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Wie modelliert man eigentlich Starkregen?

Die zunehmende Intensität und Häufigkeit von Starkregen ist eine Gefahr für Firmeneigentümer, Betreiber und Investoren. HPC kann mittels Risikobewertungen feststellen, ob Ihr Standort gefährdet ist. Aber wie kommen wir eigentlich zu so einer Einschätzung? Diplom-Geografin Christine Schmidt, Projektleiterin und GIS-Expertin bei HPC Freiburg, erklärt, wie in einem ersten Schritt ein Geländemodell aufgebaut wird, auf dessen Basis in der Folge Regen- und Abflusswerte ermittelt werden können. Schnell wird deutlich: Gelände ist nicht gleich Gelände und Regen nicht gleich Regen!

Geländemodell in 3D-Ansicht mit den Kanten der Berechnungselemente (ohne Gebäude)

Geländemodell in 3D-Ansicht mit integrierten Gräben aus Bruchkanten

Wie wir ein digitales Geländemodell erstellen

Um ein digitales Modell zur Untersuchung von Starkregengefahren zu erstellen, brauchen wir als Eingangsdaten zunächst ein Höhenmodell zur Beschreibung der Geländeoberfläche. Für hydrodynamische Verfahren besteht dieses aus einer Menge an 3D-Punkten, die z. B. durch Bruchkanten für Mauern, Gebäude, Gerinne oder Bordsteinkanten ergänzt und verfeinert werden können. Die Vermaschung aller Stützpunkte dieser Geländegeometrien mittels Triangulation führt zu den sog. „finiten Grundelementen“, mit denen dann eine Simulation gerechnet werden kann.

Das kann man sich wie ein Drahtnetz mit Knoten vorstellen, welches über ein physisches Geländemodell gespannt wird und an den Knoten der Oberfläche aufliegt. Die Drähte zwischen den Knoten bilden dabei die geraden Kanten der finiten Elemente, bei uns sind dies Dreiecke. Die räumliche Auflösung (Feinheit) einzelner Berechnungselemente kann den lokalen Erfordernissen angepasst werden, d. h. im Bereich feinerer Strukturen sind kleinere Dreiecke zu bevorzugen und im Bereich gleichförmiger Strukturen sind größere Dreiecke ausreichend. Praktisch sollten die Größenunterschiede bei aneinandergrenzenden Dreiecken allerdings nicht zu groß werden, weil dies bei hohen Abflüssen zu rechentechnischen Instabilitäten führen kann. Hier sind Fingerspitzengefühl und Spürsinn für fachlich fundierte Kompromisse im Modell gefragt.

Zur Simulationsrechnung wird jedem einzelnen Berechnungsdreieck ein Satz an Parameterwerten zugeordnet. Dazu gehört z. B. die Oberflächenrauheit entsprechend der vorliegenden Nutzung, denn Wald, Ackerflächen oder Straßen weisen sehr unterschiedliche Strukturen auf. Anweisungen, wie mit Wassermengen innerhalb von Gebäuden umzugehen ist (ob Umverteilung auf die umgebenden Dreiecke oder Übergabe an einen Kanalabschnitt), sind ebenfalls zu definieren und als Information an die betreffenden Dreiecke zu übergeben.

Und schließlich brauchen wir noch Informationen über den Regen sowie den Abfluss für unser Modell.

Wie aus Regen Abfluss wird

Werden die Berechnungsdreiecke mit einer konstanten Niederschlagsmenge über eine bestimmte Zeit beaufschlagt, nennt man dies einen „Blockregen“. In manchen Fällen, z. B. für einfache Tests, kann dies ausreichen. Alternativ lässt sich ein sogenannter „Euler-Regen“ aus den KOSTRA-Werten des Deutschen Wetterdienstes erzeugen oder es lassen sich die an Messstationen aufgezeichneten Werte bestimmter Niederschlagsereignisse als Naturregen-Kurven über die Zeit zugrunde legen. Die verwendeten Regenwerte werden damit zunehmend realistischer bis hin zur Anwendung von RADOLAN-Daten (Niederschlagsdaten aus der Radar-Online-Aneichung des Deutschen Wetterdienstes).

Aber der Niederschlag ist nicht gleich dem Oberflächenabfluss. Je nach Bewuchs und Eigenschaften der Bodenoberfläche wird ein Teil des Regens an der Oberfläche festgehalten oder kann im Boden versickern, wobei die Infiltrationsrate in der Regel mit der Regendauer abnimmt. Dies lässt sich im Modell durch oberflächen- und bodenspezifische Verlustansätze, Anfangs- und Endversickerung berücksichtigen. Die abfließenden Wassermengen werden also dynamisch nach bekannten Regeln aus dem spezifischen Regenereignis generiert.

In Baden-Württemberg stehen für Projekte nach dem Starkregenleitfaden bereits vorberechnete Oberflächenabflusskennwerte (OAK) zur Verfügung, die landesweit unter Berücksichtigung von Geologie, Bewuchs, Nutzung, Hangneigung etc. für 3 Szenarien (selten, außergewöhnlich, extrem) mit je 12 Zeitschritten à 5 Minuten vorberechnet wurden. Da es sich hier bereits um Abflusswerte handelt, können sie ohne Abschläge direkt verwendet werden. Wir müssen den Regen in unseren Modellen daher nicht immer selbst erzeugen, oft genügt eine Reihe von Abflusswerten und die Kenntnis der modellierten Oberfläche.

    Beispiel für einen Naturregen (Häufigkeit alle 12 Jahre)

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