ergibt sich hieraus, dass der Kurzzeitniederschlag (D = 1 h) bei der Jährlichkeit T = 1 a nahezu keine Veränderung zeigt, der 100-jährliche Niederschlag dagegen deutlich zunehmende Tendenzen aufweist. Während die mittlere Dauerstufe (D = 12 h) ein sehr heterogenes Verhalten bei beiden Jährlichkeiten aufweist, steigt der Anteil der Zellen beim Langzeitniederschlag (D = 72 h) bei beiden Jährlichkeiten deutlich an. Dies bedeutet, dass insbesondere Langzeitniederschläge von Zunahmen betroffen ist.
Seite: 2-8 Abb. 2-5: KOSTRA-DWD-2010 IWG-Hydrologie Räumliche Verteilung der relativen Veränderungen zwischen KOSTRA-DWD2010 und KOSTRA-DWD-2000 für Jährlichkeit T = 1a (links) und T = 100a (rechts) sowie für Dauerstufe D = 1h (oben) und D = 12h (unten); blaue Farben zeigen Abnahmen und brau/rote Farben Zunahmen
IWG-Hydrologie Abb. 2-6: KOSTRA-DWD-2010 Seite: 2-9 Räumliche Verteilung der relativen Veränderungen zwischen KOSTRA-DWD2010 und KOSTRA-DWD-2000 für Jährlichkeit T = 1a (links) und T = 100a (rechts) sowie für Dauerstufe D = 24h (oben) und D = 72h (unten); blaue Farben zeigen Abnahmen und brau/rote Farben Zunahmen
Seite: 2-10 KOSTRA-DWD-2010 IWG-Hydrologie Dauerstufe: D = 1 h Dauerstufe: D = 1 h 90 100 80 90 70 80 Anteil [%] 60 50 40 30 20 T = 1 a T = 100 a Summe der Anteile [%] 70 60 50 40 30 T = 1 a T = 100 a 10 20 0 10 < -30 - (30-20) - (20-10) - (10-5) - (5-2) - (2-1) -1 - +1 1-2 2-5 5-10 10-20 20-30 > 30 0-30.0-20.0-10.0 0.0 10.0 20.0 30.0 Abweichungen [%] Abweichungen [%] Dauerstufe: D = 12 h Dauerstufe: D = 12 h 50 100 45 90 40 80 Anteil [%] 35 30 25 20 15 10 T = 1 a T = 100 a Summe der Anteile [%] 70 60 50 40 30 T = 1 a T = 100 a 5 20 0 10 < -30 - (30-20) - (20-10) - (10-5) - (5-2) - (2-1) -1 - +1 1-2 2-5 5-10 10-20 20-30 > 30 0-30.0-20.0-10.0 0.0 10.0 20.0 30.0 Abweichungen [%] Abweichungen [%] Abb. 2-7: Häufigkeitsverteilung (links) und Summenhäufigkeit (rechts) der KOSTRA- Zellen mit relativen Veränderungen (Abweichungen) zwischen KOSTRA- DWD-2010 und KOSTRA-DWD-2000 für Jährlichkeit T = 1a und T = 100a sowie für Dauerstufe D = 1h (oben) und D = 12h (unten)
IWG-Hydrologie KOSTRA-DWD-2010 Seite: 2-11 Dauerstufe: D = 24 h Dauerstufe: D = 24 h 25 100 90 20 80 Anteil [%] 15 10 5 T = 1 a T = 100 a Summe der Anteile [%] 70 60 50 40 30 T = 1 a T = 100 a 20 0 10 < -30 - (30-20) - (20-10) - (10-5) - (5-2) - (2-1) -1 - +1 1-2 2-5 5-10 10-20 20-30 > 30 0-30.0-20.0-10.0 0.0 10.0 20.0 30.0 Abweichungen [%] Abweichungen [%] Dauerstufe: D = 72 h Dauerstufe: D = 72 h 50 100 45 90 40 80 Anteil [%] 35 30 25 20 15 10 T = 1 a T = 100 a Summe der Anteile [%] 70 60 50 40 30 T = 1 a T = 100 a 5 20 0 10 < -30 - (30-20) - (20-10) - (10-5) - (5-2) - (2-1) -1 - +1 1-2 2-5 5-10 10-20 20-30 > 30 0-30.0-20.0-10.0 0.0 10.0 20.0 30.0 Abweichungen [%] Abweichungen [%] Abb. 2-8: Häufigkeitsverteilung (links) und Summenhäufigkeit (rechts) der KOSTRA- Zellen mit relativen Veränderungen (Abweichungen) zwischen KOSTRA- DWD-2010 und KOSTRA-DWD-2000 für Jährlichkeit T = 1a und T = 100a sowie für Dauerstufe D = 24h (oben) und D = 72h (unten) Tabelle 2-1: Spannweite der relativen Veränderungen der Niederschlagshöhen von KOSTRA-DWD-2010 gegenüber KOSTRA-DWD-2000 für verschiedene Dauerstufen D und Jährlichkeiten T Dauerstufe D [h] T = 1 a Jährlichkeit T = 100 a 1-10,3% bis +12,9% -12,5% bis +43,8% 12-25,0% bis 45,8% -23,5% bis +52,9% 24-25,4% bis +46,8% -21,4% bis +55,1% 72-16,6% bis +54,5% -18,9% bis +69,2%
Seite: 2-12 KOSTRA-DWD-2010 IWG-Hydrologie
IWG-Hydrologie Auswirkung auf die wasserwirtschaftliche Bemessungspraxis Seite: 3-1 3 Auswirkung auf die wasserwirtschaftliche Bemessungspraxis Bei der Bemessung von wasserwirtschaftlichen/wasserbaulichen Anlagen zum Zwecke des Hochwasserschutzes sind sowohl Abflussscheitelwerte als auch Abflussfüllen, die bestimmten Jährlichkeiten zugeordnet werden können, die maßgebenden Größen. Diese werden in der Regel über Niederschlag-Abfluss-Modelle aus Niederschlagsereignissen der betrachteten Jährlichkeit mit unterschiedlichen Dauerstufen abgeleitet. Die für die Modellierung notwendigen hydrologischen Kenngrößen und Parameter werden anhand vorhandener Gebietseigenschaften so ermittelt, dass das mittlere Gebietsverhalten beschrieben wird. Außergewöhnliche Gebietszustände wie beispielsweise hohe oder geringe Vorbelastungen infolge vorausgegangener Niederschläge dürfen dabei nicht angenommen werden. Geprüft und plausibilisiert werden Modellrechnungen über einen Vergleich der berechneten Abflussscheitelwerte mit den