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Hochwasserabflüsse in Thüringen „HQ-Regional Thüringen“ Informationsveranstaltung am 05.11.2014 in der TLUG Dipl.-Hydrol. Björn Fischer DHI-WASY GmbH Niederlassung Dresden Comeniusstraße 109 01309 Dresden Deutschland +49 (0)351 316 16-11 Telefon +49 (0)351 316 16-12 Fax [email protected] www.dhi-wasy.de

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Hochwasserabflüsse in Thüringen

„HQ-Regional Thüringen“

Informationsveranstaltung am 05.11.2014 in der TLUG

Dipl.-Hydrol. Björn Fischer

DHI-WASY GmbHNiederlassung DresdenComeniusstraße 10901309 DresdenDeutschland

+49 (0)351 316 16-11 Telefon+49 (0)351 316 16-12 Fax

[email protected]

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Übersicht1. Zielstellung und Arbeitsschritte

2. Datenverfügbarkeit

3. Aufbereitung der Pegeldaten und Plausibilitätsuntersuchungen

4. Aufbau der Geodatenbasis und Bestimmung der Gebietskenngrößen

5. Bildung hochwasserhomogener Regionen

6. Anwendung der Regionalisierungsverfahren

7. Plausibilitätsuntersuchungen und Plausibilisierung

8. Ergebnisse

9. Anwendung „HQ-Regional Thüringen“

© DHI-WASY #2HQ-Regional Thüringen 05.11.2014

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1.

Zielstellung und Arbeitsschritte

© DHI-WASY #3HQ-Regional Thüringen 05.11.2014

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1. Zielstellung

© DHI-WASY

• Entwicklung eines Verfahrens, mit dem Hochwasserscheitelabflüsse mit Wiederkehrintervall HQT bis T = 1000 a für unbeobachtete Fließgewässerquerschnitte in Thüringen nach einer einheitlichen Methodik bereitgestellt werden können.

#4HQ-Regional Thüringen 05.11.2014

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4. Regionalisierungsverfahren

1. Überprüfung der Plausibilität der Abflusskenngrößen

4a. Multiple Regression

4b. Index-Flood-Verfahren

5. Berechnung von Hochwasserabflüssen für unbeobachtete Gewässerquerschnitte

2a. Aufbau einer flächendeckenden Geodatenbasis

3. Bildung von Regionen mit Hilfe der

- Saisonalitätsstatistik- Residuenmuster-Methode- Clusteranalyse- Flussgebiete 2b. Auswahl und

Ermittlung von Gebietskenngrößen

6. Überprüfung der Plausibilität der Berechnungsergebnisse

7. Dokumentation der Ergebnisse 4c. Top-Kriging

1. Arbeitsschritte

HQ-Regional Thüringen 05.11.2014

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2.

Datenverfügbarkeit

© DHI-WASY #6HQ-Regional Thüringen 05.11.2014

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2. Datenverfügbarkeit

© DHI-WASY

Hydrologische Daten (Auszug):

• MHQ und HQT für 179 Pegel in Thüringen, Bayern, Hessen, Niedersachsen, Sachsen-Anhalt und Sachsen

• Jahreshöchstabflüsse HQ(a) mit Eintrittsdatum für 128 Pegel

#7HQ-Regional Thüringen 05.11.2014

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2. Datenverfügbarkeit

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Geodaten (Auszug):

• Landesgrenze von Thüringen,

• Pegel von Thüringen und Niedersachsen,

• RW/HW der Pegel von Bayern digital, Hessen und Sachsen-Anhalt analog,

• Teileinzugsgebiete von Thüringen und den angrenzenden Bundesländern,

• Fließgewässer von Thüringen und den angrenzenden Bundesländern,

• ALK-Bodendaten von Niedersachsen,

• BÜK200 von Sachsen-Anhalt, BÜK1000 von Thüringen und den Nachbarländern,

• Bodengeologische Übersichtskarte BGÜK von Thüringen,

• Landnutzung im CORINE-Land-Cover für Deutschland als Vektordaten,

• Digitale Geländemodelle DGM 10 von Thüringen und den angrenzenden Bundesländern,

• Bilanzgrößen des Wasserhaushaltsmodells (J2000g, Stand Mai 2010)

#8HQ-Regional Thüringen 05.11.2014

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3.

