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Niederschlag-Abfluss-Modelle
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Mit einem Niederschlags-Abfluss-Modell wird das Abflussverhalten eines Gebietes für bestimmte Wettersituationen modelliert. Im Computermodell werden auf mathematischem Wege die Abflussganglinien aus einem Einzugsgebiet berechnet. Niederschlagshöhen und das spezielle Abflussverhalten des Gebietes werden dabei berücksichtigt. Ein Niederschlags-Abfluss-Modell besteht im wesentlichen aus Teilmodellen für Abflussbildung und Abflusskonzentration. Mittels Niederschlag-Abfluss-Modellierung führen wir detaillierte Analysen der Zieleinzugsgebiete durch. Diese Methode bietet sehr umfangreiche Einsatzmöglichkeiten. Die meisten praktischen Anwendungen beziehen sich auf:
Ermittlung des abflusswirksames Gebietsniederschlags
Schneeschmelzrate durch Grad-Höhe-Verfahren
Abflussbildung über SCS-, Green-Ampt-, kontinuierliche Bodenfeuchteabrechnung (SMA)-, anfänglich- und konstantraten
Verlustverfahren
Ereignisorientierte oder kontinuierlich, konzeptuelle oder flächendetailierte (2D) Modelle
Abflusskonzentration über lineare Speicher und SCS-Verfahren
Retention über wasserstandsabhängig variierbare lineare Speicher
Anpassung der hydrologischen Prozeduren an zukünftige Entwicklungen durch modularen Aufbau
Kalibrierung der gebietsspezifischen Parameter
Berechnung des Abflusses - zeitschrittweise - für das gesamte Gebiet
Berücksichtigung von Unterwassersteuerung von Hochwasserrückhaltebecken und Talsperren
Ermittlung der Abflussganglinien für verschiedene Jährlichkeiten ( zB. Tn=1J, 2J, 5J, 10J, 30J, 100J) und Bauzustände
Ermittlung einer Dammbruchwelle
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Prognosemodelle
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Hochwasserprognosen sind sehr wichtig, um abschätzen zu können, welche Kräfte am Fluss in den Städten und Gemeinden benötigt werden. Je nach Höhe der Welle müssen die erforderlichen Schutzmaßnahmen frühzeitig umgesetzt werden. Etwa ein bis mehrere Tage Vorlaufzeit, bevor die Hochwasserwelle auftritt, sind optimal. Droht eine Hochwasserlage, werden spezielle Informationen - global - über Medien wie TV und Videotex an die Benutzer herausgegeben. Um lokale, konkrete und wirksame Massnahmen treffen zu können, eine frühzeitige Abschätzung der Risikos durch Ermittlung der Gefahrenzonen und Überflutungsflächen ist unverzichtbar.
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Vorhersagemodelle für Hochwasser:
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Es ist zwischen vier verschiedenen Prognosemodellen zu unterscheiden:
- Empirische Verfahren -- welche versuchen aus Abflusssummierung und Pegelbezugslinienverfahren den Hochwasserverlauf abzuschätzen
- Lineare und nichtlineare hydrologische Wellenablaufmodelle
- Statistische Verfahren
- Eine Kombination zwischen NA-Modelle und hydraulische, in letzten Zeit 2D, numerische Modelle
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Beschreibung der Hochwasservorhersagen:
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Mit Hilfe von Prognosemodellen lassen sich für große Einzugsgebiete, 6-12 Stunden-Prognosen mit ausreichender Genauigkeit berechnen, wie im Fall der Hochwasserkatastrophe 2002 in Deutschland bewiesen wurde. Bei der 6 Stundenprognose lag der Fehler bei maximal (Rhein) 11 cm, meist aber nur um 1-2 cm (allerdings waren die Fehler gerade bei der Hochwasserwelle größer). Bei 12 Stunden erhöhte sich der Fehler auf 12 cm und bei 18 Stunden auf 22 cm. Bei 24 Stunden lagen die Fehler bei maximal fast 25 cm. Auch hier lag der größte Fehler bei der Prognose der Hochwasserwelle.
Seit über 15 Jahren gibt es konkrete Niederschlagsprognosen aus den Wettermodellen der Supercomputer. Bis zu 14 Tage im voraus werden Regen- und Schneemengen pro Quadratmeter über Europa berechnet (ALLADIN-Modell). Nach allerdings drei bis vier Tagen werden die Vorhersagen sehr ungenau. Durch regionale, hochauflösende Modelle, detaillierte Beschreibung der Wolkenphysik und eine verbesserte Datensammlung konnten die Prognosen schon vor der Jahrtausendwende deutlich verbessert werden.
Die Niederschlagsverteilung ist regional sehr unterschiedlich geprägt. So spielen die Mittelgebirge eine große Rolle. Erst mit den regionalen Modellen mit einer Auflösung unter 15 km im Quadrat lässt sich der lokaler Einfluss berechnen. Bei den gröberen Modellen ist dieser Einfluss zu schwach. Daher waren die Vorhersagen der Modelle vor 1994 im regionalen Bereich sehr ungenau bzw. nicht anwendbar.
Unter gegebenen Umständen ist es durch eine Koppelung von meteorologischen, hydrologischen und hydraulischen-Modellen möglich, Hochwasserkatastrophen zu prognostizieren. Der Zeitgewinn ist immer eine Funktion die von den Einzugsgebietsparametern stark beeinflusst ist. Um so größer ein Einzugsgebiet ist, um so länger kann der Zeitgewinn sein. Eine Vorhersage über kleine Einzugsgebiete ist mit dieser Methodologie nicht machbar. Die einzige Lösung in diesem Fall ist die frühzeitig durchgeführte Abflussuntersuchung, so dass mit Hilfe der auf dieser Basis erarbeitete Alarm- und Notpläne, solche Extremsituationen bewältigt werden können.
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Statistische Auswertungen
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Entstehung und Kennwerte von Hochwassern; Hochwasser-Warscheinlichkeit; Datenzusammenstellung und -prüfung, Verteilungsfunktionen, Auswertung von Jahreshöchstwerten, Schwellenwertstatistik, Bemessungsniveau und Risiko, zeitliche und räumliche Informationserweiterung, regionale Analysen
Die Wahrscheinlichkeit eines Ereignisses wird durch eine Zahl zwischen 0 und 1 einschließlich dargestellt. Die einfachsten Probleme befassen sich mit der Wahrscheinlichkeit eines besonders günstigen Ereignisses, das eines von einer endlichen Anzahl gleich wahrscheinlicher Ereignisse ist. Sind n Ereignisse gleich wahrscheinlich und werden f davon als günstig bezeichnet, so sollte die Wahrscheinlichkeit eines günstigen Ereignisses gleich f/n sein.
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