Ergebnissen einer Extremwertstatistik der beobachteten Abflusshöchstwerte an Pegeln. Alternativ erfolgt dieser Vergleich anhand regionalisierter Abflussscheitelwerte, die aus Pegelstatistiken abgeleitet wurden. In Baden-Württemberg stehen hierfür die regionalisierten Abflussscheitelwerte zur Verfügung, die im LUBW-Portal Abfluss-BW (LUBW 2015) abgerufen werden können. Zahlreiche Projektbearbeitungen zeigen, dass auf Basis der Niederschlagsstatistiken KOSTRA-DWD-2000 über die Anwendung eines mittleren Niederschlag-Abfluss-Modells sehr plausible Abflussereignisse abgeleitet werden können, die in der Regel nur eine geringe Nachkalibrierung der hydrologischen Parameter erforderlich machen. Deshalb wird die Auswirkung der neuen Niederschlagsstatistiken anhand einer Niederschlag-Abfluss-Modellierung auf Basis der Niederschläge aus KOSTRA-DWD-2000 ermittelt und bewertet. Die Abschätzung der Auswirkung der neuen Niederschlagsstatistik KOSTRA-DWD-2010 auf die wasserwirtschaftliche Bemessungspraxis wird somit folgendermaßen vorgenommen: Auswahl eines typischen Einzugsgebiets mit Gebietseigenschaften, die in Baden-Württemberg sehr häufig vertreten sind Auswahl einer KOSTRA-Zelle in Baden-Württemberg und Ermittlung der Niederschlagshöhen für die Jährlichkeit T = 100 a für Dauerstufen zwischen D = 1 h und D = 72 h aus KOSTRA- DWD-2000 und KOSTRA-DWD-2010 Anwendung des Niederschlag-Abfluss-Modells (mit jeweils denselben Gebietskenngrößen und Modellparametern) zur Berechnung der Gebietsreaktion auf Basis der beiden Niederschlagsstatistiken Vergleich und Bewertung der Modellergebnisse Als Niederschlag-Abfluss-Modell kommen die Regionalisierungsverfahren nach Lutz (Lutz 1984) für die Abflussbildung und die Abflusskonzentration zur Anwendung. Dieser Modellansatz ist in Baden-Württemberg am häufigsten in der ingenieurhydrologischen Praxis vertreten. Als Modellgebiet dient ein Einzugsgebiet, das mit seinen Gebietseigenschaften typisch für zahlreiche Regionen in Baden-Württemberg ist. Die Gebietskenngrößen und Modellparameter des Einzugsgebiets sind in Tabelle 3-1 zusammengestellt.
Seite: 3-2 KOSTRA-DWD-2010 IWG-Hydrologie Über die Anwendung des Niederschlag-Abfluss-Modells für verschiedene Dauerstufen des Niederschlags bei gleichbleibender Jährlichkeit T sind Abflussganglinien zu erwarten, wie sie in Abb. 3-1 beispielhaft dargestellt sind. Aus dem Spektrum dieser Ganglinie ist zu erkennen, dass der größte Abflussscheitelwerts erst nach einer ausreichend langen Dauerstufe erreicht wird. Diese Dauerstufe hängt von den Fließzeiten innerhalb des Einzugsgebiets ab. Kürzere Dauerstufen weisen trotz höheren Niederschlagsintensitäten kleinere Scheitelwerte auf. Bei längeren Dauerstufen nehmen die Scheitelwerte infolge der Abnahme der mittleren Niederschlagsintensitäten ab, wobei jedoch die Abflussfüllen weiter ansteigen. Die Abflussfüllen aus längeren Dauerstufen des Niederschlags sind maßgebend für die Festlegung des erforderlichen Volumens von Hochwasserrückhaltemaßnahmen. Abb. 3-2 zeigt das Bemessungsdiagramm für Hochwasserrückhalteräume, die auf eine konstante Abgabe gesteuert sind. Dieses Diagramm stellt zunächst die Abflussfüllenlinien von Abflussereignissen einer bestimmten Jährlichkeit und unterschiedlichen Niederschlagsdauern dar. Die Abflussfüllenlinien (schwarz) wurden aus den Ganglinien aus Abb. 3-1 abgeleitet. Die Einhüllende an diese Füllenlinien ergibt die Rückhaltewirkungslinie (rot), über die ermittelt werden kann, welches Rückhaltevolumen S erforderlich ist, um die verschiedenen Hochwasserereignisse auf einen bestimmen Regelabfluss Q R zu drosseln. 3.1 100-jährliche Bemessungsabflüsse Zur Abschätzung der Auswirkung der neuen Niederschlagsstatistiken auf Bemessungsabflüsse wurden im ersten Schritt willkürlich einzelne KOSTRA-Zellen ausgewählt. Für diese Zellen wurden die Niederschlagsstatistiken aus KOSTRA-DWD-2000 und aus KOSTRA-DWD-2010 erstellt und für 100-jährliche Ereignisse unterschiedlicher Dauerstufen dem Niederschlag-Abfluss-Modell übergeben. Nach Berechnung der resultierenden Abflussganglinien wurden diese in ein gemeinsames Diagramm übertragen und bewertet. Im Folgenden ist das Ergebnis in Abb. 3-3 bis Abb. 3-6 beispielhaft für 4 KOSTRA-Zellen dargestellt und erläutert. Dargestellt ist dabei jeweils die Abhängigkeit der Niederschlagsspende von der Dauerstufe und Jährlichkeit abgeleitet aus den beiden Niederschlagsstatistiken sowie die daraus berechneten Abflussganglinien für Dauerstufen zwischen D = 1 h und D = 72 h. In