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Ziel der Dissertation ist es, den Hochwasserschutz und das Management extremer Hoch-wasser für das Einzugsgebiet der Isar zu verbessern mit Hinblick darauf, wie sich vorhandene und neu zu schaffende Retentionsräume mit optimaler Wirkung für das gesamte Flusssystem einsetzen lassen. Dafür sind Kenntnisse über extreme Ereignisse und deren Auswirkung auf die betrachteten Einzugsgebiete notwendig. Großskalige Niederschläge in Mitteleuropa werden überwiegend durch Vb-artige Zugbahnen ausgelöst. Die Relevanz für Bayern zeigt die Auswertung des neuesten Kataloges der Vb-Zugbahnen für den Zeitraum 1959 bis 2015. In den Monaten April bis Oktober haben Vb-Zugbahnen zu ca. 30 % der beobachten Hochwasser beigetragen. Im Sommer führt sogar jedes zweite Vb-Tief zu Hochwasser. Im Donaueinzugsgebiet können 50 % der 20 größten Hochwasser direkt auf Vb-Zugbahnen zurückgeführt werden, weitere 25 % durch ähnliche Zugbahnen oder auf eine Vb aktiven Phase. Über die Hälfe der größten Hochwasser traten dabei in Bezug zu einer Serie von Vb-Tiefs auf. 60 % der Vb-Zugbahnen sind Teil einer Serie von Vb-Tiefs. Aus wiederkehrenden Niederschlägen persistenter Zugbahnen resultieren mehrgipflige Hochwasserwellen, die insbesondere für Rückhalteräume betrachtet werden müssen (DIN 19700). Die Detailuntersuchung erfolgt unter besonderer Beachtung der Untersuchungen zu den Vb-Zugbahnen. Das Isareinzugsgebiet mit 8900 km-² besitzt mit den Seen im Voralpenland große natürliche Retentionsräume und mit dem Sylvensteinspeicher im alpinen Einzugsgebiet den größten staatlichen Speicher Bayerns. Für die Wirkungsanalyse von gekoppelten Hoch-wasserrückhalteräumen in komplexen Einzugsgebieten müssen Ganglinien mit einem Nie-derschlag-Abfluss-Modell generiert werden, die den Wellenablauf des Hochwassers im ge-samten Einzugsgebiet repräsentieren. Die Dissertation analysiert, wie sich der Einsatz ver-schiedener Verfahren zur Vorgabe der Eingangsniederschläge auswirkt. Dabei liegt der Schwerpunkt der Untersuchung auf dem Niederschlagsverlauf. Es wird ein Verfahren zur Ableitung von Ganglinien aus standardisierten beobachteten Niederschlagsverläufen entwi-ckelt. Die Hochwasserganglinien, generiert aus synthetischen Niederschlagsverläufen der Bemessung, werden am Beispiel des Sylvensteinspeichers mit den drei größten abgelaufe-nen Hochwasserereignissen verglichen und diskutiert, ob mit dem neuen Verfahren die Cha-rakteristik der beobachten Hochwasser besser wiedergeben wird. Der Fokus liegt dabei auf der Wellenüberlagerung. Es kann für das ganze Gebiet gezeigt werden, dass die mit der neuen Methode standardisierten beobachteten Niederschlagsverläufe besser geeignet sind, die Wellenüberlagerung wiederzugeben, da zeitliche Unterschiede durch die Staueffekte an den Alpen berücksichtigt werden, wie sie bei Vb-Zugbahn geprägten Niederschlägen entste-hen. Es kann daher bei ähnlichen Fragestellungen empfohlen werden, diese Methode in der Praxis als Variante hinzuzuziehen, um die natürlichen Prozesse repräsentativer zu beschrei-ben. Für die Simulation mit dem N-A-Modell LARSIM werden die Unsicherheiten durch Varianten-rechnungen gezeigt. Es hat sich herausgestellt, dass nicht nur der Niederschlagsverlauf und die Vorbedingungen des Ereignisses eine große Auswirkung auf die Kalibrierung der Ab-flussbeiwerte im N-A-Modell haben, sondern auch das gewählte Flood-Routing-Verfahren und die Gerinnerauheit. Schließlich wird die Bewertung der potenziellen Standorte durchgeführt. Es wird berechnet, wo das Hochwasser zurückgehalten werden muss, um sowohl eine lokale Reduktion des Hochwasserscheitels, als auch gleichzeitig eine möglichst große Schutzwirkung für das Ge-samtsystem zu ermöglichen. Priorisiert werden Rückhaltestandorte, die praktisch umsetzbar sind und den größten Nutzen haben. Die Untersuchung einer Doppelwelle, die durch eine Serie von Vb-Zugbahnen entstehen kann, zeigt, wie die Einschätzung potenzieller Standorte verändern kann. Der alpine und zum Teil der voralpine Raum reagieren mit kurzen steilen Ganglinien und sind gegenüber Doppelwellen weniger sensitiv, weil kaum Wellenüberlagerung entsteht. Für den Sylvensteinspeicher, der im alpinen Raum liegt, können daher kurze Niederschlagspausen für eine schnelle Entlastung des Speicherraumes genutzt werden. Un-terhalb von Seen mit einem großen Retentionsvermögen erzeugen Doppelwellen aufgrund der langen Retentionsäste durch die Wellenüberlagerung deutlich höhere Abflüsse als Ein-zelwellen. Rückhalt an der oberen Isar ist unter diesen Kriterien am optimalsten. Empfohlene Maßnahmen - ohne Bauaufwand - konnten bereits umgesetzt werden und verbessern den Hochwasserschutz und das Hochwassermanagement an der Isar. Die Auswertungen zeigen, dass in den Monaten April, Mai, September und Oktober die Hochwasserereignisse in Folge von Vb-Zugbahnen im Zuge der Klimaveränderung häufiger und in den Sommermonaten extremer werden könnten.