Aufbereitung der Pegeldaten und Plausibilitätsuntersuchungen

© DHI-WASY #9HQ-Regional Thüringen 05.11.2014

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3. Aufbereitung der Pegeldaten und Plausibilitätsuntersuchungen

© DHI-WASY

• Folgende Hochwasserabflusskenngrößen wurden für jeden berücksichtigten Pegel berechnet:

MHQ, HQ2, HQ5, HQ10, HQ20, HQ25, HQ50, HQ100, HQ200, HQ500 und HQ1000

• Je nach Verwendung der Pegel (Saisonalitätsstatistik, Residuenmuster-Methode, multiple lineare Regression, Index-Flood-Verfahren) können die Daten in unterschiedlicher Form vorliegen• Saisonalitätsstatistik nur möglich, wenn Jahres-HQ-Reihen mit Eintrittsdatum vorliegen

• multiple lineare Regression und Residuenmuster-Methode: vereinzelte Abflusskenngrößen können fehlen

• Index-Flood-Verfahren nach HOSKING und WALLIS (1997): es müssen neben MHQ auch die Jahres-HQ-Reihen vorliegen

#10HQ-Regional Thüringen 05.11.2014

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3. Aufbereitung der Pegeldaten und Plausibilitätsuntersuchungen

© DHI-WASY

Prüfung der Abflusskenngrößen auf Plausibilität

• Ausgewählte Abflüsse und Abflussspenden wurden sowohl flusslängsschnittbezogen als auch zwischen benachbarten Einzugsgebieten verglichen.

• Längsschnittanalyse: Vergleich von Pegeln am gleichen Gewässer

• Nachbarschaftsanalyse: Vergleich von Pegeln mit benachbarten Einzugsgebieten

• Diskordanzanalyse: Identifizierung von Pegeln, deren Hochwassercharakteristik sich stark von der mittleren Charakteristik einer Pegelgruppe unterscheidet

• �Identifiziert Ausreißerpegel wurden an dieser Stelle nicht aus dem Datenbestand entfernt, da nicht ausgeschlossen werden kann, dass das abweichende Verhalten auf besondere Gebietseigenschaften zurückzuführen ist. Eine endgültige Entscheidung wurde erst im Zuge der Anwendung der Regionalisierungsverfahren getroffen.

#11HQ-Regional Thüringen 05.11.2014

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4.

Aufbau der Geodatenbasis und Bestimmung der Gebietskenngrößen

© DHI-WASY #12HQ-Regional Thüringen 05.11.2014

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4. Aufbau der Geodatenbasis und Bestimmung der Gebietskenngrößen

GebietskenngrößenGeodatenbasis Hilfsgrößen© DHI-WASY #13HQ-Regional Thüringen 05.11.2014

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5.

Bildung hochwasserhomogener Regionen

© DHI-WASY #14HQ-Regional Thüringen 05.11.2014

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5. Bildung hochwasserhomogener Regionen

© DHI-WASY

• Die Bildung von hochwasserhomogenen Regionen bildet eine wesentliche Grundlage für die Anwendung von Regionalisierungsverfahren.

• Darüber hinaus kann die Qualität der Ergebnisse durch eine Unterteilung in hochwasserhomogenen Regionen erheblich verbessert werden, da regionale Eigenschaften besser berücksichtigt werden können.

• Anwendung verschiedener Methoden:• Saisonalitätsstatistik

• Residuenmuster-Methode

• Clusteranalyse

• Regionenbildung anhand von Flussgebieten

#15HQ-Regional Thüringen 05.11.2014

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© DHI-WASY #16HQ-Regional Thüringen 05.11.2014

5. Bildung hochwasserhomogener Regionen

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6.

Anwendung der Regionalisierungsverfahren

© DHI-WASY #17HQ-Regional Thüringen 05.11.2014

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6. Anwendung der Regionalisierungsverfahren

© DHI-WASY #18

Region 2 Saale (ohne östl. Zuflüsse), Ilm, Hörsel und Gera

Top-Kriging

Region 3 Unstrut (ohne Gera) und Leine

Region 1 Weiße Elster und östliche Zuflüsse zur Saale

Index-Flood-Verfahren

Region 4 Werra (ohne Hörsel) und Main

Multiple lineare RegressionMHQ

HQ2

bisHQ1000

HQ-Regional Thüringen 05.11.2014

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6. Anwendung der Regionalisierungsverfahren

© DHI-WASY #19

Multiple lineare Regression zur Bestimmung der MHq

• Methodik: Die multiple Regression stellt eine Beziehung her zwischen einer betrachteten Zielgröße und einer Anzahl sie bestimmender, voneinander möglichst unabhängiger Einflussgrößen.

