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2D-Strömungsmodell HaselbachEinsatz von BASEMENT zur Evaluierung, Dimensionierung und
Optimierung von Hochwasserschutzmassnahmen
Michel Kuhlmann
TK Consult AG
27.01.2016
Michel Kuhlmann (TK) 2D-Strömungsmodell Haselbach 27.01.2016 1 / 18
Outline
1 Einleitung
2 Modellaufbau
3 Diskussion
4 Referenzen
Michel Kuhlmann (TK) 2D-Strömungsmodell Haselbach 27.01.2016 2 / 18
Einleitung
Outline
1 Einleitung
2 Modellaufbau
3 Diskussion
4 Referenzen
Michel Kuhlmann (TK) 2D-Strömungsmodell Haselbach 27.01.2016 3 / 18
Einleitung
Haselbach
Einzugsgebiet: 9.6 km2
Mittlerer Ab�uss: ≈ 150 l/s
HQ100: 19 m3/s
AWEL Ab�ussmessstation in Mettmenstetten
Michel Kuhlmann (TK) 2D-Strömungsmodell Haselbach 27.01.2016 5 / 18
Einleitung
Projektkontext
Schwere Hochwasser 2007 und 2008(Analyse durch Pöyry [1])
Vorprojekt und Variantenstudium(Hydraulik: 1D, Niederer und Pozzi,2008 [3])
Projektausarbeitung durch Staubli,Kurath & Partner; (Hydraulik: 2D, TKConsult AG, 2015)
Bauherr: AWEL
Figure: Überflutung 2008 [1]
Michel Kuhlmann (TK) 2D-Strömungsmodell Haselbach 27.01.2016 6 / 18
Einleitung
Projektkontext
Schwere Hochwasser 2007 und 2008(Analyse durch Pöyry [1])
Vorprojekt und Variantenstudium(Hydraulik: 1D, Niederer und Pozzi,2008 [3])
Projektausarbeitung durch Staubli,Kurath & Partner; (Hydraulik: 2D, TKConsult AG, 2015)
Bauherr: AWEL
Figure: Überflutung 2008 [1]
Michel Kuhlmann (TK) 2D-Strömungsmodell Haselbach 27.01.2016 6 / 18
Einleitung
Projektkontext
Schwere Hochwasser 2007 und 2008(Analyse durch Pöyry [1])
Vorprojekt und Variantenstudium(Hydraulik: 1D, Niederer und Pozzi,2008 [3])
Projektausarbeitung durch Staubli,Kurath & Partner; (Hydraulik: 2D, TKConsult AG, 2015)
Bauherr: AWEL
Figure: Überflutung 2008 [1]
Michel Kuhlmann (TK) 2D-Strömungsmodell Haselbach 27.01.2016 6 / 18
Einleitung
Projektkontext
Schwere Hochwasser 2007 und 2008(Analyse durch Pöyry [1])
Vorprojekt und Variantenstudium(Hydraulik: 1D, Niederer und Pozzi,2008 [3])
Projektausarbeitung durch Staubli,Kurath & Partner; (Hydraulik: 2D, TKConsult AG, 2015)
Bauherr: AWEL
Figure: Überflutung 2008 [1]
Michel Kuhlmann (TK) 2D-Strömungsmodell Haselbach 27.01.2016 6 / 18
Einleitung
Hochwasserschutzkonzept
Durchleiten derHochwasserspitze durchÜber�utungskorridor
Sohlenabsenkung
Massnahmen zur Sicherung desÜber�utungskorridors (Damm-,Uferverbau)Ausleitung
Variante 1 Streichwehr
Variante 2 Dosierbauwerk
Michel Kuhlmann (TK) 2D-Strömungsmodell Haselbach 27.01.2016 7 / 18
Einleitung
Hochwasserschutzkonzept
Durchleiten derHochwasserspitze durchÜber�utungskorridor
Sohlenabsenkung
Massnahmen zur Sicherung desÜber�utungskorridors (Damm-,Uferverbau)Ausleitung
Variante 1 Streichwehr
Variante 2 Dosierbauwerk
Michel Kuhlmann (TK) 2D-Strömungsmodell Haselbach 27.01.2016 7 / 18
Einleitung
Hochwasserschutzkonzept
Durchleiten derHochwasserspitze durchÜber�utungskorridor
Sohlenabsenkung
Massnahmen zur Sicherung desÜber�utungskorridors (Damm-,Uferverbau)
AusleitungVariante 1 Streichwehr
Variante 2 Dosierbauwerk
Michel Kuhlmann (TK) 2D-Strömungsmodell Haselbach 27.01.2016 7 / 18
Einleitung
Hochwasserschutzkonzept
Durchleiten derHochwasserspitze durchÜber�utungskorridor