Both water scarcity and flood risk are increasingly turning into safety concerns for many urban dwellers and, consequently, become increasingly politicised. This development involves a reconfiguration of the academic land- scape around urban risk, vulnerability and adaptation to climate change research. This paper is a literature assessment of concepts on disaster risk, vulnerability and adaptation and their applicability to the context of studying water in an African city. An overview on water-related risk in African cities is presented and concepts and respective disciplinary backgrounds reviewed. Recent debates that have emerged from the application of risk, vulnerability and adaptation concepts in research and policy practice are presented. Finally the applicability of these concepts as well as the relevance and implications of recent debates for studying water in African cities is discussed. ‘Riskscape’ is proposed as a conceptual frame for close and integrated analysis of water related risk in an African city.
Floods are hydrological extremes that have enormous environmental, social and economic consequences.The objective of this thesis was a contribution to the implementation of a processing chain that integrates remote sensing information into hydraulic models. Specifically, the aim was to improve water elevation and discharge simulations by assimilating microwave remote sensing-derived flood information into hydraulic models. The first component of the proposed processing chain is represented by a fully automated flood mapping algorithm that enables the automated, objective, and reliable flood extent extraction from Synthetic Aperture Radar images, providing accurate results in both rural and urban regions. The method operates with minimum data requirements and is efficient in terms of computational time. The map obtained with the developed algorithm is still subject to uncertainties, both introduced by the flood mapping algorithm and inherent in the image itself. In this work, particular attention was given to image uncertainty deriving from speckle. By bootstrapping the original satellite image pixels, several synthetic images were generated and provided as input to the developed flood mapping algorithm. From the analysis performed on the mapping products, speckle uncertainty can be considered as a negligible component of the total uncertainty. In the final step of the proposed processing chain real event water elevations, obtained from satellite observations, were assimilated in a hydraulic model with an adapted version of the Particle Filter, modified to work with non-Gaussian distribution of observations. To deal with model structure error and possibly biased observations, a global and a local weight variant of the Particle Filter were tested. The variant to be preferred depends on the level of confidence that is attributed to the observations or to the model. This study also highlighted the complementarity of remote sensing derived and in-situ data sets. An accurate binary flood map represents an invaluable product for different end users. However, deriving from this binary map additional hydraulic information, such as water elevations, is a way of enhancing the value of the product itself. The derived data can be assimilated into hydraulic models that will fill the gaps where, for technical reasons, Earth Observation data cannot provide information, also enabling a more accurate and reliable prediction of flooded areas.