den Abbildungen sind jeweils die Ergebnisse aus KOSTRA-DWD-2000 in den linken Diagrammen und aus KOSTRA-DWD-2010 in den rechten Diagrammen einander gegenüber gestellt. Hieraus ergibt sich: Zelle (Sp/Ze: 25/87), Abb. 3-3: Die Zelle liegt im Oberlauf des Einzugsgebiets der Ammer. Beide Niederschlagsstatistiken zeigen jeweils einen sehr plausiblen Verlauf. Auffällig ist jedoch, dass Niederschlagshöhen nach KOSTRA-DWD-2010 für lange Dauerstufen kleiner sind als nach KOSTRA-DWD-2000. Die Abflussganglinien zeigen ebenfalls einen sehr plausiblen Verlauf, wobei die maximalen Abflussscheitelwerte nahe gleich sind. Zelle (Sp/Ze: 22/89), Abb. 3-4: Die Zelle liegt im Mittellauf des Einzugsgebiets der Glatt. Die beiden Niederschlagsstatistiken weisen ein sehr unterschiedliches Verhalten auf. Während die Statistik nach KOSTRA-DWD-2000 einen recht plausiblen Verlauf zeigt, ergeben sich nach KOSTRA-DWD-2010 einige Auffälligkeiten. Zunächst steigt die Niederschlaghöhe zwischen D = 5 min und D = 1 h extrem schnell an. Des weiteren zeigt die Statistik insbesondere beim
IWG-Hydrologie Auswirkung auf die wasserwirtschaftliche Bemessungspraxis Seite: 3-3 100-jährlichen Niederschlag der Dauerstufe D = 12 h ein deutliches Einknicken. Damit ist der erwartete kontinuierliche Anstieg der Niederschlagshöhe mit zunehmender Dauerstufe stark gestört. Infolge dieses Einknickens der Niederschlagshöhe ergibt sich bei den resultierenden Abflussganglinien ein sehr unplausibles Verhalten. Zunächst steigt der Abflussscheitelwert mit zunehmender Dauerstufe zu einem ersten Maximum bei der Dauerstufe D = 2 h an. Anschließend nimmt der Scheitelwert rapide ab und erreicht bei der Dauerstufe D = 12 h sein Minimum. Wird die Niederschlagsdauer weiter erhöht, erreicht die Abflussreaktion bei der Dauerstufe D =36 h ein zweites Maximum, das ca. auf dem gleichen Niveau liegt wie das 1. Maximum. Ein solches Verhalten ist hydrologisch nicht erklärbar. Die Abflussganglinien nach KOSTRA-DWD-2000 zeigen dagegen einen sehr plausiblen Verlauf. Zelle (Sp/Ze: 18/88), Abb. 3-5: Die Zelle liegt im Mittellauf des Einzugsgebiets der Rench. Diese Zelle zeigt ein ähnliches Verhalten wie die Zelle im Mittellauf des Einzugsgebiets der Glatt (Abb. 3-4). Auch bei dieser Statistik ist der kontinuierliche Anstieg der Niederschlagshöhe mit zunehmender Dauerstufe infolge der Stützstelle bei D = 12 h erheblich gestört. Die resultierenden Abflussganglinien zeigen grundsätzlich dasselbe Verhalten, jedoch nicht so stark ausgeprägt. Der maximale Abflussscheitelwert nach KOSTRA-DWD-2000 und nach KOSTRA- DWD-2010 weisen ähnliche Größen auf. Zelle (Sp/Ze: 27/80), Abb. 3-6: Die Zelle liegt im Bereich der Einzugsgebiete von Zaber und Lein. Diese Zelle zeigt im Gegensatz zu den Zellen in den Einzugsgebieten von Glatt und Rench eine deutliche Erhöhung der Niederschlagshöhe bei der Dauerstufe D = 12 h. Daraus folgt, dass die berechneten Abflussganglinien zwar einen sehr plausiblen Verlauf der Abflussscheitelwerte aufweisen. Der Maximalwert des Abflusses bei D = 6 h ist jedoch deutlich höher als nach der Statistik aus KOSTRA-DWD-2000. Aus diesen exemplarischen Auswertungen ergibt sich, dass sich offensichtlich infolge der Neudefinition der KOSTRA-Stützstelle für die Dauerstufe D = 12 h qualitativ sehr unterschiedliche Abflussreaktion eines Einzugsgebiets ergeben. Diese Abflussreaktionen sind teilweise hydrologisch nicht plausibel. Zur Beurteilung der aus den neuen Statistiken resultierenden erforderlichen Rückhaltevolumina von Hochwasserrückhaltebecken wurde aus den berechneten Abflussganglinien der ausgewählten Zellen jeweils die Rückhaltewirkungslinie abgeleitet. In Abb. 3-7 sind die Rückhaltewirkungslinien, abgeleitet aus KOSTRA-DWD-2000 und KOSTRA-DWD-2010, für die ausgewählten KOSTRA- Zellen einander gegenüber gestellt. Hieraus folgt: Abb. 3-7, links oben: Die Abflussganglinien basierend auf der Zelle im Oberlauf der Ammer (Abb. 3-3) zeigen für beide Niederschlagsstatistiken sehr vergleichbare Ergebnisse. Die Scheitelwerte sind nahezu gleich und auch der zeitliche Verlauf der Ganglinien ist sehr ähnlich. Dies drückt sich auch in den Rückhaltewirkungslinien aus. Beide Rückhaltewirkungslinien sind im oberen Bereich nahezu deckungsgleich. Erst bei kleinen Regelabflüssen von ca. Q < 4 m³/s weichen die Volumina voreinander ab. Die Ganglinien aus KOSTRA-DWD-2000 ergeben dabei größere Volumina. Dies ist in dem geringeren Anstieg der Niederschlagshöhen aus KOSTRA-DWD-2010 bei langen Dauerstufen begründet.
