Zur Ermittlung Von Hydrologischen Bemessungsgrößen an Flussmündungen Mit Verfahren Der Multivariaten Statistik
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Mitteilungen des Forschungsinstituts Wasser und Umwelt der Universität Siegen Jens Bender Zur Ermittlung von hydrologischen Bemessungs- größen an Flussmündungen mit Verfahren der multivariaten Statistik Heft 9 ISSN 1868-6613 2015 Jens Bender Zur Ermittlung von hydrologischen Bemessungsgrößen an Flussmündungen mit Verfahren der multivariaten Statistik Erscheinungsort: Siegen Erscheinungsjahr: 2015 D 467 Mitteilungen des Forschungsinstituts Wasser und Umwelt der Universität Siegen Heft 9 | 2015 Herausgeber: Forschungsinstitut Wasser und Umwelt (fwu) der Universität Siegen Paul-Bonatz-Str. 9-11 57076 Siegen Druck: UniPrint, Universität Siegen ISSN 1868-6613 Vorwort Mit der ersten Promotion am Forschungsinstitut Wasser und Umwelt (fwu) im Jahr 2009 wurde eine eigene fwu-Schriftenreihe etabliert. Neben den Promotionen am fwu werden in dieser Schriftenreihe die Ergebnisse von Institutsveranstaltungen, Konferenzen und Work- shops sowie andere Forschungsergebnisse, die im Kontext des fwu erarbeitet werden, veröf- fentlicht. Bis dahin wurden die Forschungsergebnisse in verschiedenen internen und externen Schriftenreihen publiziert. Eine Übersicht der bisher veröffentlichten Schriftenreihen kann der letzten Seite entnommen werden. In dem vorliegenden Heft 9 (2015) wird die Promotion von Herrn Jens Bender mit dem Titel „Zur Ermittlung von hydrologischen Bemessungsgrößen an Flussmündungen mit Verfahren der multivariaten Statistik” in Papierform veröffentlicht; die digitale Veröffentlichung erfolgte im Oktober 2015 über die Universitätsbibliothek Siegen. Herr Jens Bender hat die Dissertati- on als Monografie in deutscher Sprache verfasst. Inhalte der Dissertationsschrift wurden pa- rallel auch in begutachteten Beiträgen in internationalen Fachzeitschriften veröffentlicht. Für die Bemessung von Hochwasserschutzbauwerken im Bereich von Flussmündungen, d. h. dem Zusammenfluss von Haupt- und Nebengewässer, können die gängigen Bemessungsan- sätze nicht angewendet werden, da die Abflüsse aus beiden Gewässern Berücksichtigung fin- den müssen. Dennoch wird gerade in solchen Mündungsbereichen ein ausreichender Hoch- wasserschutz benötigt, da sich dort häufig hochwertige und dichte Bebauung befindet. Da bislang nur sehr pragmatische Ansätze für die Bemessung von Hochwasserschutzbauwerken an Gewässermündungen vorhanden sind, befasst sich die Dissertation von Herrn Bender mit dieser Fragestellung. Basierend auf Copula-Funktionen wird zum einen ein methodischer An- satz vorgestellt, mit der die bemessungsrelevanten Abflusskombinationen aus Haupt- und Nebengewässer bei ausreichend langen Abflussaufzeichnungen bestimmt werden können. Zum anderen wird ein Ansatz zur Regionalisierung erarbeitet, mit der auch an Mündungen ohne entsprechende Pegelbeobachtungen die kombinierte Hochwasserwahrscheinlichkeit aus Haupt- und Nebengewässer abgeschätzt werden kann. Unter Berücksichtigung der vorgestell- ten Ansätze können Schutzbauwerke somit wirtschaftlicher errichtet werden, bei gleichzeiti- ger Erfüllung geforderter Sicherheitsstandards. Für die Mitbetreuung der Promotion möchte ich mich bei meinem geschätzten Kollegen Herrn Prof. Dr. rer. nat. Alfred Müller vom Department Mathematik der Universität Siegen und für die Mitwirkung im Prüfungsausschuss bei Herrn Prof. Dr.-Ing. Günter Meon von der Technischen Universität Braunschweig sowie bei Herrn Prof. Paolo Reggiani, Ph.D. vom De- partment Bauingenieurwesen der Universität Siegen herzlich bedanken. Siegen im Oktober 2015 Univ.-Prof. Dr.-Ing. Jürgen Jensen Zur Ermittlung von hydrologischen Bemessungs- größen an Flussmündungen mit Verfahren der multivariaten Statistik Vom Department Bauingenieurwesen der Naturwissenschaftlich-Technischen Fakultät der Universität Siegen angenommene Dissertation zur Erlangung des akademischen Grades Doktor der Ingenieurwissenschaften (Dr.-Ing.) von Dipl.-Ing. (FH) Jens Bender, M.Sc. Referent: Univ.-Prof. Dr.-Ing. Jürgen Jensen Universtät Siegen Korreferent: Univ.-Prof. Dr. rer. nat. Alfred Müller Universtät Siegen Prüfer: Univ.-Prof. Dr.-Ing. Günter Meon Technische Universität Braunschweig Vorsitzender: Univ.-Prof. Paolo Reggiani, Ph.D. Universität Siegen Tag der Einreichung: 01.06.2015 Tag der mündlichen Prüfung: 03.09.2015 Zum Titelbild: Das Titelbild zeigt das Hochwasser am Zusammenfluss der Mosel und des Rheins in Koblenz am Deutschen Eck im Dezember 1993 (Foto: D. Lippert, Bundesanstalt für Gewässerkunde, Koblenz). Bei diesem extremen Hochwasserereignis trafen die Hochwasserwellen aus Rhein und Mosel am 23. Dezember 1993 nahezu zeitgleich in Koblenz ein und führten so zu dem höchsten je gemessenen Wasserstand am Pegel Koblenz (9,49 m) seit dem offiziellen Aufzeichnungsbeginn im Jahr 1882. Kontakt: Jens Bender | E-Mail: [email protected] Danksagung I Danksagung Diese Dissertationsschrift entstand während der Zeit von 2011 - 2015 als wissenschaftlicher Mitarbeiter am Forschungsinstitut Wasser und Umwelt (fwu) im Department Bauingenieurwesen der Naturwissenschaftlich-Technischen Fakultät der Universität Siegen. An dieser Stelle möchte ich mich bei einigen Personen bedanken, die mich während dieser Zeit unterstützt haben und ohne die diese Arbeit in der vorliegenden Form nicht entstanden wäre. Zunächst gilt mein tiefster Dank meinem Doktorvater, Herrn Prof. Dr.