2. Trierer Workshop zur Niederschlag-Abfluss-Modellierung Nachrechnung des Hochwasserereignisses vom Juni 2008 an der Starzel mit dem Wasserhaushaltsmodell LARSIM Jochen Hohenrainer Christian Elpers Dr.-Ing. Karl Ludwig – Wasserwirtschaft-Wasserbau GmbH 14. September 2009 Überblick Nachrechnung des Hochwasserereignisses vom Juni 2008 an der Starzel mit dem Wasserhaushaltsmodell LARSIM • Wie gut kann das Extremereignis bei bestehender Datenlage mit dem Wasserhaushaltsmodell LARSIM nachgerechnet werden? • Lässt sich die Simulationsgüte durch die Verwendung angeeichter Radardaten für den Modell-Input verbessern? • Wie gut kann das Extremereignis unter Einsatz operationeller Optimierungsroutinen vorhergesagt werden? Dr.-Ing. Karl Ludwig – Wasserwirtschaft-Wasserbau GmbH 2 „Flash flood“ an der Starzel • Extremes Hochwasserereignis am 2. Juni 2008 an der Starzel in Baden-Württemberg • Starzel (rechter Nebenfluss des Neckars), http://www.focus.de/, 05.09.09 Einzugsgebiet am Nordrand der Schwäbischen Alb • Durchquert mehrere Orte, u.a. Jungingen, Hechingen • Besonders betroffen: Killertal (Teileinzugs- gebiet der Starzel) • Verlust dreier Menschenleben, dazu materielle Schäden in Millionenhöhe Dr.-Ing. Karl Ludwig – Wasserwirtschaft-Wasserbau GmbH 3 Das Niederschlagsereignis • Auslöser heftige Gewitterniederschläge mit hohen Intensitäten, lokal stark begrenzt (zwischen Killer und Hechingen). • Nächstgelegene Niederschlagssummen (mm), (Hydrate-Project, 2009) Zeit (MEZ) Hechingen Burladingen-Hausen Niederschlagsstationen 17:50 - 18:50 Uhr 40 33 2. Juni (24 Std.) 79 44 • Unsicherheiten bezüglich der gefallenen N-Mengen und Intensitäten in Jungingen und Umgebung (besonders hohe Intensitäten) • Zugrichtung der Gewitterzelle in Richtung NW entlang des Killertals • Hohe Vorfeuchte im Gebiet durch Vorregen http://portaleco.sharepointhosting.ch/starzel/default.aspx, 05.09.09 Dr.-Ing. Karl Ludwig – Wasserwirtschaft-Wasserbau GmbH 4 Das Hochwasserereignis http://portaleco.sharepointhosting.ch/starzel/default.aspx, 05.09.09 • Vom HW besonders betroffen: Region flussaufwärts von Rangendingen, jedoch nicht oberhalb Killer • Pegel Rangendingen/Starzel (123 km²) -> umläufig Scheitelabfluss geschätzt auf 134 m³/s (Beck, RP Tübingen) Auszug Stammdaten (HVZ Baden-Württemberg, 2009) Jährlichkeit Nachrechnung mit LARSIM: Forschungsprojekt T (a) Q (m³/s) 2 27 „Operationelle Abfluss- und Hochwasservorhersage in 10 63 20 80 kleinen Einzugsgebieten (OPAQUE)“ 50 105 Ziel: Verbesserte Vorhersage extremer Hochwasser- 100 125 MQ 1.16 ereignisse in Oberläufen bzw. Quellgebieten großer Flüsse Dr.-Ing. Karl Ludwig – Wasserwirtschaft-Wasserbau GmbH 5 Modellgebiet • Modellgrundlage: Wasserhaushaltsmodell Neckar der HVZ Baden-Württemberg, Rastermodell (1x1 km²) • Nacheichung: Pegel Rangendingen (123 km²), über ca. 10 Jahre (Basisabfluss und Interflow) + ausgewählte Hochwasser (Direktabfluss) 4 Abflusskomponenten • Meteorologischer Antrieb: Stationsmessungen von Niederschlag und weiteren Klimaparametern, bereitgestellt durch die HVZ Baden-Württemberg Dr.-Ing. Karl Ludwig – Wasserwirtschaft-Wasserbau GmbH 6 Hochwasserkalibrierung mit Stationsniederschlägen Kalibrierung nach Standard der HVZ Baden-Württemberg (Wasserdargebotsnachführung) Gleiche Modellparameter, Fehleinschätzung HW 2008 aufgrund nicht repräsentativer Niederschlagsdaten! Dr.