Analyse von Oberflächenabfluss

Foto: Geomer

EINLEITUNG

Lugitsch und Partner ZT GmbH

• Zivilingenieurbüro: Generalplanung und Consulting• 20 Mitarbeiter• Standorte: Feldbach, Graz, Wien• Arbeitsbereiche:

– Hochbau– Projektmanagement– Statik– Umwelt– Verkehr– Siedlungs- und Industriewasserbau– Konstruktiver Wasserbau / Hochwasserschutz

Zu meiner Person

• Mag. Christoph König• Geograph im technischen Bereich

– GIS– Hydrologie– Geländemodellierung– hydraulische Modellierung– Geodatenbereitstellung

Hangwasser: Problematik

Starkregen, Klimawandel, Bodenversiegelung, Siedlungsdruck, Bebauung von Hanglagen, Landwirtschaftliche Nutzung, Abschwemmung

Diese Schlagworte sind weder zufällig gewählt noch eine vollständige Auflistung um das immer häufiger auftretende Phänomen und Problem zu beschreiben, worum es hier geht: Gefährdung durch Hangwasser

Verschärfung des Problems: Zunehmende Starkniederschläge im Zuge des Klimawandels, wachsende Versiegelung durch Verbauung - häufig in kritischen Bereichen, Verdrängung von landwirtschaftlichen Nutzflächen in Hanglagen, bodenerosionsbegünstigende Kulturlandschaften usw.

Das Ergebnis: Überflutungen durch Hangwasser werden immer häufiger.

Schon jetzt entstehen rund 50% der Schäden bei Hochwasserereignissen nicht durch ausufernde Gewässer sondern durch Oberflächenabfluss, Grundwasseranstieg und Rückstau aus der Kanalisation.

Vielfach könnten Schäden durch einfache Maßnahmen oder bereits durch eine bessere Standortwahl reduziert werden.

KENNTNIS ÜBER DEN OBERFLÄCHENABFLUSS

Hangwasser: Projekt

• Amt der Steiermärkischen Landesregierung, A14: Pilotprojekte zur Analyse von Hangwasser (Hangwasserkarten)

• Pilotprojekt: Großraum Feldbach (ca. 20 km²)– Hangbereiche entlang des Raabtales und der Seitengräben– Relativ geringe Höhenunterschiede (ca. 100m)– Intensive Landwirtschaftliche Nutzung – Auch in Hanglagen oberhalb von Siedlungen

• Lage im Südöstlichen Alpenvorland– Niederschlagsmaximum im Sommerhalbjahr– Konvektiver Charakter überwiegt– Anfälligkeit für Starkregenereignisse

Untersuchungsgebiet

Datenquellen: basemap.at, GIS Steiermark

Agrarflächen in Hanglage

Quelle: eigene Darstellung

Status

• Projekt ist noch nicht vergeben

• Vorbereitungs- bzw. Nachdenkphase– Welche Lösungen gibt es?

Hangwasser: Analysen mit GIS

Frage:

Welche Aussagen sind durch Analyse mit (Arc)GIS Werkzeugen möglich?

METHODIK

Fachliche Einleitung

• Keine Rocket Science• Einsatz von verbreiterter GIS

Technologie• Hydrologie• Erweiterung des

verbreiteten Ansatzes der Fließpfade(z.B. GIS Steiermark, Stadt Graz)

POTENTIELLER ABFLUSSQuelle: Stadt Graz, www.ztkammer.at/uploads/file/2014/.../HANDOUT_PDFVERSION.pdf

Phasen

• Projektphase 1:– GIS basierte Auswertung– Abschätzung des Gefährdungspotentials– Inhalt des Vortrags

• Projektphase 2:– Hydrodynamische Berechnung– Darstellung der Gefährdung mit Wassertiefen etc

Software

• ArcGIS – Basic Lizenz• Spatial Analyst• ArcHydro Tools• HecGeoHMS• Python

Daten

• Laserscan (GIS Steiermark): – Raster– 1x1m – DGM

• Orthophotos und DKM (GIS Steiermark):– Landnutzungsauwertung

• Vermessungsdaten– Durchlässe

• Digitale Bodenkarte• Bemessungsniederschlag

– www.ehyd.gv.at

Quelle: eigene Darstellung

ARBEITSSCHRITTE

1) DGM Preprocessing

• Hydrologisch korrektes DGM erstellen / Senken beseitigen– Spatial Analyst– ArcHydro Tools– HecGeoHMS

• Ausweisung von Senken– Retention

• Durchlässe, Brücken modellieren– „Durchstiche“ bei linearen Strukturen (z.B. Straßendämme)

2) Ermittlung des Abflussbeiwertes für jeden Punkt

• Überlagerung mehrerer Parameter

• Ergebnis: Raster mit Abflussbeiwert

• Boden– Klassifikation nach Durchlässigkeit– Außerhalb versiegelter Flächen

• Landnutzung:– Klassifikation des Abflussbeiwertes

nach MARKART & KOHL

Abflussbeiwertraster

Oberfläche mit unterschiedlichen Abflussbeiwerten, eigene Darstellung, Daten: GIS Steiermark

