1.4.02 Projekt 3ZM-GRIMEX – Gekoppelte Modelle simulieren Hochwasserszenarien

Bei Hochwasser wird neben der oberirdischen Überflutung oft auch das ansteigende Grundwasser zur Gefahr. Es breitet sich unter der Erde aus und kann große Schäden verursachen. Bislang stellen die meisten Simulationssysteme die Wasserflüsse für diese Prozesse separat oder auf zwei Komponenten bezogen dar. Oberflächenwasser, Kanalisation und Grundwasser gemeinsam abzubilden, war bislang unmöglich. Um die Interaktion dieser Komponenten bei Hochwasser besser abschätzen zu können, verknüpfte ein Forschungsverbund um das Dresdner Grundwasserforschungszentrum die computergestützten Modelle miteinander.

Die Hochwasser der vergangenen Jahre haben gewaltige Schäden verursacht. Mit rund einer Milliarde Euro sind im August 2002 rund zehn Prozent der deutschen Gesamtschadensumme allein in Dresden angefallen. 16 Prozent der Schäden an den Liegenschaften des Freistaats Sachsen gehen auf Grundwasser zurück. Dadurch ist den Menschen bewusst geworden, dass Hochwasser in städtisch geprägten Räumen auch das Grundwasser beeinflussen kann. Dieses breitet sich unterirdisch im Wesentlichen über zwei Pfade aus:

• Oberflächenwasser gelangt ins Grundwasser und verteilt sich dort. Das Grundwasser, das aus dem Hinterland dem Vorfluter Mit Vorfluter wird in der Hydrologie jegliche Art von Gerinne, zum Beispiel Gewässer und Bodendrainagen, bezeichnet, in denen Wasser in Form von Abwasser, Regenwasser oder Drainagewasser in ein Gewässer abfließen kann. Natürliche Vorfluter sind offene Fließgewässer, die Wasser aus anderen Gewässern, aus Grundwasserkörpern oder Abfluss-Systemen aufnehmen und ableiten. zuströmt, staut sich auf.
• Das Oberflächenwasser verteilt sich über Infrastrukturbauwerke wie Abwasserkanalisation (technogene Zone) in Gebiete außerhalb des direkten Überschwemmungsbereichs.

Unmittelbar nach dem Hochwasser begannen Forscher des Dresdner Grundwasserforschungszentrums e. V. die Interaktion zwischen Oberflächenwasser und Grundwasser im Hochwasserfall modellgestützt abzubilden. Ziel war es, die Hochwassernachsorge zu begleiten und die Vorsorge zu verbessern. Für Wechselwirkungen zwischen Oberflächenwasser und Grundwasser sowie zwischen Grundwasser und Kanalisation existierten damals aber nur einzelne modelltechnische Lösungen. Sie beruhten auf Simulationsprogrammen, die ausschließlich auf eine Komponente – Oberflächenwasser, Kanalisation oder Grundwasser – ausgerichtet waren.

Gekoppelte Modellierung: Drei Zonen – ein System

Abhilfe schaffte hier das BMBF-Projekt „Entwicklung eines 3-Zonenmodells für das Grundwasser- und Infrastrukturmanagement nach extremen Hochwasserereignissen in urbanen Räumen“ (3ZM-GRIMEX). Die Wissenschaftler des Projektteams entwickelten für die Landeshauptstadt Dresden ein neuartiges Modellwerkzeug, das die Wechselwirkungen zwischen den hydraulischen Komponenten Oberflächenwasserabfluss, Abfluss in der technogenen Zone und Grundwasser bei extremem Hochwasser auf der Basis bestehender Modelle abbildet. Mit diesem gekoppelten Modellsystem können Lösungsstrategien für die Gestaltung und Sicherung der unterirdischen Infrastrukturnetze, für das Management von Grundhochwasser und zur Unterstützung bauleitplanerischer Entscheidungen entwickelt werden.

