Analyse von Oberflächenabfluss Foto: Geomer

Einleitung

Lugitsch und Partner ZT GmbH Zivilingenieurbüro: Generalplanung und Consulting 20 Mitarbeiter Standorte: Feldbach, Graz, Wien Arbeitsbereiche: Hochbau Projektmanagement Statik Umwelt Verkehr Siedlungs- und Industriewasserbau Konstruktiver Wasserbau / Hochwasserschutz

Zu meiner Person Mag. Christoph König Geograph im technischen Bereich GIS Hydrologie Geländemodellierung hydraulische Modellierung Geodatenbereitstellung

Hangwasser: Problematik Starkregen, Klimawandel, Bodenversiegelung, Siedlungsdruck, Bebauung von Hanglagen, Landwirtschaftliche Nutzung, Abschwemmung Diese Schlagworte sind weder zufällig gewählt noch eine vollständige Auflistung um das immer häufiger auftretende Phänomen und Problem zu beschreiben, worum es hier geht: Gefährdung durch Hangwasser Verschärfung des Problems: Zunehmende Starkniederschläge im Zuge des Klimawandels, wachsende Versiegelung durch Verbauung - häufig in kritischen Bereichen, Verdrängung von landwirtschaftlichen Nutzflächen in Hanglagen, bodenerosionsbegünstigende Kulturlandschaften usw. Das Ergebnis: Überflutungen durch Hangwasser werden immer häufiger. Schon jetzt entstehen rund 50% der Schäden bei Hochwasserereignissen nicht durch ausufernde Gewässer sondern durch Oberflächenabfluss, Grundwasseranstieg und Rückstau aus der Kanalisation. Vielfach könnten Schäden durch einfache Maßnahmen oder bereits durch eine bessere Standortwahl reduziert werden.  KENNTNIS ÜBER DEN OBERFLÄCHENABFLUSS

Hangwasser: Projekt Amt der Steiermärkischen Landesregierung, A14: Pilotprojekte zur Analyse von Hangwasser (Hangwasserkarten) Pilotprojekt: Großraum Feldbach (ca. 20 km²) Hangbereiche entlang des Raabtales und der Seitengräben Relativ geringe Höhenunterschiede (ca. 100m) Intensive Landwirtschaftliche Nutzung Auch in Hanglagen oberhalb von Siedlungen Lage im Südöstlichen Alpenvorland Niederschlagsmaximum im Sommerhalbjahr Konvektiver Charakter überwiegt Anfälligkeit für Starkregenereignisse

Untersuchungsgebiet Datenquellen: basemap.at, GIS Steiermark

Agrarflächen in Hanglage Quelle: eigene Darstellung

Teileinzugsgebiet Aderbach Charakteristische Landschaft im Untersuchungsgebiet, eigene Darstellung, Daten: GIS Steiermark

Status Projekt ist noch nicht vergeben Vorbereitungs- bzw. Nachdenkphase Welche Lösungen gibt es?

Hangwasser: Analysen mit GIS Frage: Welche Aussagen sind durch Analyse mit (Arc)GIS Werkzeugen möglich?

Methodik

Fachliche Einleitung Keine Rocket Science Einsatz von verbreiterter GIS Technologie Hydrologie Erweiterung des verbreiteten Ansatzes der Fließpfade (z.B. GIS Steiermark, Stadt Graz)  POTENTIELLER ABFLUSS Quelle: Stadt Graz, www.ztkammer.at/uploads/file/2014/.../HANDOUT_PDFVERSION.pdf

Phasen Projektphase 1: Projektphase 2: GIS basierte Auswertung Abschätzung des Gefährdungspotentials Inhalt des Vortrags Projektphase 2: Hydrodynamische Berechnung Darstellung der Gefährdung mit Wassertiefen etc

