Hochwasser-Hochwasser-RegionalisierungRegionalisierung

Am Beispiel eines Projektes zum Am Beispiel eines Projektes zum Hochwasserschutz des Landes Hochwasserschutz des Landes

HessenHessen

Präsentation von Fabian Koch

Was heißt Was heißt „Regionalisierung“?„Regionalisierung“?

Allgemein: Begriff aus der Geostatistik Allgemein: Begriff aus der Geostatistik zur Bezeichnung der Übertragung von zur Bezeichnung der Übertragung von Punktdaten auf eine Fläche Punktdaten auf eine Fläche

Hydrologie <-> StatistikHydrologie <-> Statistik Statistiken sind ein wichtiger Bestandteil Statistiken sind ein wichtiger Bestandteil

in der Hydrologiein der Hydrologie Ohne langjährige Erstellung von Ohne langjährige Erstellung von

Statistiken ist eine zuverlässige Statistiken ist eine zuverlässige Forschung in der Hydrologie kaum Forschung in der Hydrologie kaum möglichmöglich

Auch die Regionalisierung ist ein Auch die Regionalisierung ist ein statistisches Werkzeugstatistisches Werkzeug

Ohne die Regionalisierung ist die Ohne die Regionalisierung ist die Hochwasserschutzplanung schwer Hochwasserschutzplanung schwer möglichmöglich

Methoden der Methoden der RegionalisierungRegionalisierungKlassisch: Klassisch:

Thiessen-Polygon-Verfahren (Voronoi-Thiessen-Polygon-Verfahren (Voronoi-Polygone)Polygone)

Vorteil: Einfache Methode mit der man Vorteil: Einfache Methode mit der man selbst per Hand schnell eine selbst per Hand schnell eine Regionalisierung durchführen kannRegionalisierung durchführen kann

Nachteil: Große Sprünge an den Kanten, Nachteil: Große Sprünge an den Kanten, keine fließenden Übergängekeine fließenden Übergänge

Methoden der Methoden der RegionalisierungRegionalisierungInterpolationsverfahren:Interpolationsverfahren:

Die zu betrachtende Fläche wird durch ein Die zu betrachtende Fläche wird durch ein Netz aus Punkten dargestellt Netz aus Punkten dargestellt

Unbekannte Punkte oder Flächen auf diesem Unbekannte Punkte oder Flächen auf diesem Netz werden durch Interpolation zwischen Netz werden durch Interpolation zwischen bekannten definierten Punkten bestimmtbekannten definierten Punkten bestimmt

Berechnung i.d.R durch IT-Programme Berechnung i.d.R durch IT-Programme

(z.B. Surfer, ArcGIS, 3D Field)(z.B. Surfer, ArcGIS, 3D Field) Mehrere Berechnungsmethoden zur Mehrere Berechnungsmethoden zur

Bestimmung möglich Bestimmung möglich

(z.B. Splines, Kriging, Inverse (z.B. Splines, Kriging, Inverse Distanzgewichtung)Distanzgewichtung)

Methoden der Methoden der RegionalisierungRegionalisierung

Bsp. an einem TIN (Triangulated Irregular Bsp. an einem TIN (Triangulated Irregular Network)Network)

Regionalisierung in der Regionalisierung in der HydrologieHydrologie

Darstellung von lokalen AbflußmengenDarstellung von lokalen Abflußmengen

Erfassung von GrundwasserdatenErfassung von Grundwasserdaten

Pegelvorhersage bei Pegelvorhersage bei HochwasserereignissenHochwasserereignissen

Ermittlung von NiederschlagshöhenErmittlung von Niederschlagshöhen

Digitalisierung des Geländes zur Digitalisierung des Geländes zur HöhenbestimmungHöhenbestimmung

Hochwasser–Hochwasser–RegionalisierungRegionalisierung

in Hessenin HessenProjekt:Projekt: Ermittlung der HQErmittlung der HQ1pnat1pnat- und HQ- und HQ2pnat2pnat-, sowie der -, sowie der

