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unilogo Universität Stuttgart
Institut für Wasser- und Umweltsystemmodellierung - IWS

Abstract

 
   

"Generierung von Niederschlagsreihen zur Bemessung städtischer Kanalsysteme"

Der Ausbau und Unterhalt städtischer Kanalnetze erfordert sehr kapitalintensive und langfristige Investitionen. Die richtige Dimensionierung ist darum im Hinblick auf die zu erwartenden Anforderungen, die Gefahrenabwehr und den effizienten Einsatz der finanziellen Mittel besonders wichtig. Schon seit einigen Jahren werden deshalb hydraulische Kanalnetzmodelle eingesetzt, um die Funktion bestehender oder geplanter Entwässerungssysteme zu simulieren und die Versagensrisiken zu berechnen. Dabei genügt es nicht, ein besonders schweres Regenereignis zu simulieren, denn das Versagensrisiko des Systems hängt nicht nur vom Ereignis selbst, sondern auch von dessen hydrologischer Vorgeschichte ab. Darum werden Langzeitsimulationen durchgeführt und die dabei beobachteten relativen Häufigkeiten des System-versagens als Abschätzung für dessen Risiko verwendet.
Diese Art der hydrologischen Simulation stützt sich auf lange, hochaufgelöste Nie-derschlagszeitreihen, die allerdings für die wenigsten Einzugsgebiete als Beobachtungen vorliegen. Das Institut für Wasserbau hat deshalb im Auftrag der LfU (heute LUBW) das System NiedSim entwickelt, mit dem für beliebige Raumpunkte spezifi-sche synthetische Zeitreihen von 5min-Werten des Niederschlags generiert werden können. Die Simulation stützt sich dabei auf die statistischen Charakteristika umlie-gender Niederschlagsstationen und auf geographische Informationen. Seit 2000 wird das NiedSim Programmpaket in Baden-Württemberg operationell eingesetzt. Eine NiedSim-Version für Hessen und Rheinland-Pfalz ist seit 2003 in Betrieb. Aus den Erfahrungen in der Praxis ergibt sich nun weiterer Entwicklungsbedarf.
Die in NiedSim erzeugten Niederschlagszeitreihen repräsentieren Punktwerte. Eine einzelne Niederschlagsstation ist jedoch in ihrer Aussagekraft bezüglich des Ge-bietsniederschlags begrenzt. Wird bei einer Modellierung ein sehr großes Einzugs-gebiet betrachtet, kann eine einzelne Zeitreihen nicht mehr das gesamte Gebiet repräsentieren. Mit Hilfe von Mitteln aus dem Förderprogramm BWPLUS werden nun Methoden entwickelt, um mehrere synchrone Zeitreihen zu generieren, wobei die räumliche Abhängigkeit der statistischen Parameter der Stationen untereinander berücksichtigt wird. Informationen über das räumliche Verhalten der Niederschlagser-eignisse ergeben sich über die Verknüpfung von Beobachtungen an Regenmessstationen mit Aufzeichnungen der Wetterradare in der Region, so dass z. B. typische Zugrichtungen advektiver Ereignisse berechnet werden können.
Eine weitere Herausforderung ist die Berücksichtigung instationärer klimatischer Verhältnisse. Die Generierung der Niederschlagszeitreihen in NiedSim basiert auf Informationen aus der Vergangenheit. Um verlässliche Aussagen über Extrema treffen zu können, muss der betrachtete Zeitraum möglichst groß sein. An diesen Zeitraum wird die Bedingung stationärer klimatischer Verhältnisse gestellt. Aktuelle Trendfortschreibungen zeigen jedoch, dass sich das Niederschlagsregime in Süddeutschland in den letzten Jahren verändert hat und sich diese Änderung nach Stand der Klimaforschung fortsetzen wird. Die LUBW hat das Institut für Wasserbau der Universität Stuttgart nun beauftragt, NiedSim auch diesbezüglich zu erweitern. Die instationäre Anpassung von NiedSim wird über die Integration klimatischer In-formationen erfolgen, in dem z.B. der Niederschlag abhängig von der Wetterlagenklassifikation generiert und die Anteile der einzelnen Wetterlagen in der Zukunft ent-sprechend der Ergebnis! se globaler Klimamodelle angesetzt werden. Veränderungen in den Extremwerten können mit der instationären Extremwertstatistik nachgebildet werden, bei der die Parameter der Extremwertverteilung als zeitabhängige Funktio-nen aufgefasst werden.
Die Ergebnisse einer instationären NiedSim-Anpassung können ohne Modifikationen der Kanalnetzmodelle zur Dimensionierung herangezogen werden. NiedSim wird auch weiterhin stationäre Zeitreihen generieren, nur wird man diese auf die klimati-schen Verhältnisse eines Zieljahres in der Zukunft anpassen können. Man wird z. B. eine 30-jährige synthetische Niederschlagsreihe generieren können, welche die kli-matischen und statistischen Charakteristika des Jahres 2030 repräsentiert. Damit kann nun ein Kanalnetzmodell unter den klimatischen Bedingungen des Jahres 2030 betrieben und das Versagensrisiko des Systems im Jahr 2030 berechnet werden. Hiermit kommt man dem Grundgedanken jeglicher Bemessung, nämlich der Ausle-gung eines Bauwerks auf in seiner Lebenszeit zu erwartende Belastungen, ein Stück näher. Denn die in einer sich ändernden Umwelt zu erwartenden Belastungen werden realistischer abgeschätzt, als das bisher der Fall ist.