2D-Modellierung

Erstellung von Überflutungsnachweisen durch 2D-Modellierung

Einleitung
Nach den extremen Starkregenereignissen der vergangen Sommer haben die politischen Entscheidungsträger bundesweit begonnen, die Thematik stärker in den Vordergrund zu rücken. Schließlich können immense Schäden an Infrastruktur und Gebäuden, Umweltschäden bis hin zu Gefahren für Menschen die Folge von Starkniederschlägen sein [1]. Dies hat Auswirkungen auf Kanalnetzbetreiber, Kommunen, Gemeinden und Stadtplaner die aufgefordert sind, bestimmte Starkregen-Szenarien mittels zweidimensionaler hydrodynamischer Simulationen zu modellieren. Die Ergebnisse der Modellierungen sind detaillierte Karten/Animationen der Überflutungsbereiche mit Fließtiefen und Fließgeschwindigkeiten, die unterschiedlich genutzt werden können. Sie dienen zur Analyse von Überflutungsrisiken und sind bei der Identifikation von Gegenmaßnahmen sehr hilfreich.
Maßgebliche Regelwerke
DWA-M 119:2016 „Risikomanagement in der kommunalen Überflutungsvorsorge für Entwässerungssysteme bei Starkregen“
DIN EN 752 „Entwässerungssysteme außerhalb von Gebäuden“
DWA-A 118:2006 „Hydraulische Bemessung und Nachweis von Entwässerungssystemen“
DWA-M 103 „Hochwasserschutz für Abwasseranlagen“

Eingangsparameter

Verschiedene Parameter haben Einfluss auf das Abflussverhalten im Untersuchungsgebiet und sollten daher in die 2D-Modellierung einbezogen werden:

• Digitales Geländemodell (DGM)
• Kanalsystem (Schächte, Haltungen, Dimensionierungen, hydraulische Auslastung)
• Oberflächen- und Bodeneigenschaften (Versiegelung, Bodentyp, Bodenart, Bodennutzung)
• Regendaten
• Umrisse der Gebäude/besondere Bauwerke wie Unterführungen
• Gewässer
• ggf. Bordsteinkanten

Datenaufbereitung

Für die Modellierung ist es zunächst erforderlich, die vorhandenen Daten aufzubereiten. Dies gilt insbesondere für das Digitale Geländemodell, wo Gebäude und ggf. Bordsteinkanten eingebracht werden müssen. Handelt es sich bei dem Untersuchungsgebiet um eine neu zu bebauende Fläche, sind eventuelle Oberflächenveränderungen durch Abtragungen/Aufschüttungen zu berücksichtigen. Einige der für die Modellierung eingesetzten Softwarelösungen (z.B. InfoSWMM 2D, InfoWorks ICM) sind in der Lage, aus dem Oberflächenmodell unregelmäßige Dreiecke zur Abflussmodellierung (TINs) zu berechnen.  
Bezüglich der Regendaten sind mit den lokalen Behörden die Jährlichkeiten und Dauerstufen abzustimmen. Je nach Bundesland sind entsprechende Regenreihen aus unterschiedlichen Quellen erhältlich.

Gekoppelte Modellierung von Kanalnetz, Oberfläche und Gewässer

Je nach Größe des Projektgebietes ist eine gekoppelte Modellierung von Kanalnetz und Oberfläche durchaus empfehlenswert. Das gilt insbesondere bei geringeren Wiederkehrhäufigkeiten, wo der Einfluss des Kanalsystems auf die Überflutungen besonders groß ist. Einige der Softwarelösungen für die gekoppelte Simulation (z.B. InfoSWMM, InfoWorks ICM) bieten die Möglichkeit, auch die Prozesse von Abflussbildung und Abflusskonzentration auf Grundlage der 2D-Oberflächenabflussmodelle detailliert nachzubilden. Einige Softwarelösungen können auch Gewässer vollständig in die Modellierung einbeziehen. Dies kann besonders bei kleineren Fließgewässern einen deutlichen Erkenntnisgewinn mit sich bringen.  

Verwendung der Ergebnisse

Die Ergebnisse der 2D-Simulation können in Form von analogen und digitalen Karten ausgegeben, oder als Animationen dargestellt werden. Die Ergebnisse der 2D-Simulation können für eine weitergehende Schadenspotentialanalyse verwendet werden. Dabei werden besonders schützenswerte Objekte, z.B. Tiefgaragen, Verkehrsunterführungen, Energieversorgungsanlagen, Krankenhäuser, Schulen und Kindergärten, lokalisiert und klassifiziert. Die verfügbaren Softwarelösungen bilden diesen Bearbeitungsprozess teilweise mit ab. Ist das Modell für eine 2D-Simulation einmal erstellt, lässt sich dieses relativ einfach verwenden um die Effekte von möglichen Gegenmaßnahmen auf einfache Weise nachzuvollziehen. Somit können unterschiedliche Varianten vor der Umsetzung auf ihre Wirksamkeit überprüft werden. Bei größeren Neubauprojekten können 2D-Modellierungen als Vorausaussetzung für die wasserrechtliche Genehmigung