HQHQ11- bis HQ- bis HQ10001000-Abflüsse im -Abflüsse im Flächenverzeichnis HessenFlächenverzeichnis Hessen

Ausweisung auf der Grundlage der Regionali-Ausweisung auf der Grundlage der Regionali-sierung von pegelbezogenen sierung von pegelbezogenen HochwasserabflüssenHochwasserabflüssen

Einsatz multivariabler Regressionsansätze Einsatz multivariabler Regressionsansätze mit einer erweiterten Index-Flood-Methodemit einer erweiterten Index-Flood-Methode

Stellt Grundlage für Hochwasserschutzmaß-Stellt Grundlage für Hochwasserschutzmaß-nahmen in ganz Hessen darnahmen in ganz Hessen dar

DatengrundlageDatengrundlage Hochwasserserien von 113 PegelnHochwasserserien von 113 Pegeln Teilweise Messreihen von 1940, meist Teilweise Messreihen von 1940, meist

Werte ab 1950 bis 2004 (hydrologische Werte ab 1950 bis 2004 (hydrologische Jahre)Jahre)

Hydrologisches FlächenverzeichnisHydrologisches Flächenverzeichnis GewässernetzGewässernetz HöhenmodellHöhenmodell Landnutzungs- und Substrat-DatensatzLandnutzungs- und Substrat-Datensatz Bodenhydrologische KennwerteBodenhydrologische Kennwerte Niederschlagsbezogene GrößenNiederschlagsbezogene Größen Daten werden auf Trends und Homogenität Daten werden auf Trends und Homogenität

geprüftgeprüft Informationen werden auf die Informationen werden auf die

Schwerpunkte der Basisflächen übertragenSchwerpunkte der Basisflächen übertragen

DatengrundlageDatengrundlage Aus diesen Werten werden Variablen mit Aus diesen Werten werden Variablen mit

möglichst engem hydrolgischem Bezug möglichst engem hydrolgischem Bezug ermittelt:ermittelt:

Topographischer IndexTopographischer Index CN-WerteCN-Werte Zusätzlich eine Variable die den Einzugs-Zusätzlich eine Variable die den Einzugs-

gebietsstarkniederschlag repräsentiertgebietsstarkniederschlag repräsentiert Insgesamt 50 VariablenInsgesamt 50 Variablen Alle Variablen werden mit dem Alle Variablen werden mit dem

Flächenverzeichnis verknüpft und als Flächenverzeichnis verknüpft und als Shapefile erstelltShapefile erstellt

Somit können die Variablen als eine Somit können die Variablen als eine geometrische Grundstruktur verwandt werdengeometrische Grundstruktur verwandt werden

Variablen – Beispiel CN-Variablen – Beispiel CN-WertWert Der CN-Wert hängt von den Vegetations- und Der CN-Wert hängt von den Vegetations- und

Bodenbedingungen abBodenbedingungen ab Einteilung nach vier Bodenbedingungen:Einteilung nach vier Bodenbedingungen:

a)a) Großes Versickerungsvermögen (z.B. Kies)Großes Versickerungsvermögen (z.B. Kies)b)b) Mittlere Infiltration Mittlere Infiltration (z.B. (z.B.

Sand mit leichtem Lehmanteil)Sand mit leichtem Lehmanteil)c)c) Geringe Infiltration Geringe Infiltration (z.B. (z.B.

feine Sandböden, lehmige Böden)feine Sandböden, lehmige Böden)d)d) Sehr geringe Infiltration (z.B. fette Sehr geringe Infiltration (z.B. fette

Lehmböden)Lehmböden)

Einteilung nach Vorsättigung nach drei Einteilung nach Vorsättigung nach drei KlassenKlassen

