Auftraggeber: Landesanstalt für Umwelt Baden-Württemberg (LUBW)

Motivation / Veranlassung / Zielsetzung

• Jährlich entstehen in Baden-Württemberg durchschnittlich 40 Millionen Euro Schaden durch Starkregen. Bedingt durch den Klimawandel wird zukünftig mit einer Zunahme extremer Starkregenereignisse gerechnet.
• Aufgrund der Verfügbarkeit hochaufgelöster topographischer Informationen sowie den bei vielen Ingenieurbüros vorliegenden Erfahrungen beim Einsatz zweidimensionaler Strömungsmodelle zur Fließgewässermodellierung, wird seitens des Landes BW die Erstellung von 2D hydraulischen Modellen auch für die Starkregensimulation empfohlen und finanziell gefördert.
• Der Einsatz gängiger 2D-HN-Simulationsprogramme zur Starkregensimulation unterliegt derzeit noch erheblichen Unsicherheiten insbesondere in Bezug auf die Parametrisierung des Fließwiderstandsverhaltens natürlicher Oberflächen (Wiesen, Ackerflächen).
• Im Rahmen des Projekts soll ein besseres Prozessverständnis der instationären kleinskaligen hydraulischen Prozesse des Dünnfilmabflusses (z.B. Abflusskonzentration und Retentionseffekte) erarbeitet werden. Hierzu wurde auf einer realen Wiesenfläche eine Messparzelle mit aufwändiger Sensorik ("mobiles Feldlabor") und Möglichkeiten zur In-situ-Simulation beliebiger Abflussszenarien ausgestattet. Auf Basis der gewonnenen Erkenntnisse können fundierte Ansätze bzw. Parameterempfehlungen für die Praxis der Starkregenmodellierung abgeleitet werden. Zudem wird geprüft, inwieweit moderne Fernerkundungsmethoden eine effiziente Erfassung der maßgebenden Eingangsgrößen ermöglichen.

Methoden / Entwicklungen / Ergebnis

• Erfassung der sich im Jahresgang verändernden Rauheitsstrukturen von realen (natürlichen) Oberflächen.
• Erprobung und Vergleich verschiedener Messplattformen (Terrestrisch oder Drohnengestützt) und Messmethodiken (Laserscan oder Photogrammetrisch) zur Topografie- bzw. Rauheitserfassung.
• Konzeptionierung eines neuartigen mobilen Versuchsstandes im Feldlabor zur In-situ-Messung (PIV, PTV, Tracer, Laserscan) relevanter hydraulischer Prozesse auf natürlichen Flächen.
• Erfassung flächiger Kenngrößen des Dünnfilmabflusses durch hybride Modelltechnik (In-situ-Messungen und hochaufgelöste 3D-Simulationen)
• Erarbeitung und Validierung eines adäquaten Parametersatzes / Berechnungsansatzes zur Fließwiderstandsmodellierung in numerischen 2D-Modellen.

Abb. 1: Versuchsaufbau Feldlabor mit Darstellung der einzelnen Komponenten

Abb. 2: Vorbereitung einer Fließgeschwindigkeitsmessung mit fluoreszierendem Tracer

Abb. 3: Messkampagne auf einer Ackerfläche mit terrestrischem Laserscanner sowie drohnengestützte Lidarvermessung

Abb. 4: Rohdatenfilterung (Vegetation) einer Punktwolke (links) sowie exemplarisch simulierter Oberflächenabfluss mittels hochaufgelöster 3D Numerik (rechts)