Seite: 3-4 KOSTRA-DWD-2010 IWG-Hydrologie Abb. 3-7, rechts oben und links unten: Die Rückhaltewirkungslinien, abgeleitet aus den KOSTRA-Zellen im Mittellauf der Einzugsgebiete von Glatt und Rench zeigen erheblich Unterschiede. Beide Zellen ergeben auf Basis der beiden Niederschlagsstatistiken über die Niederschlag-Abfluss-Modellierung ungefähr dieselben Abflussscheitelwerte. Die Abflussfüllen differieren jedoch sehr stark. KOSTRA-DWD-2010 liefert bereits bei einem kleinen Drosselungsgrad (großer Regelabfluss) deutlich höhere Rückhaltevolumina als KOSTRA-DWD-2000. Abb. 3-7, rechts unten: Die Abflussganglinien, abgeleitet aus der KOSTRA-Zelle im Bereich der Einzugsgebiete von Zaber und Lein (Abb. 3-6) weisen bei KOSTRA-DWD-2010 deutlich höhere Abflussscheitelwerte auf als bei KOSTRA-DWD-2000. Dies wirkt sich auch auf die Rückhaltewirkungslinien aus. Die Rückhaltewirkungslinie aus KOSTRA-DWD-2010 verläuft fast über den gesamten Bereich nahezu parallel verschoben auf einem höheren Niveau des Volumens. Somit würde ein bestimmter Regelabfluss Q R nach KOSTRA-DWD-2010 ein erheblich größeres Rückhaltevolumen erforderlich machen. Die exemplarischen Auswertungen zeigen somit auch bei den Abflussvolumina unterschiedliche Konsequenzen bzgl. der hydrologischen Bemessungsgröße. Mit Ausnahme der Zelle im Oberlauf des Einzugsgebiets der Ammer ergeben die berechneten Abflussereignisse aus KOSTRA-DWD- 2010 deutlich erhöhte Rückhaltevolumina bei gleichem Regelabfluss (Drosselungsgrad). Da bei diesen drei KOSTRA-Zellen jeweils die Niederschlaghöhe der Dauerstufe D = 12 h auffällig ist, wird diese Dauerstufe im Folgenden weiter untersucht. Tabelle 3-1: Gebietskenngrößen und Modellparameter des Einzugsgebiets für die Niederschlag-Abfluss-Modellierung Größe Gebietskenngröße Modellparameter Fläche A E 25.0 km 2 Fließlänge L 11.5 km Fließlänge L C 6.25 km gew. Gefälle I g 0.015 Bebauungsant. U 4 % Waldanteil W 34 % Zeitschritt 0.5 h Gebietsfaktor P1 0.225 Anfangsverlust A V 2.0 mm Endabflussbeiwert c 0.650 Parameter C 1 0,020
IWG-Hydrologie Auswirkung auf die wasserwirtschaftliche Bemessungspraxis Seite: 3-5 Abb. 3-1: Berechnete Abflussganglinien für unterschiedliche Dauerstufen des Niederschlags bei gleicher Jährlichkeit T Abb. 3-2: Rückhaltewirkungslinien (rot) als Einhüllende an die Abflussfüllenlinien (schwarz) der Abflussganglinien einer bestimmten Jährlichkeit und verschiedenen Dauerstufen, abgeleitet aus den Abflussereignissen aus Abb. 3-1
Seite: 3-6 KOSTRA-DWD-2010 IWG-Hydrologie Abb. 3-3: Auswirkung der Niederschlagsstatiken auf 100-jährliche Abflussganglinien am Beispiel einer KOSTRA-Zelle im Oberlauf des Einzugsgebiets der Ammer (Sp/Ze: 25/87)
IWG-Hydrologie Auswirkung auf die wasserwirtschaftliche Bemessungspraxis Seite: 3-7 Abb. 3-4: Auswirkung der Niederschlagsstatiken auf 100-jährliche Abflussganglinien am Beispiel einer KOSTRA-Zelle im Mittellauf des Einzugsgebiets der Glatt (Sp/Ze: 22/89)
Seite: 3-8 KOSTRA-DWD-2010 IWG-Hydrologie Abb. 3-5: Auswirkung der Niederschlagsstatiken auf 100-jährliche Abflussganglinien am Beispiel einer KOSTRA-Zelle im Mittellauf des Einzugsgebiets der Rench (Sp/Ze: 18/88)
IWG-Hydrologie Auswirkung auf die wasserwirtschaftliche Bemessungspraxis Seite: 3-9 Abb. 3-6: Auswirkung der Niederschlagsstatiken auf 100-jährliche Abflussganglinien am Beispiel einer KOSTRA-Zelle im Bereich der Einzugsgebiete von Zaber und Lein (Sp/Ze: 27/88)