Sohlenabsenkung
Massnahmen zur Sicherung desÜber�utungskorridors (Damm-,Uferverbau)Ausleitung
Variante 1 Streichwehr
Variante 2 Dosierbauwerk
Michel Kuhlmann (TK) 2D-Strömungsmodell Haselbach 27.01.2016 7 / 18
Einleitung
Hochwasserschutzkonzept
Durchleiten derHochwasserspitze durchÜber�utungskorridor
Sohlenabsenkung
Massnahmen zur Sicherung desÜber�utungskorridors (Damm-,Uferverbau)Ausleitung
Variante 1 StreichwehrVariante 2 Dosierbauwerk
Michel Kuhlmann (TK) 2D-Strömungsmodell Haselbach 27.01.2016 7 / 18
Modellaufbau
Outline
1 Einleitung
2 Modellaufbau
3 Diskussion
4 Referenzen
Michel Kuhlmann (TK) 2D-Strömungsmodell Haselbach 27.01.2016 8 / 18
Modellaufbau
Erstellung des Berechnungsnetzes
Grundlagen: Messpunkte undBruchkanten im Gerinne undÜber�utungsperimeter
Triangulation der Messpunktemit Restriktion der Bruchkanten
Extrahieren von Querpro�len(QP) entlang des Gerinnes unddes Korridors
Einfügen von Zwischenpunkteninnerhalb QP
Erneutes Triangulieren
Michel Kuhlmann (TK) 2D-Strömungsmodell Haselbach 27.01.2016 9 / 18
Modellaufbau
Erstellung des Berechnungsnetzes
Grundlagen: Messpunkte undBruchkanten im Gerinne undÜber�utungsperimeter
Triangulation der Messpunktemit Restriktion der Bruchkanten
Extrahieren von Querpro�len(QP) entlang des Gerinnes unddes Korridors
Einfügen von Zwischenpunkteninnerhalb QP
Erneutes Triangulieren
Michel Kuhlmann (TK) 2D-Strömungsmodell Haselbach 27.01.2016 9 / 18
Modellaufbau
Erstellung des Berechnungsnetzes
Grundlagen: Messpunkte undBruchkanten im Gerinne undÜber�utungsperimeter
Triangulation der Messpunktemit Restriktion der Bruchkanten
Extrahieren von Querpro�len(QP) entlang des Gerinnes unddes Korridors
Einfügen von Zwischenpunkteninnerhalb QP
Erneutes Triangulieren
Michel Kuhlmann (TK) 2D-Strömungsmodell Haselbach 27.01.2016 9 / 18
Modellaufbau
Erstellung des Berechnungsnetzes
Grundlagen: Messpunkte undBruchkanten im Gerinne undÜber�utungsperimeter
Triangulation der Messpunktemit Restriktion der Bruchkanten
Extrahieren von Querpro�len(QP) entlang des Gerinnes unddes Korridors
Einfügen von Zwischenpunkteninnerhalb QP
Erneutes Triangulieren
Michel Kuhlmann (TK) 2D-Strömungsmodell Haselbach 27.01.2016 9 / 18
Modellaufbau
Erstellung des Berechnungsnetzes
Grundlagen: Messpunkte undBruchkanten im Gerinne undÜber�utungsperimeter
Triangulation der Messpunktemit Restriktion der Bruchkanten
Extrahieren von Querpro�len(QP) entlang des Gerinnes unddes Korridors
Einfügen von Zwischenpunkteninnerhalb QP
Erneutes Triangulieren
Michel Kuhlmann (TK) 2D-Strömungsmodell Haselbach 27.01.2016 9 / 18
Modellaufbau
Erstellung des Berechnungsnetzes
Grundlagen: Messpunkte undBruchkanten im Gerinne undÜber�utungsperimeter
Triangulation der Messpunktemit Restriktion der Bruchkanten
Extrahieren von Querpro�len(QP) entlang des Gerinnes unddes Korridors
Einfügen von Zwischenpunkteninnerhalb QP
Erneutes Triangulieren
Michel Kuhlmann (TK) 2D-Strömungsmodell Haselbach 27.01.2016 9 / 18
Modellaufbau
Diskretisierung Berechnungsnetz (Ist-Zustand)
Michel Kuhlmann (TK) 2D-Strömungsmodell Haselbach 27.01.2016 10 / 18
Modellaufbau
Kalibrierung Hochwasser 2008
Hochwasserspuren im Gerinne und imÜber�utungsbereich