• Annahme: Mit den erstellten Regressionsmodellen können auch für unbeobachtete Gewässerquerschnitte, deren Gebietskenngrößen bekannt sind, Hochwasserabflussspenden bestimmt werden.

Y = ao + a1 * X1 + a2 * X2 +...+ an * Xn

• Y unabhängige Variable (Zielgröße – z. B. MHq)

• X1…Xn unabhängige erklärende Variable (Gebietskenngrößen)

• a1…an Regressionskoeffizienten

• ao Regressionskonstante

HQ-Regional Thüringen 05.11.2014

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6. Anwendung der Regionalisierungsverfahren

© DHI-WASY #20

Multiple lineare Regression zur Bestimmung der MHqAuswahl der Regressionsmodelle: Weiße Elster und östl. Zuflüsse zur Saale

Auswahl der Regressionsmodelle: Saale (ohne östl. Zuflüsse), Ilm, Gera, Hörsel

MHq = EXP( - 0,2013 * LN(Einzugsgebietsgröße)+ 3,8199 * LN(P(D=1;T=100))- 0,0417 * (Waldanteil/10)- 9,5023)

MHq = EXP( - 0,2174 * LN(Einzugsgebietsgröße)+ 0,0914 * LN(Flussdichte)*10+ 1,1506 * LN(P(D=1;T=100))+ 1,6056)

HQ-Regional Thüringen 05.11.2014

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6. Anwendung der Regionalisierungsverfahren

© DHI-WASY #21

Multiple lineare Regression zur Bestimmung der MHqAuswahl der Regressionsmodelle: Unstrut (ohne Gera), Leine

Auswahl der Regressionsmodelle: Werra (ohne Hörsel), Main

MHq = EXP( + 0,2135 * SQRT(Mittl. Abfluss (Sommer))- 0,0111 * SQRT(Einzugsgebietsgröße)+ 0,0164 * LN(Formfaktor)*10- 0,0055 * LN(Flussdichte)*10+ 2,7929)

MHq = EXP( - 0,1962 * LN(Einzugsgebietsgröße)+ 0,2268 * (Gebietshöhe/100)+ 0,0270 * LN(Flussdichte)*10+ 4,8920)

HQ-Regional Thüringen 05.11.2014

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6. Anwendung der Regionalisierungsverfahren

© DHI-WASY #22

Top-Kriging der Residuen für die Region 1

• Nicht akzeptable Ergebnisse für die Region 1

• Weiteres Verfahren: topologisches Kriging (Top-Kriging)

• Keine Regionalisierung von MHQ bzw. HQT sondern eine Regionalisierung der Residuen für die Region 1

• Abweichungen zwischen MHQ der Pegelstatistik und den MHQ aus der multiplen linearen Regression an einem Pegel (Residuen) werden auf die Fläche übertragen

HQ-Regional Thüringen 05.11.2014

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6. Anwendung der Regionalisierungsverfahren

© DHI-WASY #23

Top-Kriging der Residuen für die Region 1

• Beaufschlagung der MHq (multiple lineare Regression) mit den regionalisiertenResiduen

• Die beaufschlagten MHq geben die beobachteten MHq an den Pegeleinzugsgebieten wieder

• Des Weiteren werden die Abweichungen zwischen beobachteten und berechneten MHq auf ähnliche Gebiete in der jeweiligen Nachbarschaft übertragen, so dass mögliche Über- bzw. Unterschätzungen von MHq durch die Regressionsmodelle in den unbeobachteten Gebieten in gewissem Maße ausgeglichen werden können.

HQ-Regional Thüringen 05.11.2014

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6. Anwendung der Regionalisierungsverfahren

© DHI-WASY #24

Top-Kriging der Residuen für die Region 1Vergleich der Abflussspenden Hq100 ohne (Mitte) und mit (rechts) Berücksichtigung der mittels Top-Kriging übertragenen Residuen auf das Untersuchungsgebiet der Region 1

HQ-Regional Thüringen 05.11.2014

Residuen MHq ohne Top-Kriging MHq mit Top-Kriging

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6. Anwendung der Regionalisierungsverfahren

© DHI-WASY #25

Index-Flood-Verfahren zur Bestimmung der HQT

• Einführung in die hydrologische Praxis von DALRYMPLE (1960)

• Seitdem erfuhr es zahlreiche Modifikationen und Weiterentwicklungen

• Umfassendste Erweiterung durch HOSKING und WALLIS (1997)

