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Klimatische Herausforderungen – präventive Maßnahmen gegen Hochwasser

 

Fortschrittliches Simulationsverfahren  am Beispiel Redlands (Kalifornien)

Extreme Trockenheit und Dürre mit anschließenden Starkniederschlägen, die zu reißenden Überschwemmungen führen – diese gegensätzlichen Wetterbedingungen sind in wüstenähnlichen Gebieten kein seltenes Phänomen. Problematisch wird es jedoch, wenn solche Wetterumschwünge auf urbane Gebiete treffen; eine Entwicklung die immer öfter zu beobachten ist und für die Kommunen eine echte Herausforderung darstellt. Ein Beispiel dafür ist Kalifornien in den USA: Während der Bundesstaat derzeit wieder mit extremer Trockenheit kämpft, kam es erst letztes Jahr nach heftigen Regenfällen zu Überschwemmungen. Planungsinstrumente können dabei helfen, die Auswirkungen klimatischer Extremsituationen, wie zum Beispiel das Entstehen von Hochwasser, möglichst gering zu halten.

Die Stadt Redlands in Kalifornien blickt auf ein langjähriges, historisch gewachsenes Überschwemmungsproblem bei mäßigen bis starken Regenfällen zurück. Der historische Stadtkern liegt flussabwärts direkt hinter dem Zusammenfluss von gleich vier wichtigen Nebenflüssen. Diese sind an einen einzigen Regenwasserkanal angeschlossen, der den Regenwasserabfluss unter dem Redlands Boulevard durch die Innenstadt leitet. Die Kapazität des aktuellen Systems beträgt in etwa 55 m3 pro Sekunde. Der Zufluss eines Jahrhunderthochwassers liegt bei über 170 m3 pro Sekunde, im Falle starker Regenfälle hat die Innenstadt daher bereits Hochwasserstände von über 1,2 m erlebt. Die Lösungsmöglichkeiten für dieses Hochwasserproblem sind durch eine dicht gedrängte städtebauliche Entwicklung sowie aufgrund historischer Wahrzeichen stark eingeschränkt.

In den vergangenen vier Jahrzehnten wurde das Gebiet von verschiedenen Unternehmen auf der Suche nach einer Lösungsmöglichkeit analysiert. Die meisten Analysen konzentrierten sich dabei auf einen bestimmten Nebenfluss, den „Mill Creek Zanja“, als mutmaßlich Hauptverantwortlichen für die Überschwemmungen. Die Studien gelangten zu dem Ergebnis, den Abfluss des Mill Creek Zanja um einen Großteil der Innenstadt zu lenken. Diese Lösung gewann über die Jahre an Beliebtheit, sodass sämtliche Entwürfe darauf ausgerichtet und für das Bauvorhaben entsprechende Mittel zur Verfügung gestellt wurden.

Die Stadt Redlands beauftragte das Unternehmen RBF Consulting, mit der Erarbeitung eines Entwässerungsgesamtkonzepts für den Regenwasserabfluss. Zu den Aufgaben gehörte außerdem die Suche nach einer möglichen Lösung für das Hochwasserproblem der Region – die Analyse lieferte eine überraschende Erkenntnis. Zur Verdeutlichung der aktuellen Situation sowie der Ursachen erstellte das Unternehmen ein gekoppeltes 1-D/2-D-Modell mit Hilfe der Software xpswmm. Dabei deckte das 2-D-Modell rund 36 km² des ländlichen und innerstädtischen Stadtgebiets ab. Anhand einer kurz zuvor erfolgten Luftbildvermessung wurde ein ausführliches topografisches Oberflächenmodell erstellt. Zur genaueren Darstellung des Abflussverhaltens des Oberflächenwassers wurde eine Rastergröße von 1,80 m auf 1,80 m gewählt, wodurch insgesamt über 1,3 Millionen Rasterflächen verwendet wurden.

Im nächsten Schritt wurde innerhalb der Simulation das Oberflächenmodell an das bereits bestehende Drainagesystem angeschlossen und ein 100-jähriges Niederschlagsmodell für die aktuellen Bedingungen berechnet. Anhand von grafischen Animationen verschiedener Zeitpunkte des Modells konnten hierdurch unzulängliche Einrichtungen der Stadtentwässerung ermittelt werden.


„Mit Hilfe der 2- und 3-D-Animationen lassen sich Problemstellen besonders gut erkennen und darstellen“, so RBF. „Oft sind kleine Teilbereiche des Systems für mehrere Probleme verantwortlich – diese sind leichter zu identifizieren, wenn man das Modell als Ganzes betrachtet.“

Zahlreiche Szenarien wurden erarbeitet, um festzustellen, welche möglichen Verbesserungen an einzelnen Einrichtungen den meisten Nutzen für das Gesamtsystem liefern würden.

Die Analysen ergaben, dass die bisherigen Ansätze mit dem Mill Creek Zanja als Schwerpunkt nicht korrekt waren, denn zwei weitere Nebenflüsse verursachten ähnliche Hochwassermengen im Stadtgebiet. Die bisher vorgeschlagenen Systeme entsprachen außerdem nur einem 20-jährigen und nicht wie angenommen einem 100-jährigen Niederschlagsmodell. Anhand des Simulationsmodells war nach vollständiger Ausblendung des Mill Creek Zanja Abflusses aus dem Regenwassersystem zu erkennen, dass das Gebiet noch immer mit über 60 cm überschwemmt werden würde. Zudem hätten die bisherigen Ansätze den Abriss zahlreicher Gebäude zur Folge gehabt. Mit der neuen Lösung konnte das größtenteils umgangen werden und so auch Kosten eingespart werden. Zahlreiche Neuberechnungen und Kombinationen von verschiedenen Einrichtungsgrößen ergaben ein Umgehungssystem, in dem die Abflüsse der vier Nebenflüsse unter Verwendung der Kapazität des bestehenden Regenwasserkanals zusammengefasst wurden.

Dank des umfangreichen Modells des Gesamtsystems, in Verbindung mit den 1-D-/2-D-Analysen, konnten auf unkomplizierte Weise verschiedene Szenarien durchgespielt werden. Mit Hilfe von grafischen Ergebnisdarstellungen ließen sich Problemstellen sowie die kosteneffizientesten, regionalen und örtlichen Entwässerungslösungen für die Stadt ermitteln. 

Von Gunnar Buttgereit

Technical Sales Engineer


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