Die Zielsetzung der vorliegenden Arbeit war die raumdifferenzierte und skalenübergreifende Untersuchung der Hochwasserentstehungsprozesse im Frankelbach-Einzugsgebiet, das ein Beispiel eines land- und forstwirtschaftlich genutzten Kleineinzugsgebiets in Mittelgebirgen der gemäßigten Breiten ist. Eine Kernaufgabe war die Quantifizierung der Beiträge einzelner Abflusskomponenten während des Scheiteldurchflusses eines Hochwassers. Zudem sollten Zusammenhänge zwischen der Bodenfeuchtedynamik und der Abflussreaktion herausgearbeitet werden. Zur Bodenfeuchtemessung wurde ein neu entwickeltes Spatial-TDR-Messsystem eingesetzt. Im Rahmen dieses pilothaften Einsatzes war zudem die Tauglichkeit des Messsystems zu überprüfen und zu bewerten. Das im Rotliegenden gelegene 5 km2 große Frankelbachgebiet mit Jahresniederschlägen von 750 mm a-1, steil eingeschnittenen, bewaldeten Kerbtälern und ackerwirtschaftlich genutzten Hochflächen liegt zwischen 200 und 450 m ü. NN. Auf schuttführenden Sand- und Schlufflehmen, deren Genese auf periglaziale Solifluktionsprozesse zurückgeht, sind hangabwärts mächtiger werdende Braunerden zu finden. Bemerkenswert sind die zahlreichen Quellen auf gleicher Höhenlage, die teilweise als Pipequellen ausgebildet sind. Beregnungs- und Infiltrationsversuche dienten der Beurteilung der Oberflächenabflussreaktion unterschiedlich bewirtschafteter Flächen. Durch stündliche Spatial-TDR-Messungen an 13 Standorten (60 cm lange vertikal installierte Dreistabsonden) konnten Hangwasserflüsse identifiziert werden. Zwischen 2005 und 2009 wurden die Abflüsse vier geschachtelter Einzugsgebiete sowie einer Quelle in 10min-Intervallen erfasst und 87 Hochwasserereignisse analysiert. Mittels Messungen der elektrischen Leitfähigkeit und eines Zweikomponenten-Mischungsmodells wurde der Ereigniswasseranteil für die höchsten Hochwasser abgeschätzt. Ergänzend zu den Geländeexperimenten wurde ein einfaches Modell konzipiert, das eine quantitative Abschätzung der ober- und unterirdischen Wasserflüsse in einen Gewässereinschnitt erlaubt. Zum Vergleich mit 31 anderen Untersuchungsgebieten wurde eine Codierung entwickelt, die eine Einordnung sowohl hinsichtlich der Geofaktoren der Gebiete als auch bezüglich der untersuchten Hochwasserereignisse ermöglicht. Das im hanghydrologischen Forschungsbereich als eher trocken einzuordnende Frankelbachgebiet, zeigte ein jahreszeitlich sehr unterschiedliches Abflussverhalten. Während in trockenen Sommern hohe Niederschläge im Gebiet gespeichert werden, liegen die Abflusskoeffizienten für einige schneeschmelzfreie Frühjahrsereignisse über 50 %. Das höchste beobachtete Hochwasser weist einen Abflusskoeffizient von 55 % bei einer relativ niedrigen Abflussspende von 140 l s-1 km-2 auf. Die Großberegnungsversuche, die Quellabflussmessungen, die Ereignisanalysen und die Modellierungsergebnisse weisen darauf hin, dass Dauerregen- und Schneeschmelz-Hochwasser zum Großteil aus Zwischenabfluss bestehen. Hier konnten zwei Abflusskomponenten differenziert werden: (i) eine oberflächen- und gerinnenahe Komponenten, die aufgrund des hohen Ereigniswasseranteils von etwa 60 % durch präferentielles Fließen erklärt werden kann, und (ii) eine ein bis zwei Tage verzögerte tiefere Komponente, die durch unterirdische Abflusskonzentration auf stauenden Schichten generiert wird. Letztere war in den Quellabfluss- und Spatial-TDR-Messungen erkennbar, hatte jedoch an den am Pegel beobachteten Scheiteldurchflüssen nur einen sehr kleinen Anteil. Während sehr intensiver Niederschläge könnte zusätzlich der Horton'sche Oberflächenabfluss von offen liegenden, hydraulisch angeschlossenen Äckern zum Scheiteldurchfluss beitragen. Für sämtliche Spatial-TDR-Messstandorte ist von hohen Infiltrations- und Sickerraten auszugehen. Eine Aufsättigung der Standorte war nicht erkennbar, für die nassen Wintermonate liegen jedoch nur sehr wenige Spatial-TDR-Messwerte vor. Eine in einer Tiefenlinie installierte Sonde (A08) zeigte das Umschalten des Gesamtgebiets in relativ nasse Zustände an. Hier nahm die Bodenfeuchte während zwei größerer Dauerregenereignisse infolge der unterirdischen Abflusskonzentration stark zu. In der vorliegenden Arbeit wurden die einbau- und substratbedingten Unsicherheiten sowie die Schwächen des Algorithmus zur Rekonstruktion der absoluten Bodenfeuchtewerte konkretisiert. Demzufolge wurde lediglich das Spatial-TDR-Rohsignal als Indikator für die aktuelle Bodenfeuchte verwendet. Durch eine Transformation des Spatial-TDR-Signals von der Zeit auf den Sondenort können dennoch Aussagen zur relativen Änderung der Bodenfeuchte in einer bestimmten Tiefe gemacht werden können. Diese Informationen sind hinreichend genau für die Untersuchung hanghydrologischer Prozesse und für die Ableitung von Gebietsfeuchtezuständen.