Ab�ussganglinie MessstationMettmenstetten
Nachbilden des historischen Ereignis mitBASEMENT
Zuweisen von ReibungsbeiwertzonenKalibrierung mit PEST [2]
Iterative Anpassung derReibungsbeiwerte (Zonen)Minimierung der Residuen(Simulationsergebnis - Beobachtung)Parallelisierbar auf mehreren Rechnern
Michel Kuhlmann (TK) 2D-Strömungsmodell Haselbach 27.01.2016 11 / 18
Modellaufbau
Kalibrierung Hochwasser 2008
Hochwasserspuren im Gerinne und imÜber�utungsbereich
Ab�ussganglinie MessstationMettmenstetten
Nachbilden des historischen Ereignis mitBASEMENT
Zuweisen von ReibungsbeiwertzonenKalibrierung mit PEST [2]
Iterative Anpassung derReibungsbeiwerte (Zonen)Minimierung der Residuen(Simulationsergebnis - Beobachtung)Parallelisierbar auf mehreren Rechnern
Michel Kuhlmann (TK) 2D-Strömungsmodell Haselbach 27.01.2016 11 / 18
Modellaufbau
Kalibrierung Hochwasser 2008
Hochwasserspuren im Gerinne und imÜber�utungsbereich
Ab�ussganglinie MessstationMettmenstetten
Nachbilden des historischen Ereignis mitBASEMENT
Zuweisen von ReibungsbeiwertzonenKalibrierung mit PEST [2]
Iterative Anpassung derReibungsbeiwerte (Zonen)Minimierung der Residuen(Simulationsergebnis - Beobachtung)Parallelisierbar auf mehreren Rechnern
Michel Kuhlmann (TK) 2D-Strömungsmodell Haselbach 27.01.2016 11 / 18
Modellaufbau
Kalibrierung Hochwasser 2008
Hochwasserspuren im Gerinne und imÜber�utungsbereich
Ab�ussganglinie MessstationMettmenstetten
Nachbilden des historischen Ereignis mitBASEMENT
Zuweisen von Reibungsbeiwertzonen
Kalibrierung mit PEST [2]Iterative Anpassung derReibungsbeiwerte (Zonen)Minimierung der Residuen(Simulationsergebnis - Beobachtung)Parallelisierbar auf mehreren Rechnern
Michel Kuhlmann (TK) 2D-Strömungsmodell Haselbach 27.01.2016 11 / 18
Modellaufbau
Kalibrierung Hochwasser 2008
Hochwasserspuren im Gerinne und imÜber�utungsbereich
Ab�ussganglinie MessstationMettmenstetten
Nachbilden des historischen Ereignis mitBASEMENT
Zuweisen von ReibungsbeiwertzonenKalibrierung mit PEST [2]
Iterative Anpassung derReibungsbeiwerte (Zonen)Minimierung der Residuen(Simulationsergebnis - Beobachtung)Parallelisierbar auf mehreren Rechnern
BASEMENT
Rauigkeiten/Knotenhöhe
ResiduenMessungen/Zielwerte
Randbed.
Michel Kuhlmann (TK) 2D-Strömungsmodell Haselbach 27.01.2016 11 / 18
Modellaufbau
Bauvarianten Ausleitung
Zielvorgabe fürs HQ100 (≡ 19 m3/s)14 m3/s Gerinne5 m3/s Korridor
Variante Streichwehr
Variante Dosierbauwerk
Michel Kuhlmann (TK) 2D-Strömungsmodell Haselbach 27.01.2016 12 / 18
Modellaufbau
Bauvarianten Ausleitung
Zielvorgabe fürs HQ100 (≡ 19 m3/s)14 m3/s Gerinne5 m3/s Korridor
Variante Streichwehr
Variante Dosierbauwerk
Michel Kuhlmann (TK) 2D-Strömungsmodell Haselbach 27.01.2016 12 / 18
Modellaufbau
Bauvarianten Ausleitung
Zielvorgabe fürs HQ100 (≡ 19 m3/s)14 m3/s Gerinne5 m3/s Korridor
Variante Streichwehr
Variante Dosierbauwerk
Michel Kuhlmann (TK) 2D-Strömungsmodell Haselbach 27.01.2016 12 / 18
Modellaufbau
Optimierung Variante Streichwehr
Implementierung einesStreichwehrs durch grossräumigeGeländeanpassungen
Anpassung desBerechnungsnetztes viaMakro-Netz
Optimierung Höhe derMakro-Netz-KnotenGleiche Technik zur Zuweisungder Knotenhöhe derSohlenabsenkung, Ufer- undDammverbau.