-Ing. Karl Ludwig – Wasserwirtschaft-Wasserbau GmbH 7 Kontrolllauf ohne WD-Nachführung Fehleinschätzung des Abflusses aufgrund eines zu geringen N-Inputs! Dr.-Ing. Karl Ludwig – Wasserwirtschaft-Wasserbau GmbH 8 Radardaten – „Merging-Verfahren“ • Neuer Niederschlags-Input: Radardaten nach dem „Merging-Verfahren“, erstellt vom Institut für Geoökologie der Universität Potsdam • Geostatistisches Verfahren zur Korrektur stündlicher, radarbasierter Niederschlagsmessungen durch bodengestützte Ombrometermessungen • Grundannahme: Größenordnung der Niederschlagshöhe wird in etwa korrekt durch das Niederschlagsmessnetz abgebildet, räumliche Variabilität wird durch das Radarbild gut erfasst • Übertragung des räumlichen Musters aus dem Radarbild auf die interpolierten Stationsniederschläge Dr.-Ing. Karl Ludwig – Wasserwirtschaft-Wasserbau GmbH 9 Modellinput – Radar Niederschlagssumme 18:00 - 19:00 Uhr Dr.-Ing. Karl Ludwig – Wasserwirtschaft-Wasserbau GmbH 10 Hochwasserkalibrierung mit Radardaten Deutliche Verbesserung durch genauere räumliche Niederschlagsverteilung Dr.-Ing. Karl Ludwig – Wasserwirtschaft-Wasserbau GmbH 11 Kontrolllauf ohne WD-Nachführung Leichte Verbesserung durch genauere Erfassung der Niederschlagsverteilung mit Radardaten Dr.-Ing. Karl Ludwig – Wasserwirtschaft-Wasserbau GmbH 12 Einbeziehung zusätzlicher Informationen Private Niederschlagsmessungen in der betroffenen Region (Stegmaier, RP Tübingen) • Jungingen Kläranlage: 100 mm, übergelaufen • Jungingen: ca. 67 l (pro m²?) • Jungingen Regenmesser: 99 l (pro m²?) • Jungingen: 100 l (pro m²?) http://portaleco.sharepointhosting.ch/starzel/default.aspx, 05.09.09 • Jungingen Regenmesser: 80 mm, 3x übergelaufen zwischen 16:50 und 17:45 Uhr: 240 mm in 55 Minuten vgl. KOSTRA-DWD 2000 (60 min, 100 a): 56 mm http://www.focus.de/, 05.09.09 Dr.-Ing. Karl Ludwig – Wasserwirtschaft-Wasserbau GmbH 13 Radar-Merging mit „virtueller Station“ Dr.-Ing. Karl Ludwig – Wasserwirtschaft-Wasserbau GmbH 14 Operationelle Hochwasservorhersage Optimierungsroutinen in LARSIM für die kontinuierliche operationelle Hochwasservorhersage der HVZ Baden-Württemberg • Unterscheidung zwischen Hochwasser und Mittel-/Niedrigwassersituation • Ziel: Minimierung der Differenz zwischen Simulation und Messung über einen festgelegten Anpassungszeitraum vor dem Vorhersagezeitpunkt • Korrektur Wasserdargebot (Niederschlag und Schneeschmelzwasser) • Anpassung modellinterner Speicherfüllungen • ARIMA-Korrektur zur Anpassung der vorhergesagten Abflüsse an die Messung (über die relative bzw. absolute Differenz zwischen Simulation und Messung zu Beginn des Vorhersageintervalls) Vorhersagerechnungen • Nachgerechnete COSMO-DE-Vorhersagen des DWD für den 02.06.2008 (00:00 und 12:00 Uhr, UTC), bereitgestellt durch die LUBW • Radar-Daten Dr.-Ing. Karl Ludwig – Wasserwirtschaft-Wasserbau GmbH 15 Hochwasservorhersage mit COSMO-DE-Daten gemessen Optimierung bis zum Vorhersagezeitpunkt: gemessene Stations- vhs 20:00 Uhr niederschläge vhs 19:00 Uhr Vorhersagzeitraum: COSMO-DE vhs 17:00 Uhr vhs 13:00 Uhr gemessen: grau vorhergesagt: farbig vhs 9:00 Uhr Dr.