Variablen – Beispiel CN-Variablen – Beispiel CN-WertWert

Hochwasser-Hochwasser-RegionalisierungRegionalisierung

Erster SchrittErster Schritt Der mittlere Hochwasserabfluss (MHQ) wird auf Der mittlere Hochwasserabfluss (MHQ) wird auf

alle Gebiete im Flächenverzeichnis übertragen.alle Gebiete im Flächenverzeichnis übertragen. Dazu wird ein multivariates Regressions-modell Dazu wird ein multivariates Regressions-modell

verwendetverwendet Dazu werden mehrere Schritte durchgeführt Dazu werden mehrere Schritte durchgeführt

z.B.:z.B.:• Entfernen „unsicherer“ VariablenEntfernen „unsicherer“ Variablen• Auswahl des passenden ModellsAuswahl des passenden Modells• Korrektur an pegelkonrollierten GewässerstreckenKorrektur an pegelkonrollierten Gewässerstrecken

HochwasserabflussquantHochwasserabflussquantileile

Flood-Index-VerfahrenFlood-Index-VerfahrenQuantile:Quantile:

Quantile sind ein Streuungsmaß in der Statistik. Quantile sind ein Streuungsmaß in der Statistik. Quantile sind Punkte einer nach Rang oder Quantile sind Punkte einer nach Rang oder Größe der Einzelwerte sortierten statistischen Größe der Einzelwerte sortierten statistischen VerteilungVerteilung. .

Bei dem Flood-Index-Verfahren werden Bei dem Flood-Index-Verfahren werden Jahresserien mit gleichartigen statistischen Jahresserien mit gleichartigen statistischen Eigenschaften zu homogenen Gruppen Eigenschaften zu homogenen Gruppen zusammengefasst.zusammengefasst.

Vorteile: Vorteile: Durch höheren Stichprobenumfang, verbesserte Durch höheren Stichprobenumfang, verbesserte

Zuverlässigkeit der HochwasserquantileZuverlässigkeit der Hochwasserquantile Insbesondere bei großen JährlichkeitenInsbesondere bei großen Jährlichkeiten

Bestimmung der HW-Bestimmung der HW-QuantileQuantile

Bildung 16 homogener Pegelgruppen. Bildung 16 homogener Pegelgruppen. D.h. Einteilung von Regionen D.h. Einteilung von Regionen homogener Eigenschaftenhomogener Eigenschaften

Jahresserie dividiert durch MHQJahresserie dividiert durch MHQii = = normierte Jahresserienormierte Jahresserie

Für jede JahresserieFür jede Jahresserienormnorm wird eine wird eine Extremwert-verteilung abgeleitet => Extremwert-verteilung abgeleitet => MHQMHQnormnorm

HQHQi,iAi,iA = Index-Flood = Index-FloodiAiA •Quantil •Quantilnormnorm

HQHQ1nat1nat und HQ und HQ2nat2nat

Berechnung wie bei MHQ´sBerechnung wie bei MHQ´s Alle eingebenen Parameter, die versiegelte Alle eingebenen Parameter, die versiegelte

Landnutzungsflächen enthalten müssen auf Landnutzungsflächen enthalten müssen auf „Wiese“ eingerichtet werden„Wiese“ eingerichtet werden

Bei Pegelkontrollierten Gewässerabschnitten Bei Pegelkontrollierten Gewässerabschnitten muss nachkorrigiert werdenmuss nachkorrigiert werden

Die prozentuale Abflussminderung im Die prozentuale Abflussminderung im Vergleich zumVergleich zum HQHQ11 oder HQ oder HQ22 wird berechnet. wird berechnet. => 1-(HQ => 1-(HQ inatinat/HQ/HQii) • 100) • 100

Durchschnittliche Verminderung bei einem Durchschnittliche Verminderung bei einem Mindestsiedlungsanteil von 5% beträgt 1,8%Mindestsiedlungsanteil von 5% beträgt 1,8%

ZusammenfassungZusammenfassung

1.1. DatenerfassungDatenerfassung2.2. Variablen Auswahl und ErstellungVariablen Auswahl und Erstellung3.3. Bestimmung des MHQBestimmung des MHQ4.4. Berechnung der Skalierungsgröße Berechnung der Skalierungsgröße 5.5. Bestimmung der HQsBestimmung der HQs6.6. Bestimmung der HQBestimmung der HQnatnat-´s-´s

Danke für Ihre Danke für Ihre Aufmerksamkeit!Aufmerksamkeit!