Seite: 3-10 KOSTRA-DWD-2010 IWG-Hydrologie Abb. 3-7: Rückhaltewirkungslinien abgeleitet aus KOSTRA-DWD-2000 (blau) und KOSTRA-DWD-2010 (schwarz) für die Zellen in den Einzugsgebieten von Ammer, Glatt und Rench sowie aus dem Bereich der Einzugsgebiete von Zaber und Lein
IWG-Hydrologie Auswirkung auf die wasserwirtschaftliche Bemessungspraxis Seite: 3-11 3.2 Auffällige KOSTRA-Zellen in Baden-Württemberg Die Niederschlagshöhe der Dauerstufe D = 12 h wurde bei KOSTRA-DWD-2010 über eine Extrapolation einer Ausgleichsfunktion, die an Niederschlagshöhen der Dauerstufen D = 24, 48 und 72 h angepasst ist, bestimmt. Diese Stützstelle wird verwendet, um die Niederschläge zwischen D = 1 h und D = 12 h sowie zwischen D = 12 h und D = 72 h über eine Interpolationsfunktion zu berechnen. Somit kommt der Niederschlagshöhe für D = 12 h eine hohe Bedeutung zu. Wie Abb. 3-8 im Niederschlagsspendendiagramm für die exemplarisch ausgewählten KOSTRA- Zellen zeigt, führt die Stützstelle für D = 12 h zu sehr unterschiedlichen Abhängigkeiten der Niederschlagsspende von der Niederschlagsdauer. Während die Zelle im Einzugsgebiet der Ammer im Bereich der Dauerstufe D = 12 h einen sehr homogenen Verlauf zeigt, weisen die beiden Zellen in den Einzugsgebieten von Glatt und Rench in diesem Bereich deutlich kleinere Spendenwerte und die Zelle im Bereich der Einzugsgebiete von Zaber und Lein einen größeren Spendenwert auf. Zur Abschätzung, welche Zellen vergleichbare Unregelmäßigkeiten aufweisen, wurde wie folgt vorgegangen: Für die Jährlichkeit T = 100 a wurde die Stützstelle der Dauerstufe D = 12 h über eine Interpolation der Niederschlagsspende zwischen den Dauerstufen D = 1 h und D = 72 h neu bestimmt. Die prozentuale relative Abweichung zwischen der neu interpolierten Niederschlagshöhe und dem Wert der KOSTRA-Stützstelle für D = 12h wurde berechnet und klassifiziert (Abb. 3-9). An 83% der Zellen ist die Niederschlagshöhe aus KOSTRA kleiner (negative Abweichungen) und an 17% größer (positive Abweichungen) als der interpolierte Wert. Insgesamt decken die Abweichungen eine Spannweite von -67,2% bis +19,2% ab. Die meisten Abweichungen (64%) liegen in den Klassen zwischen -25% bis 0%. Die räumliche Verteilung der relativen Abweichungen ist in Abb. 3-10 dargestellt. Die auffälligen KOSTRA-Zellen befinden sich vorwiegend im mittleren und südlichen Schwarzwald sowie in der Verlängerung zum Hochrhein. Weiterhin sind betroffen ausgedehnte Bereiche im Osten zwischen Murr, Oberer Kocher und Brenz. Große negative Abweichung ergeben sich zusätzlich im Norden von Baden und Grenzbereich zu Hessen. Anhand einer weiteren, jedoch begrenzten Anzahl von KOSTRA-Zellen erfolgte eine grobe Einschätzung der Auswirkung der relativen Abweichungen des 12h-Niederschlags auf die Abflussganglinien aus einer Niederschlag-Abfluss-Modellierung. Wie Tabelle 3-2 zeigt, weisen ca. 33% der Zellen Abweichungen < -20% auf. Diese Zellen liefern sicherlich einen unplausiblen Verlauf der Abflussscheitelwerte aus unterschiedlichen Dauerstufen. Abweichungen im Bereich -20% bis -10% zeigen unterschiedliche Auswirkungen und müssen somit gesondert geprüft werden. Dieser Bereich beinhaltet 23% der Zellen. Unkritisch dürfte der Abweichungsbereich zwischen -10% und +10% mit 41% der Zellen sein. Bei 3% der Zellen ergeben sich Abweichungen > +10% und bewirken eine deutlich Erhöhung der Abflussscheitelwerte. Insgesamt weisen somit ca. 50% der KOSTRA-Zellen in Baden-Württemberg Auffälligkeiten auf. Diese Zellen müssen gesondert geprüft und gegebenenfalls korrigiert werden bevor sie einer Niederschlag-Abfluss-Modellierung übergeben werden.