Mithilfe einer Kopplungssoftware des Fraunhofer-Instituts verknüpften die Experten Simulationsprogramme, die sich bei der Abbildung der bei einem Hochwasser maßgeblichen Wasserströme bewährt hatten. Dabei mussten sowohl die zeitlichen als auch die räumlichen Unterschiede zwischen den einzelnen Modellkomponenten berücksichtigt werden. Für eine erfolgreiche Kopplung müssen die grundlegenden Zusammenhänge des Systems, das aus Kanalnetz, Oberflächen- und Grundwasser besteht, sowie die zeitlichen und räumlichen Skalen der Strömungsprozesse bekannt sein. Eine Skala legt fest, auf welche Weise ein bestimmtes Merkmal eines Prozesses erfasst und messbar gemacht wird.

Computergestützter Kopplungsprozess

Die computergestützte Kopplung beruht auf der Strategie, dass die Einzelmodule – Oberflächenwasser-, Kanalnetzund Grundwassermodell – als eigenständige Instanzen ihre jeweiligen Wasserstände und Durchflüsse berechnen und daraufhin miteinander austauschen. Jedes Modul stellt dann diese sogenannten Kopplungsgrößen dem jeweils anderen Modul zur Verfügung. Die Kopplungssoftware kombiniert schließlich die Informationen der Einzelmodule (Verschneidung) miteinander. Verschneidet man beispielsweise Kanalelemente, Grundwasserstände und Überflutungsflächen, kann man herausfinden, welche Anwohner von Unwettern betroffen sein werden und sie rechtzeitig warnen.

Die verwendeten Programme stellten das Projektteam je nach Anwendungsbereich vor unterschiedliche Herausforderungen. Beispiel Kanalnetz: Für die hydrodynamische Kanalnetzberechnung war keine besonders hohe Leistungsfähigkeit der Rechner erforderlich. Außerdem war die Datenlage dazu in den meisten Kommunen sehr gut. Die Wirkung der Kanalisation auf die Grundwasserdynamik hingegen konnte nur über stark vereinfachende Ansätze in ein Grundwassermodell einbezogen werden.

Praktischer Einsatz in Dresden

In der ersten Bearbeitungsphase standen die Einzelmodelle im Mittelpunkt. Hier kam es darauf an, deren Raumbezüge aufeinander abzustimmen und alle relevanten Wasserflüsse, die im Überflutungsfall wirken und in dem Modellsystem abgebildet werden sollten, zu erfassen. Hierzu erstellten die Forscher ein allgemeines Wasserflussschema, das Grundlage für die Kopplungsarbeiten war. Es ging dabei vor allem um die adäquate Abbildung temporärer Komponenten wie Hochwasserentlastungsbrunnen, Überflutungsflächen oder überstaute Kanalabschnitte. Diese Algorithmen wurden in einem synthetischen Testmodell getestet. Damit erprobte das Expertenteam zunächst die Kopplungen zweier und anschließend aller drei Instanzen.

Das Gesamtsystem kommt inzwischen in der Landeshauptstadt Dresden zum Einsatz. Durch die gekoppelten Modellierungen konnten für verschiedene Hochwasserszenarien der Wasseraustausch zwischen Oberflächenabfluss, Abfluss in der Kanalisation und Grundwasser berechnet werden. Außerdem identifizierten Experten mithilfe des neuen Systems die Schwerpunkte latenter Hochwassergefahren durch austretendes Kanalwasser. Die Übertritte von Grundwasser in das Kanalsystem konnten lokalisiert und quantifiziert werden. Der Einfluss von austretendem Kanalwasser auf das Grundwasser spielt bei Hochwasserereignissen nur lokal eine Rolle, kann aber in den Schwerpunktbereichen je nach Intensität zu signifikanten Anstiegen des Grundwassers führen.

Projekt-Website http://www.gwz-dresden.de/dgfz-ev/forschungsbereich/3zm-grimex.html

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