Wie die Flutkatastrophe im Februar 1962 in Hamburg gezeigt hat, können Sturmfluten in städtischen Gebieten zu großflächigen Überschwemmungen und daraus resultierend zu umfangreichen Schäden führen. Deshalb wurde für die Katastrophendienststäbe ein Simulationsmodell entwickelt, mit dem das Ausmaß der Überflutungen deichgeschützter Gebiete infolge Überströmung der Hochwasserschutzanlagen, Deichbruch, nicht schließender Schutztore u. Ä. im Sturmflutfall sehr schnell und ohne Modellierungskenntnisse bestimmt werden kann und als Entscheidungsgrundlage zur Gefahrenabwehr dient.
Die Software kann zur Vorsorge und zu Planungen von Maßnahmen zum Schutz der Bevölkerung, aber auch im Katastrophenfall operationell eingesetzt werden. Dabei beschränkt sich der Einsatzbereich nicht auf die Hochwassersimulation bei Sturmfluten. Das Modell ist gleichermaßen als Überflutungsmodell bei Hochwasser in Binnengewässern einsetzbar.
Bedeutung und Ziele der Hochwassersimulation am Beispiel Hamburgs
Die Elbmarsch der Stadt Hamburg umfasst ein Gebiet von 250 km². Trotz erheblichen Ausbaus der Elbdeiche in den letzten Jahren ist dieses Gebiet potentiell sturmflutgefährdet. Hochwassersimulationen für die Elbmarsch werden von den zentralen und regionalen Katastrophendienststäben Hamburgs genutzt, um für den Sturmflutfall Überflutungsszenarien zu berechnen und zu analysieren.
Wesentliches Leistungskriterium des Simulationsmodells sind die Verarbeitung eines hochaufgelösten digitalen Geländemodells (DGM) sowie die Gewährleistung einer hohen Geschwindigkeit bei der Simulation und Visualisierung für den operativen Einsatz. Grundlage der Hochwassersimulation ist die Gliederung des Betrachtungsgebietes in Polder. Dabei handelt es sich nicht um klassische Polder für die gezielte Hochwasserflutung, sondern um Teilflächen, die durch erhöhte Außenkanten abgegrenzt sind.
Im Fall einer realen Sturmflut stehen etwa 6 Stunden vor Eintritt des Scheitels am Pegel St. Pauli der Wasserstand und der Zeitpunkt des letzten Tideniedrigwassers und eine Prognose des Tidehochwassers (Eintrittszeitpunkt und Wasserstand) zur Verfügung. Diese Information stellt den dynamischen Input für die Hochwassersimulation dar. Der Bezugswasserstand am jeweiligen Deichabschnitt wird aus der Flutkurve ermittelt und ist eine Funktion der Zeit.
Die Verteilung des gegebenenfalls in die Polder einströmenden Wassers erfolgt ausgehend vom Elbdeich durch Überströmung, Wellenschlag, Deichbruch und durch nicht korrekt schließende Deichbauwerke. Zunächst werden die unmittelbar dem betroffenen Deichabschnitt benachbarten Polder überflutet. Von dort fließt das Wasser dann in Abhängigkeit der aktuellen Wasserstände und der Geländemorphologie über Polderkanten und Kantendurchlässe in benachbarte Polder. Hierfür wurden effiziente und damit sehr schnelle hydraulische Berechnungsalgorithmen entwickelt.
Programmablauf
Projektverwaltung
Nach Start von HWSIM kann ein neues Simulationsprojekt (Projektdatenbank) angelegt oder ein bereits vorhandenes Projekt geöffnet werden.
Simulationsparameter
Unter Simulationsparameter können die Parameter der prognostizierten Flutkurve sowie Angaben zu nicht schließenden Bauwerken und Deichbrüchen eingegeben werden.
Hochwassersimulation
Über die Angabe der Zeitschrittgröße kann gesteuert werden, in welchen Abständen die Simulationsergebnisse gespeichert werden. Dies hat keinen Einfluss auf die interne Größe der Berechnungszeitschritte.
Hochwasseranalyse
Liegen Berechnungsergebnisse vor, können diese zeitschrittbezogen in der Karte als überflutetete Flächen visualisiert und analysiert werden. Für jede beliebige Position innerhalb des Hochwassergebietes können die Wasserstandsentwicklung grafisch dargestellt oder Informationen wie Gauß-Krüger-Koordinaten, Geländehöhe und der Wasserstand in m NN oder über Gelände abgefragt werden. Des Weiteren können durch Anklicken eines schadhaften Bauwerks, eines Deichbruchs oder eines Kontrollpunkts Informationen über diese Objekte erhalten werden.
Zur Plausibilitätsprüfung besteht die Möglichkeit, die Richtung der Wasserströme über bzw. durch Kanten für jeden Zeitschritt als Fließrichtungspfeile darzustellen. Profile von Binnenkanten erhält man durch das Anklicken einer Kante. Durch das Einblenden topografischer Karten oder des Höhenmodells, farbkodiert als Höhenschichtkarte, erhält man weitere Informationen.
Bericht
In einen HTML-Bericht werden die Metadaten sowie die Simulationsparameter und Simulationsergebnisse (Polderwasserstände, Pegelwasserstände usw.) zu jedem Zeitschritt tabellarisch angezeigt. Im Rahmen der Nachbereitung können auch Karten mit Layouts und Protokolle direkt in Berichte (z. B. im Microsoft Word-Format) integriert werden.
Anwendungsmöglichkeiten
Bei der Anwendung des Hochwassersimulationsmodells können folgende globale Handlungsebenen unterschieden werden:
Katastrophendienst / Hochwasser
Modellanwendung während einer Flut zur Berechnung der Auswirkungen von potentiellen und eingetretenen Deichüberströmungen und Deichbrüchen
Schulung des Katastrophendienstes im Rahmen von Schutzübungen
Analyse
Modellanwendung zur Analyse abgelaufener Fluten und zur Szenario-Analyse für Planungszwecke
Datenpflege
Datenpflege der Basisdaten des Modellsystems
Diese Handlungsebenen sind verschiedenen Anwendern zugeordnet, woraus sich ein modulares Rollenkonzept ableitet.
HWSIM ist kompatibel mit den Systemen GeoFES und HW-Mobil der DHI-WASY GmbH.