Seite: 3-12 KOSTRA-DWD-2010 IWG-Hydrologie Abb. 3-8: Niederschlagsspende als Funktion der Dauerstufe und der Jährlichkeit abgeleitet aus KOSTRA-DWD-2010 für die Zellen in den Einzugsgebieten von Ammer, Glatt und Rench sowie aus dem Bereich der Einzugsgebiete von Zaber und Lein
IWG-Hydrologie Auswirkung auf die wasserwirtschaftliche Bemessungspraxis Seite: 3-13 Abweichung von N(12h) Interpolation zwischen D=1h und D=72 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 < -60-60 bis -55-55 bis -50-50 bis -45-45 bis -40-40 bis -35-35 bis -30-30 bis -25-25 bis -20-20 bis -15-15 bis -10-10 bis -5-5 bis 0 0 bis 5 5 bis 10 10 bis 15 15 bis 20 Anteil der Zellen [%] > +20 Abweichung [%] Abb. 3-9: relative Abweichung [%] der Niederschlaghöhe aus KOSTRA-DWD-2010 für die Dauerstufe D = 12 h vom interpolierten Wert auf Basis der Dauerstufen D = 1 h und D = 72 h für die Jährlichkeit T = 100 a Abb. 3-10: Verteilung der KOSTRA-Zellen mit klassifizierten Abweichungen der Niederschlagshöhe für die Dauerstufe D = 12 h nach KOSTRA-DWD-2010 und der über die Dauerstufen D = 1 h und D = 72 h interpolierten Niederschlagshöhe
Seite: 3-14 KOSTRA-DWD-2010 IWG-Hydrologie Tabelle 3-2: Grobe Einschätzung der Auswirkung der Abweichungen der 12h- Niederschläge auf Abflussganglinien aus der Niederschlag-Abfluss- Modellierung Abweichungsbereich geschätzte Auswirkung für Niederschlag-Abfluss- Modellierung Anzahl der Zellen Anteil der Zellen < -20 % Abflussscheitelwerte haben unplausiblen Verlauf 193 33% -20% bis -10% Abflussscheitelwerte müssen gesondert geprüft werden 138 23% -10% bis +10% sicherlich unkritisch 247 41% > +10% Abflussscheitelwerte sind erhöht 17 3% 3.3 Korrekturmöglichkeit von KOSTRA-Zellen und deren hydrologische Konsequenz Eine Möglichkeit zur flächendeckenden Korrektur der KOSTRA-Zellen besteht in einer Veränderung der Interpolationsbereiche der Niederschlagsstatistik. Infolge des Wegfalls der KOSTRA- Stützstelle für die Dauerstufe D = 24 h weist KOSTRA-DWD-2010 folgende Interpolationsbereiche auf: Dauerstufenbereich I: Interpolation und Extrapolation der Niederschlagshöhen für Dauerstufen zwischen D = 5 min und D = 60 min auf Basis der Stützstellen für D = 15 min und D = 60 min Dauerstufenbereich II: Interpolation der Niederschlagshöhen für Dauerstufen zwischen D = 60 min und D = 12 h auf Basis dieser vorgegebenen Stützstellen Dauerstufenbereich III: Interpolation der Niederschlagshöhen für Dauerstufen zwischen D = 12 h und D = 72 h auf Basis der neuen Stützstelle bei D = 12 h Zur Korrektur der Auffälligkeiten wurde anhand ausgewählter KOSTRA-Zellen geprüft, welche Auswirkungen sich ergeben, wenn die Stützstelle bei D = 12 h durch eine Stützstelle bei D = 24 h ersetzt wird. Dies entspricht einer Erweiterung des Dauerstufenbereichs II auf die Dauerstufen D = 1 h bis D = 24 h und somit einer Reduktion des Dauerstufenbereichs III auf D = 24 h bis D = 72 h. Hierzu wurde zunächst für die Stützstelle bei D = 24 h durch Interpolation im ursprünglichen Dauerstufenbereich III die Niederschlagshöhe bestimmt und für diese Dauerstufe festgelegt. Anschließend werden die Dauerstufenbereiche modifiziert und die gesamte Statistik neu berechnet. Die so abgeleiteten Niederschlagsspendendiagramme sind in Abb. 3-11 wiederum für die KOSTRA-Zellen in den Einzugsgebieten von Ammer, Glatt und Rench sowie für die Zelle aus dem Bereich der Einzugsgebiete von Zaber und Lein dargestellt. Wie diese Spendendiagramme zeigen, ergibt sich für die ausgewählten Zellen ein wesentlich homogenerer Verlauf der Niederschlagsspende als Funktion der Dauer. Für hydrologische Bemessungsfragen ist jedoch wiederum die Auswirkung auf die Abflussganglinien zu bewerten. Abb. 3-12 bis Abb. 3-15 zeigen den jeweils oberen Diagrammen die Abflussganglinien abgeleitet aus KOSTRA-DWD-2000 und KOSTRA-DWD-2010 nach Änderung des Dauerstufenbereichs für die ausgewählten KOSTRA-Zellen. Die Änderung des Dauerstufenbereichs bewirkt, dass der maximale Abflussscheitelwert bei der Zelle im Einzugsgebiet der Ammer leicht reduziert wird. An der anderen drei Zellen ergibt sich dagegen eine deutliche Erhöhung des
IWG-Hydrologie Auswirkung auf die wasserwirtschaftliche Bemessungspraxis Seite: 3-15 maximalen Abflussscheitelwerts. Daraus folgt, dass bestehende Niederschlag-Abfluss-Modelle, die auf Basis der Niederschläge aus KOSTRA-DWD-2000 kalibriert wurden, erneut kalibriert werden müssen, damit auch auf Basis von KOSTRA-DWD-2010 die Abflussscheitelwerte aus Extremwertstatistik oder Regionalisierung abgebildet werden können. Eine Neukalibrierung des Niederschlag-Abfluss-Modells bedeutet, dass die Abflussbildung, die über den Abflussbeiwert beschrieben ist, angepasst werden muss. Dies kann beim Regionalisierungsverfahren nach Lutz (Lutz 1984) über eine Anpassung entweder des Endabflussbeiwerts cend oder des Parameters C1 (Tabelle 3-1) erfolgen. Für die ausgewählten KOSTRA-Zellen wurde die Neukalibrierung durchgeführt. Die abgeleiteten Abflussganglinien sind in Abb. 3-12 