Software ArcGIS – Basic Lizenz Spatial Analyst ArcHydro Tools HecGeoHMS Python

Daten Laserscan (GIS Steiermark): Raster 1x1m DGM Orthophotos und DKM (GIS Steiermark): Landnutzungsauwertung Vermessungsdaten Durchlässe Digitale Bodenkarte Bemessungsniederschlag www.ehyd.gv.at Quelle: eigene Darstellung

Arbeitsschritte

1) DGM Preprocessing Hydrologisch korrektes DGM erstellen / Senken beseitigen Spatial Analyst ArcHydro Tools HecGeoHMS Ausweisung von Senken Retention Durchlässe, Brücken modellieren „Durchstiche“ bei linearen Strukturen (z.B. Straßendämme)

2) Ermittlung des Abflussbeiwertes für jeden Punkt Überlagerung mehrerer Parameter Ergebnis: Raster mit Abflussbeiwert Boden Klassifikation nach Durchlässigkeit Außerhalb versiegelter Flächen Landnutzung: Klassifikation des Abflussbeiwertes nach MARKART & KOHL

Abflussbeiwertraster Oberfläche mit unterschiedlichen Abflussbeiwerten, eigene Darstellung, Daten: GIS Steiermark

3) (Gewichtetes) Einzugsgebiet für jeden Punkt Hydrologische Auswertung des DGM Flow Direction Flow Accumulation Gewichtung mit Abflussbeiwert Entspricht der Fläche des Einzugsgebietes

Flow Direction SFD oder D8 Algorithmus MFD Algorithmus ArcGIS Quelle: http://grass.osgeo.org/grass64/manuals/r.terraflow.html

Flow Accumulation SFD / D8 Algorithmus MFD Algorithmus Quelle: Stadt Graz, www.ztkammer.at/uploads/file/2014/.../HANDOUT_PDFVERSION.pdf Quelle: eigene Darstellung

Flow Accumulation: mit oder ohne Gewichtung Quelle: eigene Darstellung

4) Berechnung der Anstiegszeit für jede Zelle Definition: Zeit die Niederschlagswasser zum beobachteten Punkt benötigt  Scheitel der Abflusswelle Abhängig v.a. von Länge und Gefälle Ermittlung der Fließlänge für jede Zelle Flow Length Ermittlung des Höhenunterschiedes für jede Zelle PhytonScripting Es gibt zahlreiche Formeln Formel nach Kirpich: TC = 𝑎∗( 𝐿 𝐼 ) 𝑏 a= 0,07, b= 0,77 Berechnung mittels MapAlgebra Ausdruck Nach den Gesetzmäßigkeiten des hydraulischen Abflusses ist die Geschwindigkeit des Abflusses proportional zur Wurzel des Gefälles a=

Fließlänge für das Einzugsgebiet jeder Zelle Anstiegszeit ∆h für das Einzugsgebiet jeder Zelle Fließlänge für das Einzugsgebiet jeder Zelle Quelle: eigene Darstellung Quelle: eigene Darstellung

Anstiegszeit Quelle: eigene Darstellung

5) Abflussfracht Bemessungsniederschlag www.ehyd.gv.at 10 jährliches Ereignis, Niederschlagsdauer entsprechend Anstiegszeit (10min) 𝐴𝑏𝑓𝑙𝑢𝑠𝑠𝑓𝑟𝑎𝑐ℎ𝑡 𝑚 3 =𝐹𝑙ä𝑐ℎ𝑒∗𝐴𝑏𝑓𝑙𝑢𝑠𝑠𝑏𝑒𝑖𝑤𝑒𝑟𝑡∗𝐵𝑒𝑚𝑒𝑠𝑠𝑢𝑛𝑔𝑠𝑛𝑖𝑒𝑑𝑒𝑟𝑠𝑐ℎ𝑙𝑎𝑔

