Physikalisch-basierte Simulation einer abgelaufenen Sturzflut mittels “repräsentativer Hänge” in einem ländlichen Einzugsgebiet

286-297

Artikel aus einer Zeitschrift

200210226

Starkregen und Sturzfluten gehören zu den bedrohlichsten Naturgefahren mit hohem Schadenspotenzial. Durch ihre extremen Intensitäten führen Starkregen häufig zu einer erheblichen Abflussreaktion durch Infiltrationsüberschuss, der hangabwärts über einen teilgesättigten Boden dem Vorfluter zuströmt, optional wiederversickert oder Überschwemmungen verursacht. Physikalisch-basierte Modelle können diese oben genannte Kopplung von Starkregenhydrologie und -hydraulik simulieren und könnten somit der Schlüssel
für belastbare Simulationen von Sturzfluten in ländlichen Einzugsgebieten sein. Das Potenzial dieser Modelle für den Hochwasserschutz wurde jedoch aus verschiedenen Gründen (z. B. hohe Rechenzeiten, Datenverfügbarkeit) bis dato kaum systematisch untersucht. In dieser Studie wird ein neuartiges Konzept angewandt, bei dem Einzugsgebiete durch repräsentative Hänge vereinfacht repräsentiert werden. Diese Vereinfachung erhält die Vorteile physikalisch-basierter Modelle, bei deutlich reduzierter Rechenzeit. Das Modellkonzept erlaubt eine sehr gute Nachbildung einer im Juni 1994 in einem landwirtschaftlichen geprägten Kopfeinzugsgebiet (3,5 km²) aufgetretenen, extremen Sturzflut und eine gute Vorhersage des Abflussgeschehens über mehrere Jahre. Die Ergebnisse der Studie stützen die Annahme, dass Verschlämmung in den unteren Hangbereichen in diesem Landschaftsraum zur Verschärfung der Abflussbildung geführt hat. Im zweiten Teil der Studie wird mit dem kalibrierten Modell mittels numerischer Experimente untersucht, wie sich Veränderungen der Landnutzung, Niederschlagshöhe und -intensität, Bodendurchlässigkeit und -feuchte auf die Simulation der Abflussganglinie
auswirken. Die Ergebnisse werden im Hinblick auf Unsicherheiten in der gängigen Bemessungspraxis diskutiert.
Schlagwörter: Starkregen, Sturzfluten, physikalisch-basierte Modelle, repräsentative Hänge
Heavy rainfall events and flash floods are among the most dangerous natural hazards with high damage potential. Due to its extreme intensities, heavy rainfall often leads to a significant runoff reaction by cause of infiltration excess, which flows downslope over a partially saturated soil towards the channel, optionally re-infiltrating or causing floods. Physically based models can simulate this above mentioned coupling of heavy rainfall hydrology and hydraulics, and thus could be key to robust simulations of flash floods in rural
catchments. However, the potential of these models for flood protection has hardly been systematically investigated so far for various reasons (e. g. high computation times, data availability). In this study, a novel concept is applied in which catchments are represented in a simplified way by representative hillslopes. This simplification preserves the advantages of physically based models, with significantly reduced computing time. The model concept allows a very good simulation of an extreme flash flood that occurred in June 1994 in an
agriculturally dominated head water catchment (3.5 km²) and a good runoff forecast over several years. The simulation supports the assumption that surface sealing at the hillfoot has led to an intensification of runoff formation in this landscape. In the second part of the study, the calibrated model is used to investigate through numerical experiments how changes in land use, precipitation depth and intensity, soil permeability and moisture affect the simulation of the hydrograph. The results are discussed in terms of uncertainties in current design practice.
Keywords: Heavy rainfall events, flash floods, physically based models, representative hillslopes