Methoden zur Abschätzung extremer Hochwasser

Felder, Guido (2016). Methoden zur Abschätzung extremer Hochwasser. (Dissertation, Universität Bern, Philosophisch-naturwissenschaftliche Fakultät)

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Abschätzungen für extreme Hochwasser quantifizieren je nach Definition äusserst seltene Ereignisse (HQ10 000), oder gar das vermutete maximal mögliche Hochwasser (Probable Maximum Flood, PMF). Das Verständnis der in diesem Fall ablaufenden Prozesse ist aufgrund fehlender Referenzereignisse stark eingeschränkt, und für vorgenommene Schätzungen gibt es keine direkten Validierungsmöglichkeiten. Die Abschätzung extremer Hochwasser stellt deshalb eine grosse Herausforderung dar, und die dabei angewandten Methoden bedürfen einer ständigen Weiterentwicklung und Evaluation. In der vorliegenden Arbeit werden zwei Teilaspekte der PMF-Hochwasserabschätzung vertieft behandelt: Die räumlich-zeitliche Verteilung eines Extremniederschlages, und die Herleitung eines PMF-Hochwassers aus dem Extremniederschlag mittels Niederschlag-Abfluss-Modellierung.

Der ersten Teil der vorliegenden Arbeit beinhaltet ein neues Verfahren zur räumlich-zeitlichen Verteilung des vermuteten maximal möglichen Niederschlages (Probable Maximum Precipitation, PMP). Der vorgestellte Monte-Carlo-Ansatz ermöglicht die Herleitung einer Vielzahl unterschiedlicher Niederschlagsverteilungen unter Berücksichtigung physikalischer Plausibilitätskriterien, und schliesslich die Identifikation der folgenreichsten, sprich hochwassermaximierenden räumlich-zeitlichen Verteilungen. Die Resultate zeigen auf, dass sich ein Monte-Carlo-Ansatz zur Identifikation von worst-case-Szenarien eignet. Zusätzlich erlaubt die Anwendung des Verfahres eine erste grobe Abschätzung des PMF-Hochwassers.

In einem zweiten Teil wird aus den generierten Niederschlagsszenarien ein PMF-Hochwasser abgeschätzt. Dabei kommen zwei verschiedene Modellierungsansätze zur Anwendung: Ein deterministisches hydrologisches Modell und ein gekoppeltes hydrologisch-hydraulisches Modell. Die Resultate belegen, dass eine Kopplung von hydrologischen und hydraulischen Modellen im Vergleich zur herkömmlichen hydrologischen Modellierung eine dämpfende Wirkung auf die modellierte PMF-Schätzung hat. Für die Abschätzung von Hochwasserereignissen, welche die Bemessungsgrössen von Schutzbauten entlang des Gerinnes womöglich deutlich übertreffen, bringt die damit einhergehende Berücksichtigung grossflächiger Überflutungs- und Retentionsräume einen deutlichen Mehrwert.

In den letzten Jahren sind im wissenschaftlichen wie auch im privatwirtschaftlichen Umfeld zahlreiche PMF-Abschätzungen vorgenommen worden. Die gewählten Methoden zur räumlich-zeitlichen Repräsentierung des PMP-Niederschlages und zur anschliessenden Modellierung sind dabei sehr unterschiedlich. Die Wahl der Methoden kann jedoch einen relativ grossen Einfluss auf die resultierende Abschätzung haben. Im dritten Teil der Arbeit werden verschiedene Methoden zur räumlich-zeitlichen Niederschlagsverteilung und verschiedene Modellierungsansätze hinsichtlich ihrer Eignung für die Abschätzung des PMF-Hochwassers systematisch getestet. Die Resultate zeigen auf, dass die Wahl der Methode zur räumlich-zeitlichen Niederschlagsverteilung und die Wahl des Modellierungsansatzes aufeinander abgestimmt sein müssen, um eine markante Über- oder Unterschätzung des PMF-Hochwassers zu vermeiden.

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