-Ing. Karl Ludwig – Wasserwirtschaft-Wasserbau GmbH 16 Hochwasservorhersage mit COSMO-DE-Daten gemessen Optimierung bis zum Vorhersagezeitpunkt: Radardaten vhs 20:00 Uhr („Merging- vhs 19:00 Uhr Verfahren“) vhs 17:00 Uhr Vorhersagezeitraum: COSMO-DE vhs 13:00 Uhr gemessen: grau vhs 9:00 Uhr vorhergesagt: farbig Dr.-Ing. Karl Ludwig – Wasserwirtschaft-Wasserbau GmbH 17 Hochwasservorhersagetests mit Radar-Daten gemessen Optimierung bis zum Vorhersagezeitpunkt: Radardaten vhs 20:00 Uhr vhs 19:00 Uhr Vorhersagzeitraum: Radardaten vhs 17:00 Uhr gemessen: grau vhs 13:00 Uhr vorhergesagt: farbig vhs 9:00 Uhr Dr.-Ing. Karl Ludwig – Wasserwirtschaft-Wasserbau GmbH 18 Fazit • Wie gut kann das Extremereignis bei bestehender Datenlage mit dem Wasserhaushaltsmodell LARSIM nachgerechnet werden? - Gebietsreaktion von LARSIM grundsätzlich gut abgebildet, unbefriedigende Niederschlagsdatenlage führt zu Fehleinschätzungen bei der Abflusssimulation • Lässt sich die Simulationsgüte durch die Verwendung angeeichter Radardaten für den Modell-Input verbessern? - Aufgrund genauerer Niederschlagsverteilung durch angeeichte Radar-Daten („Merging-Verfahren“) verbesserte Abflusssimulation, jedoch weiterhin unbefriedigend - Verwendung zusätzlicher Informationen zum gefallen Niederschlag („Amateur- Messungen“) u.U. nützlich, Prüfung im Einzelfall • Wie gut kann das Extremereignis unter Einsatz operationeller Optimierungsroutinen vorhergesagt werden? - Vorhersage aufgrund Optimierungsroutinen besser als reine Simulation, jedoch sehr kurze Vorwarnzeiten (Radardaten für Modelloptimierung realistischer) Dr.-Ing. Karl Ludwig – Wasserwirtschaft-Wasserbau GmbH 19 Es geht auch besser ... • Pegel Ettlingen/Alb (150 km²) • Hochwasser im März 2002 gemessen • 100-jährlicher Abfluss: 97 m³/s simuliert Dr.-Ing. Karl Ludwig – Wasserwirtschaft-Wasserbau GmbH 20 Large Area Runoff Simulation Model LARSIM Umrechnung gemessener Klima- daten auf die Teileinzugsgebiete Das Wasserhaushaltsmodell LARSIMNiederschlag, Lufttemperatur, Sonnenscheindauer, relative Luftfeuchte, Luftdruck, Windgeschwindigkeit • Deterministisch, konzeptionell, vertikale Wasserspeicherung / -transport pro Landnutzungsklasse im Teilgebiet flächenverteilt INTERZEPTION und SCHNEESPEICHER EVAPOTRANSPIRATION • Interpolation meteorologischer Eingangsgrößen (z.B. Raster- punktverfahren) BODENSPEICHER Anteil wasserge- laterale vertikale • Interzeption, Evapotranspiration, sättigter Flächen Drainage Perkolation Schneeakkumulation, -kompaktion und -schmelze GEBIETSSPEICHER (laterale Wasserspeicherung/-transport im Teilgebiet) • Bodenfeuchte-Sättigungsflächen- Direktabfluß- Interflow- Grundwasser- funktion: Direktabfluss, speicher speicher speicher Bodenwasserspeicher, Interflow, Tiefensickerung und Grundwasserabfluss • „Flood-Routing“ FLÜSSE UND SEEN pro Gewässerabschnitt • Anthropogener Steuerungen (z.B. Wellenablauf Verzweigungen, Seeretention, Überleitungen, Speicher) im Gerinne Einleitungen Speichersteuerung • Operationelle Optimierungsmethoden Bremicker (2000) Dr.-Ing. Karl Ludwig – Wasserwirtschaft-Wasserbau GmbH Abfluß 22 Niederschlagsrekorde (Dyck & Peschke, 1995) • 42 min: 305 mm, Holt, Missouri, USA, 22 Juni 1947 • 60 min: 401 mm, Shangdi Nei Monggol, China, 3. Juli 1975 (http://www.nws.noaa.gov/oh/hdsc/record_precip/record_precip_world.html, 06.09.09) Dr.-Ing. Karl Ludwig – Wasserwirtschaft-Wasserbau GmbH 23.