-Ing. Jürgen Jensen, der mir überhaupt erst ermöglicht hat diese Arbeit zu verfassen. Seine Anregungen, Kritik und Offenheit gegenüber neuen Ideen und methodischen Ansätzen waren eine hervorragende Basis auf der die Dissertation in den vergangenen Jahren entstehen konnte. Weiterhin möchte ich Herrn Prof. Dr. rer. nat. Alfred Müller aus dem Department Mathematik danken, der sich bereit erklärt hat das Korreferat zu übernehmen und mir besonders mit seinem mathematischen Fachwissen jederzeit mit einem offenen Ohr und Geduld begegnete. Des Weiteren möchte ich meinen ehemaligen Arbeitskollegen, Prof. Dr.-Ing. Christoph Mudersbach und Dr.-Ing. Thomas Wahl für die zahllosen und interessanten Fachgespräche danken. Ohne diese Gespräche wäre der Einstieg in die Verfahren der statistischen Hydrologie deutlich mühseliger geworden. Weiterer Dank gilt natürlich auch den derzeitigen Kolleginnen und Kollegen am fwu. Jeder hat im Rahmen seines Fachwissens direkt oder indirekt dazu beigetragen, dass diese Arbeit in der jetzigen Form entstehen konnte. Namentlich erwähnt seien (in alphabetischer Reihenfolge): Dr.-Ing. Arne Arns, Dr.-Ing. Sönke Dangendorf, Kristina Fehler, Vitalij Kelln, Sebastian Niehüser, Jessica Schmidt, Volker Spieß, Andre Stettner-Davis, Sandra Sziburies, Marius Ulm und Jörg Wieland. Das Arbeiten in diesem Team hat mir nicht nur fachlich sehr weitergeholfen! Nicht zuletzt möchte ich ebenfalls meiner Familie, meinen Freunden und ganz besonders Dajana meinen herzlichen Dank für die fortwährende Unterstützung aussprechen. Jens Bender | Ermittlung von hydrologischen Bemessungsgrößen an Flussmündungen II Kurzfassung Kurzfassung Die Bemessung von Hochwasserschutzbauwerken am Zusammenfluss von Gewässern stellt Ingenieure vor besondere Herausforderungen, da die gängigen univariaten statistischen Verfahren zur Ermittlung der Belastungsparameter nicht angewendet werden können. Dennoch besteht auch in Mündungsbereichen die Notwendigkeit eines sicheren und wirtschaftlichen Hochwasserschutzes. Diese Dissertation befasst sich mit der Ermittlung von Bemessungsgrößen für die Dimensionierung solcher Bauwerke unter Verwendung multivariater statistischer Verfahren. Zunächst werden in dieser Arbeit grundlegende Einflussfaktoren untersucht, die bei der statistischen Ermittlung von hydrologischen Bemessungsgrößen eine Rolle spielen. Dies ist zum einen die Diskretisierungszeitspanne der verwendeten Abflusszeitreihen und zum anderen mögliche Instationaritäten in den zu untersuchenden Parametern. Für die Ermittlung der hydrologischen und hydraulischen Belastungszustände im direkten Bereich des Zusammenflusses zweier Gewässer wird ein methodischer Ansatz entwickelt, der unter Verwendung von Copula-Funktionen auf der Überlagerung von Quantil-Isolinien beruht, wodurch es möglich ist, das zeitgleiche oder auch zeitlich versetzte Auftreten von Extremereignissen in den statistischen Untersuchungen zu berücksichtigen. Weiterhin wird auf Basis einer breiten Datengrundlage ein Ansatz erarbeitet, mit dem die kombinierte Hochwasser-wahrscheinlichkeit an Gewässermündungen bestimmt werden kann, an denen keine langjährigen Abflussbeobachtungen vorhanden sind. Diese Arbeit liefert somit einen bedeutenden Beitrag für die verlässliche Ermittlung von bemessungsrelevanten Hochwasserabflüssen zur Bemessung von Schutzbauwerken. Jens Bender | Ermittlung von hydrologischen Bemessungsgrößen an Flussmündungen Abstract III Abstract The design of flood protection structures in the direct reach of river confluences is exceptionally challenging for engineers. This is mainly because commonly applied univariate statistical methods are not valid to derive the hydrological design parameters. In this thesis various aspects are investigated to determine hydrologic and hydraulic parameters for the design of flood protection structures in the direct reach of river confluences to meet safety and economic requirements. First, general aspects influencing statistical analyses of hydrological time series are investigated. Therefore, the influence of different discretisation time spans of discharge time series as well as non-stationarities of the univariate parameters on statistically derived design values are explored. The main focus of the thesis is on estimating design events for