• deren Methodik wurde in den letzten Jahren quasi Standard bei der Anwendung des Index-Flood-Verfahrens

Methodik

• Grundannahme des Index-Flood-Verfahrens: Wahrscheinlichkeitsverteilungen der Jahreshöchstabflüsse verschiedener Pegel in einer homogenen Region unterscheiden sich nur hinsichtlich eines Skalierungsfaktors (Index) voneinander

HQ-Regional Thüringen 05.11.2014

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6. Anwendung der Regionalisierungsverfahren

© DHI-WASY #26

Index-Flood-Verfahren zur Bestimmung der HQT

(HQT,i = MHQi * xT)

Normierte Hochwasser-wahrscheinlichkeitskurven xT

für jede Region

HQ-Regional Thüringen 05.11.2014

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

1 10 100 1000

no

rmie

rte

n H

och

wa

ss

erw

ah

rsch

ein

lich

ke

its

ku

rven

xT

Wiederkehrintervall [a]

Region 1

Region 2

Region 3

Region 4

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0,20

0,25

0,30

0,35

0,40

0,45

0,50

0,55

0,60

0,65

0,70

0,75

0,80

0,85

0,90

0,95

1,00

2 5 10 20 25 50 100 200 500 1000

Besti

mm

theit

sm

R² [

-]

T [a]

Region 1 (ohne Top-Kriging)

Region 1 (mit Top-Kriging)

Region 2

Region 3

Region 4

6. Anwendung der Regionalisierungsverfahren

© DHI-WASY #27

Güte des Regionalisierungs-verfahrens

Index-Flood-Verfahren zur Bestimmung der HQT auf Basis der MHQ

Bestimmtheitsmaß R²

anhand der Pegelwerte

HQ-Regional Thüringen 05.11.2014

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© DHI-WASY

• UnplausibilisierteAbflussspenden Hq100 an den Ausflussknoten der Teileinzugsgebiete

#28

6. Anwendung der Regionalisierungsverfahren

HQ-Regional Thüringen 05.11.2014

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7.

Plausibilitätsuntersuchungen und Plausibilisierung

© DHI-WASY #29HQ-Regional Thüringen 05.11.2014

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7. Plausibilitätsuntersuchungen und Plausibilisierung

© DHI-WASY #30

Ziel: Abflüsse im Flusslängsschnitt mindestens gleichbleibend oder steigend

Abflussspenden im Flusslängsschnitt mindestens gleichbleibend oder sinkend

Methode: Wechselseitige Plausibilisierungen der Abflüsse und Abflussspenden

Ergebnisse

• Keine Teilgebiete mit unplausiblen Abflüssen

• noch ca. 300 Teilgebiete mit unplausiblen Abflussspenden.

• Aber: Fast alle verbleibenden Unplausibiliäten bezüglich der Abflussspenden besitzen Abweichungen unter 0,1% (nicht signifikanten Abflussbereich).

• Innerhalb von Thüringen keine Unplausibiliäten bezüglich der Abflussspenden größer 1%

HQ-Regional Thüringen 05.11.2014

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8.

Ergebnisse

© DHI-WASY #31HQ-Regional Thüringen 05.11.2014

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8. Ergebnisse

© DHI-WASY #32

• Abflussspenden Hq100 an den Ausflussknoten der Teileinzugsgebiete

HQ-Regional Thüringen 05.11.2014

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8. Ergebnisse

© DHI-WASY #33

• Abflussspenden Hq100 an den Zuflussknoten der Teileinzugsgebiete

HQ-Regional Thüringen 05.11.2014

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9.

Anwendung von „HQ-Regional Thüringen“

© DHI-WASY #34HQ-Regional Thüringen 05.11.2014

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9. Anwendung von „HQ-Regional Thüringen“

© DHI-WASY #35

• Mit den Ergebnissen der vorgestellten Hochwasserregionalisierung stehen für Thüringen aktuelle Hochwasserkennwerte für bestimmte Gewässerquerschnitte zur Verfügung

• MHQ/MHq und HQT/HqT für T = 2, 5, 10, 20, 25, 50, 100, 200, 500 und 1000 Jahren

• Diese Hochwasserkennwerte können die Grundlage für die Bemessung wasserbaulicher Anlagen bilden und den Wasserbehörden zu Prüfungszwecken als auch Planern für ihre Aufgaben dienen.

• Aufgrund der Methodik und der verwendeten Pegel handelt es sich bei den Ergebnissen um quasinatürliche Abflüsse, die keine Bewirtschaftungen oder Beeinflussungen beinhalten.