→ eine Berechnungsnetz-Diskretisierung
Michel Kuhlmann (TK) 2D-Strömungsmodell Haselbach 27.01.2016 13 / 18
Modellaufbau
Optimierung Variante Streichwehr
Implementierung einesStreichwehrs durch grossräumigeGeländeanpassungen
Anpassung desBerechnungsnetztes viaMakro-Netz
Optimierung Höhe derMakro-Netz-KnotenGleiche Technik zur Zuweisungder Knotenhöhe derSohlenabsenkung, Ufer- undDammverbau.
→ eine Berechnungsnetz-Diskretisierung
Michel Kuhlmann (TK) 2D-Strömungsmodell Haselbach 27.01.2016 13 / 18
Modellaufbau
Optimierung Variante Streichwehr
Implementierung einesStreichwehrs durch grossräumigeGeländeanpassungen
Anpassung desBerechnungsnetztes viaMakro-Netz
Optimierung Höhe derMakro-Netz-Knoten
Gleiche Technik zur Zuweisungder Knotenhöhe derSohlenabsenkung, Ufer- undDammverbau.
→ eine Berechnungsnetz-Diskretisierung
Michel Kuhlmann (TK) 2D-Strömungsmodell Haselbach 27.01.2016 13 / 18
Modellaufbau
Optimierung Variante Streichwehr
Implementierung einesStreichwehrs durch grossräumigeGeländeanpassungen
Anpassung desBerechnungsnetztes viaMakro-Netz
Optimierung Höhe derMakro-Netz-KnotenGleiche Technik zur Zuweisungder Knotenhöhe derSohlenabsenkung, Ufer- undDammverbau.
→ eine Berechnungsnetz-Diskretisierung
Michel Kuhlmann (TK) 2D-Strömungsmodell Haselbach 27.01.2016 13 / 18
Modellaufbau
Optimierung Variante Streichwehr
Implementierung einesStreichwehrs durch grossräumigeGeländeanpassungen
Anpassung desBerechnungsnetztes viaMakro-Netz
Optimierung Höhe derMakro-Netz-KnotenGleiche Technik zur Zuweisungder Knotenhöhe derSohlenabsenkung, Ufer- undDammverbau.
→ eine Berechnungsnetz-Diskretisierung
Michel Kuhlmann (TK) 2D-Strömungsmodell Haselbach 27.01.2016 13 / 18
Modellaufbau
Implementierung des Durchlasses (Variante Dosierbauwerk)
Innere Randbedingung gate
Modellierte Durchlasshöhe (v2.5.1) konnte nicht in Übereinstimmungmit analytischer Lösung gebracht werden→ Änderung am Basement-Code (v2.5.2)
Innere Randbedingung hqrelation
Ableitung HQ-Beziehung aus analytischer LösungVerifizierung durch Floris 1D-Modell (geschlossene Querprofile)
Michel Kuhlmann (TK) 2D-Strömungsmodell Haselbach 27.01.2016 14 / 18
Diskussion
Outline
1 Einleitung
2 Modellaufbau
3 Diskussion
4 Referenzen
Michel Kuhlmann (TK) 2D-Strömungsmodell Haselbach 27.01.2016 15 / 18
Diskussion
Durchlassimplementierungen
gate
gate funktioniert immer noch nicht gut wenn der Querschnitt variierthqrelation
externes Tool zur Ableitung einer HQ-Beziehung (analytische Lösungoder 1D Berechnungen)
geometrische EinengungWunschdenken:
gate bis Brückenunterkante, dann hqrelationGeschlossene Querprofile in BASEchain + Kopplung (1D, 2D)
Eindolungen
Durchlässe
Kanalisation
Michel Kuhlmann (TK) 2D-Strömungsmodell Haselbach 27.01.2016 16 / 18
Referenzen
Outline
1 Einleitung
2 Modellaufbau
3 Diskussion
4 Referenzen
Michel Kuhlmann (TK) 2D-Strömungsmodell Haselbach 27.01.2016 17 / 18
Referenzen
Referenzen I
Pöyry Energy AG. Haselbach in Knonau � Analyse der Hochwasser
vom 8. August 2007 und 10. Juni 2008. 2008.
John Doherty. Model-Independent Parameter Estimation and
Uncertainty Analysis. Version 12.2.0. 2012. URL:http://www.pesthomepage.org.
Niederer und Pozzi Umwelt AG,Seippel Landschaftsarchitekten GmbH, andAquaTerra Umweltberatung. Gemeinde Knonau
Hochwasserschutzkonzept Haselbach � Variantenstudium und
Vorprojekt. 2008.
Michel Kuhlmann (TK) 2D-Strömungsmodell Haselbach 27.01.2016 18 / 18