Die vorliegende Arbeit entstand im Rahmen des INTERREG III B-Projektes WaReLa (Water Retention by Landuse), das sich mit dem Rückhalt von Wasser in der Fläche als Beitrag zum vorbeugenden Hochwasserschutz beschäftigt. Im Vordergrund stehen dabei die so genannten dezentralen Rückhaltemaßnahmen als Alternative bzw. Ergänzung zum technischen Hochwasserschutz. Gegenstand dieser Arbeit ist die Frage nach der Effizienz von Retentionsmaßnahmen in urbanen Räumen und deren Beitrag zum Hochwasserschutz. Es handelt sich um ein relativ junges Forschungsthema, welches die Fachwelt bis heute kontrovers diskutiert. Wie bisherige Untersuchungen zeigen, sind allgemeine Aussagen über die Retentionswirkung nicht möglich, da das Potential der Regenwasserbewirtschaftung und deren Rückhaltewirkung von mehreren gebietsspezifischen Faktoren gesteuert werden. Untersuchungen an einem Retentionssystem im Neubaugebiet Trier-Petrisberg sollten weitere Erkenntnisse bringen. Hierzu wurde zum einen die hydraulische Belastung einzelner Retentionsanlagen untersucht und zum anderen wurden N A-Simulationen mit dem Programm erwin 4.0 durchgeführt. Laut N-A-Simulationen hält das Retentionssystem, welches für ein 100-jährliches Ereignis mit 56 mm Niederschlag und der Dauerstufe 3 Stunden konzipiert wurde, im Vergleich zur Entwässerung des Gebietes über ein Trennsystem zwischen 58 % und 68 % des Jahresniederschlags zurück. Ähnlich hohe Werte (60 80 %) nennen GÖBEL, STUBBE, WEINERT, ZIMMERMANN, FACH, DIERKES, KORIES, MESSER, MERTSCH, GEIGER & COLDEWEY (2004: 270f) und WEGNER (1992: 7f) für die von ihnen untersuchten Anlagen. Sehr hoch erscheint die Scheitel abmindernde Wirkung des Retentionssystems im Vergleich zu einer konventionellen Ableitung. Im Mittel beträgt diese 82 %, so dass der Scheitel der Einleitung in den Vorfluter Brettenbach im Vergleich zur Regenwasserableitung auf 1/5 reduziert wird. Aufschluss über die Scheitelabminderung im Vorfluter selbst kann nur eine Quantifizierung der einzelnen Abflusskomponenten geben. Das Retentionssystem arbeitet im Sommerhalbjahr effektiver als im Winterhalbjahr, da trockene Vorperioden, höhere Lufttemperaturen und die Vegetation im Sommer einen besseren Rückhalt konvektiver Niederschläge begünstigen. Korrespondierende Aussagen machen ASSMANN & KEMPF (2005), GANTNER (2003a) und NIEHOFF (2002). Beobachtungen und Simulationen zeigen, dass das Retentionssystem bisher effektiv arbeitet. Sämtliche Retentionsanlagen entleeren sich innerhalb von 48 Stunden. Die Arbeit wird ergänzt durch Handlungsempfehlungen zu Planung, Bau und Betrieb von Anlagen zur Regenwasserbewirtschaftung auf Privatgrundstücken. Sie sollen helfen, die Akzeptanz naturnaher Maßnahmen zur Bewirtschaftung von Regenwasser zu steigern, Fehler zu vermeiden und Projekte erfolgreich umzusetzen.
In addition to flood disasters on major rivers, damage caused by the flooding of smaller and medium-sized tributaries is also of considerable significance. To ensure that flood protection measures are effective, engineering flood prevention measures on the rivers must be supported by integrated catchment management. This includes decentralised water retention measures implemented in the sectors of forestry, agriculture and in residential areas. Within this scope new instruments have to be elaborated and introduced, such as GIS-based systems and systems for the evaluation of economic consequences and eco-efficiency of flood damage precaution measures associated with land-use. These are extremely significant for improving information management, the prevention of advice to the general public and for the acceptance of flood precaution measures. The conference intends to promote scientific exchange between specialists working on all areas concerning integrated catchment management. This includes the methodology for identification of catchment types prone to flooding hazards, the control and validation of land-use concepts for decentralised water retention as well as its combination and upscaling procedures up to mesoscale catchments. As catchment management is not only the concern of natural scientists the strategies for enhancing catchment management and the development of decision-support tools will also be important topics of the conference. ***Addenda *1. The articles from page 136 to 161 belong to session 5 *2. Article page 107: Ancient irrigation strategies: land use and hazard mitigation in Ma-´rib, Yemen (New list of authors: Ueli Brunner (a) , Michael Schütz (b), Dana Pietsch (c), Peter Kühn (c), Thomas Scholten (c), Iris Gerlach (d))