• Die Abflüsse wurden auf Basis von Teilgebieten ermittelt, wodurch die Abflüsse strenggenommen nur für die Zufluss- und Ausflussquerschnitte dieser Teilgebiete gelten.

• Auch gelten die Abflüsse nur für das Hauptgewässer des entsprechenden Teilgebietes, das heißt, Nebengewässer innerhalb eines Teilgebietes werden nicht betrachtet.

HQ-Regional Thüringen 05.11.2014

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9. Anwendung von „HQ-Regional Thüringen“

© DHI-WASY #36

• Das angewendete Regionalisierungsverfahren besitzt Grenzen.

• Aus diesem Grund müssen die ermittelten Hochwasserkennwerte vor der Verwendung kritisch betrachtet werden.

• Erläuterung im Schema:

• unter welchen Randbedingungen die berechneten Hochwasserkennwert verwendet werden können,

• wann ein zweites Verfahren zur Plausibilisierung dieser Abflüsse herangezogen werden sollte

• und wann diese Abflüsse nicht verwendet werden dürfen.

HQ-Regional Thüringen 05.11.2014

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9. Anwendung von „HQ-Regional Thüringen“

© DHI-WASY #37HQ-Regional Thüringen 05.11.2014

1. Ergebnis-Shape in ein Geographisches Informationssystem einladen

2. Digitale Datengrundlage o. ä. zur Orientierung hinzufügen

3. Interessierenden Standort bestimmen und festlegen, ob Zufluss- oder

Ausflussquerschnitt maßgeblich ist

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9. Anwendung von „HQ-Regional Thüringen“

© DHI-WASY #38

4. Im Shape „HQ_Regio_TH_Abfluesse_Gebietsparameter“ anhand Spalte

„WB_GKG_Ab“ bzw. „WB_GKG_Zu“ identifizieren, ob Gebietskenn-

größen innerhalb (1) oder außerhalb (0) des Wertebereiches der Gebiets-

kenngrößen liegen

innerhalb (1) des

Wertebereiches

4.1 MHQ und HQ(T) im Shape für

diesen Querschnitt verwendbar

außerhalb (0) des

Wertebereiches

4.2 MHQ und HQ(T) im Shape für

diesen Querschnitt nicht allein

verwendbar

HQ-Regional Thüringen 05.11.2014

4. Im Shape „HQ_Regio_TH_Abfluesse_Gebietsparameter“ anhand Spalte

„WB_GKG_Ab“ bzw. „WB_GKG_Zu“ identifizieren, ob Gebietskenn-

größen innerhalb (1) oder außerhalb (0) des Wertebereiches der Gebiets-

kenngrößen liegen

innerhalb (1) des

Wertebereiches

4.1 MHQ und HQ(T) im Shape für

diesen Querschnitt verwendbar

außerhalb (0) des

Wertebereiches

4.2 MHQ und HQ(T) im Shape für

diesen Querschnitt nicht allein

verwendbar

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9. Anwendung von „HQ-Regional Thüringen“

© DHI-WASY #39HQ-Regional Thüringen 05.11.2014

5. Nachbareinzugsgebiet oder

zweite Methode verwenden, um

den Wert aus dem Shape zu

bestätigen oder zu verwerfen

6. Vor Verwendung der MHQ und HQ(T): Abschließende kritische

Prüfung der Hochwasserkennwerte auf Plausibilität durch einen

hydrologisch geschulten Bearbeiter

4.1 MHQ und HQ(T) im Shape für

diesen Querschnitt verwendbar

4.2 MHQ und HQ(T) im Shape für

diesen Querschnitt nicht allein

verwendbar

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9. Anwendung von „HQ-Regional Thüringen“

© DHI-WASY #40HQ-Regional Thüringen 05.11.2014

• Ist der gesuchte Querschnitt signifikant von den vorgegebenen Querschnitten entfernt, muss eine Interpolation der HQ(T) zwischen dem Zufluss- und Ausflussquerschnitt vorgenommen werden.

• Liegt der gesuchte Gewässerquerschnitt innerhalb eines Quellgebietes und ist signifikant vom Ausflussquerschnitt entfernt, kann über die Regionalisierung von Hochwasserabflüssen und Hochwasserabflussspenden kein verwendbarer Abflusskennwert ermittelt werden.

• In diesem Fall muss ein hydrologisches Gutachten angefertigt werden.

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Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit

Dipl.-Hydrol. Björn Fischer

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