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
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
1.
Zielstellung und Arbeitsschritte
© DHI-WASY #3HQ-Regional Thüringen 05.11.2014
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
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
2.
Datenverfügbarkeit
© DHI-WASY #6HQ-Regional Thüringen 05.11.2014
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
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
3.
Aufbereitung der Pegeldaten und Plausibilitätsuntersuchungen
© DHI-WASY #9HQ-Regional Thüringen 05.11.2014
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
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
4.
Aufbau der Geodatenbasis und Bestimmung der Gebietskenngrößen
© DHI-WASY #12HQ-Regional Thüringen 05.11.2014
4. Aufbau der Geodatenbasis und Bestimmung der Gebietskenngrößen
GebietskenngrößenGeodatenbasis Hilfsgrößen© DHI-WASY #13HQ-Regional Thüringen 05.11.2014
5.
Bildung hochwasserhomogener Regionen
© DHI-WASY #14HQ-Regional Thüringen 05.11.2014
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
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© DHI-WASY #16HQ-Regional Thüringen 05.11.2014
5. Bildung hochwasserhomogener Regionen
6.
Anwendung der Regionalisierungsverfahren
© DHI-WASY #17HQ-Regional Thüringen 05.11.2014
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
aß
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
© DHI-WASY
• UnplausibilisierteAbflussspenden Hq100 an den Ausflussknoten der Teileinzugsgebiete
#28
6. Anwendung der Regionalisierungsverfahren
HQ-Regional Thüringen 05.11.2014
7.
Plausibilitätsuntersuchungen und Plausibilisierung
© DHI-WASY #29HQ-Regional Thüringen 05.11.2014
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
8.
Ergebnisse
© DHI-WASY #31HQ-Regional Thüringen 05.11.2014
8. Ergebnisse
© DHI-WASY #32
• Abflussspenden Hq100 an den Ausflussknoten der Teileinzugsgebiete
HQ-Regional Thüringen 05.11.2014
8. Ergebnisse
© DHI-WASY #33
• Abflussspenden Hq100 an den Zuflussknoten der Teileinzugsgebiete
HQ-Regional Thüringen 05.11.2014
9.
Anwendung von „HQ-Regional Thüringen“
© DHI-WASY #34HQ-Regional Thüringen 05.11.2014
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
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
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
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
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
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.
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit
Dipl.-Hydrol. Björn Fischer
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