3) (Gewichtetes) Einzugsgebiet für jeden Punkt

• Hydrologische Auswertung des DGM

• Flow Direction• Flow Accumulation

Gewichtung mit Abflussbeiwert

Entspricht der Fläche des Einzugsgebietes

Flow Direction

SFD oder D8 Algorithmus• ArcGIS

MFD Algorithmus

Quelle: http://grass.osgeo.org/grass64/manuals/r.terraflow.html

Flow Accumulation

SFD / D8 Algorithmus MFD Algorithmus

Quelle: Stadt Graz, www.ztkammer.at/uploads/file/2014/.../HANDOUT_PDFVERSION.pdfQuelle: eigene Darstellung

Flow Accumulation: mit oder ohne Gewichtung

Quelle: eigene Darstellung

4) Berechnung der Anstiegszeit für jede Zelle• Definition: Zeit die Niederschlagswasser zum

beobachteten Punkt benötigt Scheitel der Abflusswelle

• Abhängig v.a. von Länge und Gefälle• Ermittlung der Fließlänge für jede Zelle

– Flow Length

• Ermittlung des Höhenunterschiedes für jede Zelle

– PhytonScripting

• Es gibt zahlreiche Formeln• Formel nach Kirpich: TC =

a= 0,07, b= 0,77

• Berechnung mittels MapAlgebra Ausdruck

Anstiegszeit

Quelle: eigene Darstellung

5) Abflussfracht

• Bemessungsniederschlag– www.ehyd.gv.at– 10 jährliches Ereignis,– Niederschlagsdauer entsprechend Anstiegszeit (10min)

6) Ermittlung der Abflussspitze

• Annahme einer dreieckigen Ganglinie

• Gesamtabflussdauer: 3 x Anstiegszeit

• Dreiecksfläche = Abflussfracht

• Berechnung mittels MapAlgebra Ausdruck

Quelle: eigene Darstellung

Potentieller Abfluss in m³/s

Quelle: eigene Darstellung

AUSBLICK UND RESUMEE

Resumee

• Sind die Ergebnisse hydrologisch gesehen vertretbar?– Evaluierung der Ergebnisse vor Ort und anhand der hydrodynamischen Berechnungen

• Keine Berücksichtigung des Fließverhaltens– Ausuferungen– Rückstau– Überströmung– Wassertiefe, Fließgeschwindigkeit

• Welche Schlüsse kann man daraus ziehen?– Aufzeigen sensibler Bereiche– Gefährdungspotential und Maßnahmen für Experten lokal abschätzbar– Dateninput für hydrodynamische Berechnung

• Der Aufwand ist überschaubar

• Kann man auf GIS Basis weitere Aussagen treffen?

2. Phase: Hydrodynamische Berechnung

• SMS – HydroAS 2D oder • FloodArea

– ArcGIS Aufsatz– Fa. Geomer– DGM auf Rasterbasis

• Im Gegensatz zu Phase 1:– Aufwändige Modellierung– Zeitintensive Rechenvorgänge– Wesentlich höhere Aussagekraft

• Keine Modellierung der Kanalisation Probleme im urbanen Raum

SMS / HydroAS 2D

• Auszug aus einer Modellierung eines Gewässers

• Unregelmäßiges Netz• Hangwassermodellierung

mit einem ausgedünnten Laserscan mit ca. 2x2m Raster

regelmäßiges Netz

Quelle: eigene Darstellung

Flood Area: Starkregenkarte

Quelle: Geomer

Flood Area: Wassertiefen

Quelle: Geomer

Berechnungsmethode• Iterative Berechnung der Wasserspiegelneigung und

der daraus resultierenden Fließrichtung• Strickler Formel• 16 Richtungen Matrix auf Basis eines Raster

Geländemodells

2/13/2 IrkV hySt

Flood Area

• Fläche: 20 km²• Rasterzellen: bei 1x1m Auflösung 20 Mio.• Rechenzeit:

Rechenkerne 20 Mio Zellen

16 Rechenkerne Rund 12h

4 Rechenkerne Rund 48h

1 Rechenkern Rund 192h

Evaluierung der GIS Modellierung

Quelle: eigene Darstellung

Evaluierung und Eichung der mit ArcGIS berechneten Ganglinien und Hochwasserspitzen mittels Durchflussganglinien aus der hydrodynamischen Modellierung

Kopplung ABU und Hangwasser

Hochwassergefahrenkarte

Hydrologisches ModellStarkregengefahrenkarte

Kopplung ABU und Hangwaser

Literatur, Quellen• ArcGIS Hilfe• Stadt Graz: FLIESSPFAD- KARTE GRAZ• Markart G., Kohl B., Sotier B., Schauer Th., Bunza G., Stern R. , 2006:

Geländeanleitung zur Abschätzung des Oberflächenabflussbeiwertes bei Starkregen - Grundzüge und erste Erfahrungen. Wiener Mitteilungen, Wien, (197): 159-178

• Praktische Hydrologie, Wittenberg, 2011• hydroskript.de• Grass Hilfe: http://grass.osgeo.org• Analyse und Evaluierung von gebräuchlichen empirischen Ansätzen zur Hochwasserabschätzung in

Wildbächen, BFW Berichte, 137/2007• www.geomer.de