2D Überflutungsmodellierungen

Eingesetzte Modellierungssoftware

Die nachfolgend genannten Modellierungsprogramme sind alle von der beffa tognacca gmbh erstellt worden.

TriPaD

TriPaD löst die Abflussgleichungen auf einem unstrukturierten Dreiecksnetz. Bei der Bestimmung von Fliessrichtung, Wassertiefe und Fliessgeschwindigkeit werden Druckkraft und Sohlenschubspannung berücksichtigt. Zur Lösung der Gleichungen wird die sog. Partial-Discharge Methode verwendet. Die Partial-Discharge-Methode in TriPaD basiert auf Abflussvolumina, welche entlang des Fliessweges entsprechend der Topographie abfliessen oder retendiert werden. Volumenerhaltung ist somit lokal (an jedem einzelnen Berechnungspunkt) als auch global (über das gesamte Berechnungsgebiet) eingehalten.

Die Rechennetze können bis zu 2 Millionen Knoten aufweisen. Besondere Stärken von TriPaD liegen in der einfachen Weise, wie quantitative Ereignisbäume abgebildet werden können und in der grossen Zahl von Teilergebnissen, welche die Software selbständig korrekt verwaltet. Das Modellierungsprogramm ist speziell darauf ausgelegt, Subprozesse wie Verklausungen an Brücken und Durchlässen sowie Auflandungen einfach zu behandeln. Die Anforderungen an das Rechennetz lassen sich wie folgt umschreiben:

  • Die Einhaltung minimaler Winkel ist von geringerer Bedeutung.
  • Relativ abrupte Grössenänderungen der Rechenzellen wirken sich nicht massgeblich auf die Ergebnisse aus.

Diese beiden Punkte erlauben es, eine sehr lebhafte Topographie realitätsnah abzubilden. Diese Vorteile erkauft man sich hingegen mit einer vereinfachten Hydraulik, welche insbesondere die Retentionen systematisch überschätzt. In der Kombination aller erwähnten Vorteile, drängte sich der Einsatz von TriPaD an Gewässern ohne relevante Retentionen auf.

   

Würde man die an der BAFU-Messstelle aufgezeichnete Abflussmenge als Eingang für die Modellierung verwenden, würden die Überflutungen massiv unterschätzt.

Flush kombiniert mit FLUMEN

Das 1D-Modell Flush modelliert Abflüsse instationär in Profilen. Dabei werden die Profile in einem Abstand erstellt, der etwa der Gerinnebreite entspricht. Die Profile werden aus der Vermessung übernommen, sofern solche vorhanden sind. Da die Profile nie im notwendig dichten Abstand verfügbar sind, werden die Zwischenprofile interpoliert. Liegen keine Messungen vor, so werden diese aus dem DTM heraus gerechnet. Je nach Wasserführung und Art der Datenerhebung bei der DTM-Erstellung muss die effektive Sohlenlage noch ermittelt und im DTM eingebaut werden. Bei den BAFU-Profilen liegen die Sohlenpunkte immer vor. Bei Verwendung photogrammetrischer Erhebungen muss die Sohle oft aus den Angaben des Wasserspiegels mit Feldmessungen hergeleitet werden.

Dem eindimensionalen Gerinneschlauch liegt beidseitig das überflutbare Gelände als dreiecksvermaschtes Rechennetz an. Jedem Profil ist seitliche eine Dreieckszelle zugeordnet, welche die hydraulische Verknüpfung zwischen den 1D-Gerinneprozessen und den 2D-Überlfutungsflächen sicherstellt. Damit ist automatische Abbildung aller Interaktionen zwischen Gerinne und Überflutungsfläche gewährleistet. Je breiter das Gerinne ist (und damit der Profilabstand grösser), desto gröber ist die topographische Auflösung unmittelbar neben dem Gerinne.

Dieses Vorgehen zur Modellierung eignet sich vor allem in folgenden Fällen:

  • Die Gebietsgrösse zwingt zur Einsparung von Rechenzellen.
  • Die aus der 2D-Modellierung resultierenden Rechenzeiten erfordern die Vereinfachung.
  • Die eindimensional modellierten Gerinne verlaufen einigermassen gestreckt und sind weitgehend gleichförmig prismatisch.
  • Unmittelbar neben dem Gerinneschlauch ist nicht unmittelbar eine sehr hohe Auflösung erforderlich.


Einsatz der verschiedenen Modelle

Einsatz der verschiedenen Modellierungsprogramme


sehr grosse Gebiete
eher kleine Gebiete
Retentionen relevant 1D/2D Flush / FLUMEN FLUMEN
  Übergänge Retention – viele Szenarien    Kontrolle / Eichung zu Teilfragen  Eichung mit FLUMEN
Viele Szenarien
TriPaD TriPaD

Wenn keine eindeutige Wahl einer Software sinnvoll ist, können zwei oder mehr Modellierungsprogramme verwendet und die Ergebnisse kombiniert werden (z.B. Maximum an jeder Selle aus den verfügbaren Ergebnissen). Als Zwischenlösung sind fallweise Eichungsmodellierungen nötig. Dabei wird die TriPaD Modellierung so angepasst, dass die FLUMEN Ergebnisse bestmöglich angenähert werden.

Effiziente Modellierungen

Vollständige Modellierungen, wie sie beispielsweise in der Gefahrenbeurteilung nötig sind, erfordern die Nachbildung verschiedener Szenarien:

  • Unterschiedliche Abflüsse.
  • Verklausungen an verschiedenen Brücken oder Durchlässen.
  • Auflandungen oder Dammbrüche.
  • Mit und ohne Gebäude (dicht und durchlässig)

  Die Steuerdateien zur Durchführung der Modellierungen werden mit dem Programm Infiler (Ingenieure Bart AG) erstellt. Das strukturierte Vorgehen steigert die Effizienz der Arbeit und ist auch ein wichtiges Hilfsmittel Modellierungen in einheitlich hoher Qualität durchzuführen.

 
 
 

 

Die animierte Über­flutungs­modellierung der Seez bei Flums zeigt die Abflüsse der Jähr­lichkeiten 100 (blau), 300 (rot) und EHQ (gelb) in einer Überlagerung. Es handelt sich um Modellierungen mit FLUMEN.