bis Abb. 3-15 dargestellt. Für die beiden Modell-Kenngrößen ergibt sich daraus: Endabflussbeiwert cend: Das mittlere Niederschlag-Abfluss-Modell weist einen Wert von cend = 0,650 auf. Infolge der Neukalibrierung im Einzugsgebiet der Ammer muss dieser Wert geringfügig auf cend = 0,668 erhöht werden. Bei den drei anderen Gebieten ist dagegen eine deutliche Reduktion des Kennwerts auf einen Bereich zwischen cend = 0,450 und cend = 0,570 erforderlich. Der Endabflussbeiwert ist eine gebietsspezifische Kenngröße, die das Infiltrations- und Rückhaltevermögen des Einzugsgebiets beschreibt. Aufgrund umfangreicher Datenanalysen kann der Kennwert anhand einer Klassifikation der Bodendurchlässigkeit und der Bodennutzung bestimmt werden. Die erforderliche deutliche Reduktion des Kennwerts kann aufgrund gebietsspezifischer Eigenschaften nicht begründet werden. Modellparameter C1: Der Parameter beeinflusst die ereignisspezifische Veränderung des Abflussbeiwerts und weist beim mittleren Niederschlag-Abfluss-Modell einen Wert von C1 = 0,02 auf. Infolge der Neukalibrierung muss dieser Parameter im Einzugsgebiet der Ammer auf C1 = 0,0207 erhöht und ansonsten auf den Bereich zwischen C1 = 0,0122 und C1 = 0,017 reduziert werden. Auch diese Veränderungen lassen sich auf Basis von Gebietseigenschaften nicht begründen und resultieren somit ausschließlich aus der Modellkalibrierung. Wie diese Beispiele zeigen, muss zur Anwendung der Niederschlagsstatistik KOSTRA-DWD-2010 teilweise erheblich in die Kalibrierung des Niederschlag-Abfluss-Modells eingegriffen werden. Das Ergebnis bzw. die notwendigen gebietsspezifischen Größen oder Modellparameter lassen sich hydrologisch nicht begründen. Damit ist eine Übertragung der Erkenntnisse auf benachbarte, hydrologisch vergleichbare Einzugsgebiete oder Regionen nicht möglich. Abschließend wird die Auswirkung der Modifikation von KOSTRA-DWD-2010 und der Nachkalibrierung des Niederschlag-Abfluss-Modells auf die Rückhaltewirkungslinie und damit auf das erforderliche Volumen eines Hochwasserrückhaltebeckens untersucht. Hierzu zeigt Abb. 3-16 für die ausgewählten KOSTRA-Zellen die Rückhaltewirkungslinien für folgende Berechnungsvarianten: KOSTRA-DWD-2000 (Originalstatistik) KOSTRA-DWD-2010 (Originalstatistik) KOSTRA-DWD-2010-mod (modifizierte Statistik infolge Änderung des Dauerstufenbereichs) KOSTRA-DWD-2010-mod cend (modifizierte Statistik und Nachkalibrierung von cend) KOSTRA-DWD-2010-mod C1 (modifizierte Statistik und Nachkalibrierung von C1)
Seite: 3-16 KOSTRA-DWD-2010 IWG-Hydrologie Die Rückhaltewirkungslinien zeigen bezüglich des erforderlichen Volumens: Abb. 3-16, links oben: Die Rückhaltewirkungslinien im Einzugsgebiet der Ammer zeigen nahe denselben Verlauf, da die Modifikation der Statistik nur eine geringe Änderung der Niederschlagshöhen zur Folge hat und damit nur eine geringe Nachkalibrierung des Niederschlag- Abfluss-Modell erforderlich ist. Abb. 3-16, rechts oben und links unten: Die Rückhaltewirkungslinien in den Einzugsgebieten von Glatt und Rench zeigen, dass infolge der Modifikation der Statistik der Bereich der großen Regelabflüsse Q R nach oben zu höheren Werten verändert ist. Der Bereich der kleineren Regelabflüsse jedoch ist unverändert und entspricht der Rückhaltewirkungslinien, die aus der Originalstatistik abgeleitet wurde. Infolge der Nachkalibrierung von cend und C1 reduzieren sich die maßgebenden Abflussscheitelwerte und beide Rückhaltewirkungslinien ergeben sehr vergleichbare Volumina wie sich auch aus KOSTRA-DWD-2000 abgeleitet werden. Abb. 3-16, rechts unten: Die Rückhaltewirkungslinie im Bereich der Einzugsgebiete von Zaber und Lein zeigt infolge der Originalstatistik von KOSTRA-DWD-2010 sehr große Volumina als Funktion des Regelabflusses. Infolge der Modifikation der Statistik und auch der Nachkalibrierung des Niederschlag-Abfluss-Modells zeigen die Rückhaltewirkungslinien anschließend sehr vergleichbare Ergebnisse zu den Berechnungen mit KOSTRA-DWD-2000. Zusammenfassend ergibt sich hieraus: Eine Modifikation der Niederschlagsstatistik KOSTRA-DWD-2010 erscheint grundsätzlich möglich, damit sich die erwartete Abhängigkeit des Abflussscheitelwerts von der Dauerstufe des Niederschlags ergibt. Die Modifikation der Statistik macht jedoch eine Neukalibrierung des Niederschlag- Abfluss-Modells erforderlich. Dies kann entweder über eine Anpassung des Endabflussbeiwerts cend oder des Modellparameters C1 erfolgen. Die notwendige Korrektur dieser Anpassungsgrößen kann jedoch nicht über gebiets- oder ereignisspezifische Eigenschaften begründet werden. Damit können die notwendigen Korrekturen nicht auf benachbarte, hydrologisch ähnliche Gebiete übertragen werden. Exemplarisch zeigt sich jedoch, dass sich infolge der Modifikation der Statistik aus KOSTRA-DWD-2010 mit der anschließend notwendigen Neukalibrierung des Niederschlag- Abfluss-Modells nahezu dieselben Ergebnisse bei den Bemessungswerten für Hochwasserrückhaltebecken ergeben wie aus KOSTRA-DWD-2000.