6) Ermittlung der Abflussspitze Annahme einer dreieckigen Ganglinie Gesamtabflussdauer: 3 x Anstiegszeit Dreiecksfläche = Abflussfracht 𝐴𝑏𝑓𝑙𝑢𝑠𝑠𝑓𝑟𝑎𝑐ℎ𝑡 𝑚 3 = 𝐺𝑒𝑠𝑎𝑚𝑡𝑧𝑒𝑖𝑡∗𝐴𝑏𝑓𝑙𝑢𝑠𝑠𝑠𝑝𝑖𝑡𝑧𝑒 2 𝑨𝒃𝒇𝒍𝒖𝒔𝒔𝒔𝒑𝒊𝒕𝒛𝒆 𝒎 𝟑 = 𝟐∗𝑨𝒃𝒇𝒍𝒖𝒔𝒔𝒇𝒓𝒂𝒄𝒉𝒕 𝑮𝒆𝒔𝒂𝒎𝒕𝒛𝒆𝒊𝒕 Berechnung mittels MapAlgebra Ausdruck Quelle: eigene Darstellung

Potentieller Abfluss in m³/s Quelle: eigene Darstellung

Ausblick und resumee

Resumee Sind die Ergebnisse hydrologisch gesehen vertretbar? Evaluierung der Ergebnisse vor Ort und anhand der hydrodynamischen Berechnungen Keine Berücksichtigung des Fließverhaltens Ausuferungen Rückstau Überströmung Wassertiefe, Fließgeschwindigkeit Welche Schlüsse kann man daraus ziehen? Aufzeigen sensibler Bereiche Gefährdungspotential und Maßnahmen für Experten lokal abschätzbar Dateninput für hydrodynamische Berechnung Der Aufwand ist überschaubar Kann man auf GIS Basis weitere Aussagen treffen?

2. Phase: Hydrodynamische Berechnung SMS – HydroAS 2D oder FloodArea ArcGIS Aufsatz Fa. Geomer DGM auf Rasterbasis Im Gegensatz zu Phase 1: Aufwändige Modellierung Zeitintensive Rechenvorgänge Wesentlich höhere Aussagekraft Keine Modellierung der Kanalisation  Probleme im urbanen Raum

SMS / HydroAS 2D Auszug aus einer Modellierung eines Gewässers Unregelmäßiges Netz Hangwassermodellierung mit einem ausgedünnten Laserscan mit ca. 2x2m Raster  regelmäßiges Netz Quelle: eigene Darstellung

Flood Area: Starkregenkarte Quelle: Geomer

Flood Area: Wassertiefen Quelle: Geomer

Berechnungsmethode Iterative Berechnung der Wasserspiegelneigung und der daraus resultierenden Fließrichtung Strickler Formel 16 Richtungen Matrix auf Basis eines Raster Geländemodells

Flood Area Fläche: 20 km² Rasterzellen: bei 1x1m Auflösung  20 Mio. Rechenzeit: Rechenkerne 20 Mio Zellen 16 Rechenkerne Rund 12h 4 Rechenkerne Rund 48h 1 Rechenkern Rund 192h

Evaluierung der GIS Modellierung Evaluierung und Eichung der mit ArcGIS berechneten Ganglinien und Hochwasserspitzen mittels Durchflussganglinien aus der hydrodynamischen Modellierung Quelle: eigene Darstellung

Kopplung ABU und Hangwasser Hydrologisches Modell Starkregengefahrenkarte Hochwassergefahrenkarte

Kopplung ABU und Hangwaser

Literatur, Quellen ArcGIS Hilfe Stadt Graz: FLIESSPFAD- KARTE GRAZ Markart G., Kohl B., Sotier B., Schauer Th., Bunza G., Stern R. , 2006: Geländeanleitung zur Abschätzung des Oberflächenabflussbeiwertes bei Starkregen - Grundzüge und erste Erfahrungen. Wiener Mitteilungen, Wien, (197): 159-178 Praktische Hydrologie, Wittenberg, 2011 hydroskript.de Grass Hilfe: http://grass.osgeo.org Analyse und Evaluierung von gebräuchlichen empirischen Ansätzen zur Hochwasserabschätzung in Wildbächen, BFW Berichte, 137/2007 www.geomer.de