IWG-Hydrologie Auswirkung auf die wasserwirtschaftliche Bemessungspraxis Seite: 3-17 Abb. 3-11: Niederschlagsspende als Funktion der Dauerstufe und der Jährlichkeit abgeleitet aus KOSTRA-DWD-2010 nach Änderung des Dauerstufenbereichs II für die Zellen in den Einzugsgebieten von Ammer, Glatt und Rench sowie aus dem Bereich der Einzugsgebiete von Zaber und Lein
Seite: 3-18 KOSTRA-DWD-2010 IWG-Hydrologie Abb. 3-12: Abflussganglinien abgeleitet aus KOSTRA-DWD-2000 und KOSTRA-DWD- 2010 nach Änderung des Dauerstufenbereichs sowie nach Nachkalibrierung der Abflussbildung über den cend- und den C1-Wert für die Zelle im Einzugsgebiet der Ammer
IWG-Hydrologie Auswirkung auf die wasserwirtschaftliche Bemessungspraxis Seite: 3-19 Abb. 3-13: Abflussganglinien abgeleitet aus KOSTRA-DWD-2000 und KOSTRA-DWD- 2010 nach Änderung des Dauerstufenbereichs sowie nach Nachkalibrierung der Abflussbildung über den cend- und den C1-Wert für die Zelle im Einzugsgebiet der Glatt
Seite: 3-20 KOSTRA-DWD-2010 IWG-Hydrologie Abb. 3-14: Abflussganglinien abgeleitet aus KOSTRA-DWD-2000 und KOSTRA-DWD- 2010 nach Änderung des Dauerstufenbereichs sowie nach Nachkalibrierung der Abflussbildung über den cend- und den C1-Wert für die Zelle im Einzugsgebiet der Rench
IWG-Hydrologie Auswirkung auf die wasserwirtschaftliche Bemessungspraxis Seite: 3-21 Abb. 3-15: Abflussganglinien abgeleitet aus KOSTRA-DWD-2000 und KOSTRA-DWD- 2010 nach Änderung des Dauerstufenbereichs sowie nach Nachkalibrierung der Abflussbildung über den cend- und den C1-Wert für die Zelle im Bereich der Einzugsgebiete von Zaber und Lein
Seite: 3-22 KOSTRA-DWD-2010 IWG-Hydrologie Abb. 3-16: Rückhaltewirkungslinien abgeleitet aus KOSTRA-DWD-2000 und KOSTRA- DWD-2010 nach Änderung des Dauerstufenbereichs sowie nach Nachkalibrierung der Abflussbildung über den cend- und den C1-Wert für die Zellen in den Einzugsgebieten von Ammer, Glatt und Rench sowie aus dem Bereich der Einzugsgebiete von Zaber und Lein
IWG-Hydrologie Zusammenfassung und Empfehlung Seite: 4-1 4 Zusammenfassung und Empfehlung Die Neubearbeitung der Niederschlagsstatistik KOSTRA-DWD-2010 steht aktuell bundesweit zur Verfügung. Die wesentliche methodische Änderung der überarbeiteten Statistik, die Konsequenzen für die Umsetzung in der wasserwirtschaftlichen Praxis zur Folge hat, ist die Änderung des Dauerstufenbereichs. Die Niederschlagshöhe für die Dauerstufe D = 24 h entfällt und der Interpolationsbereich im Dauerstufenbereich III wird auf den Bereich D = 12 h bis D = 72 h erweitert. Die Landesfläche von Baden-Württemberg wird durch knapp 600 KOSTRA-Zellen mit einer Größe von jeweils 66 km² abgedeckt. Im Auftrag der Landesanstalt für Umwelt, Messungen und Naturschutz Baden-Württemberg (LUBW) hat das Institut für Wasser und Gewässerentwicklung - Bereich Hydrologie (IWG) des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) die neuen Statistiken mit den bisher gültigen Statistiken KOSTRA-DWD-2000 flächendeckend verglichen und deren Auswirkung auf die wasserwirtschaftliche Bemessungspraxis anhand ausgewählter Beispiele ermittelt. Exemplarisch wurden hierzu 4 KOSTRA-Zellen ausgewählt, die sich innerhalb der Einzugsgebiete von Ammer, Glatt und Rench sowie im Bereich der Einzugsgebiete von Zaber und Lein befinden. Über Niederschlag-Abfluss-Modellierungen wurde die Auswirkung der Niederschlagsstatistik auf Hochwasserabflussganglinien, wie sie für die Bemessung von Hochwasserschutzmaßnahmen benötigt werden ableitet und bewertet. Als Einzugsgebiet diente hierzu ein ausgewähltes Gebiet, das mit seinen Gebietseigenschaften sehr häufig in Baden-Württemberg vertreten ist. Die wesentlichen Ergebnisse für Baden-Württemberg sind: Betrachtet man einzelne Jährlichkeiten und Dauerstufen so zeigt die räumliche Verteilung der Niederschlagshöhen jeweils einen sehr plausiblen Verlauf. Veränderung der Niederschlagshöhen: - Im Vergleich zu KOSTRA-DWD-2000 haben sich die Niederschlagshöhen insbesondere bei der Jährlichkeit T = 100 a im Kurzzeitbereich sowie über alle Jährlichkeiten im Langzeitbereich mehrheitlich erhöht. - Bei der Dauerstufe D = 1 h (Kurzzeitniederschlag) zeigen die 100-jährlichen Niederschläge an ca. 70% der Zellen Zunahmen über +1%. Die Spannweite der Zunahmen reicht dabei bis knapp 45%. - Bei der Dauerstufe D = 72 h (Langzeitniederschlag) überwiegen sowohl bei der Jährlichkeit T = 1 a als auch bei T = 100 a die Zunahmen. - Bei der Jährlichkeit T = 1 a zeigen beim 72h-Niederschlag ca. 70% der Zellen Zunahmen bis zu knapp 55%. Diese Zellen liegen vor allem im Bereich des Schwarzwalds. - Bei der Jährlichkeit T = 100 a zeigen beim Langzeitniederschlag ca. 44% der Zellen Zunahmen bis zu knapp 70%. Auffällig ist, dass bei dieser Jährlichkeit bei ca. 45% der Zellen keine oder nur sehr geringe Veränderungen zu KOSTRA-DWD-2000 vorhanden sind. Die erhöhten Niederschläge im Bereich der langen Dauerstufen resultieren vor allem aus der veränderter Methodik bei der Festlegung der maßgebenden Niederschlagshöhen. Aus den REGNIE-Niederschlägen (Rastergröße 1 km²) wurde bei KOSTRA-DWD-2010 (Rastergröße 66 km²) jeweils der Maximalwert aus den REGNIE-Zellen als maßgebend für die KOSTRA-