Studie zur Ergebnisbewertung unterschiedlicher Niederschlagsabflussmodelle für urbane Einzugsgebiete in Nordrhein-Westfalen

Projektlaufzeit: 12/2000 - 03/2002

Bearbeitung durch: Siwawi

Bearbeiter:

• Dipl.-Ing. Marc Illgen
• Prof. Dr.-Ing. T.G. Schmitt

Im Rahmen von entwässerungstechnischen Planungen werden heute vielfach Niederschlagsabflussmodelle eingesetzt. Je nach zu bearbeitender Fragestellung kommen hierbei Simulationsmodelle unterschiedlicher Ausrichtungen und Konzeptionen zur Anwendung. Im Bereich der urbanen Entwässerungssysteme ist hierbei im wesentlichen nach folgenden Modelltypen zu differenzieren:

• Modelle zur hydrodynamischen Kanalnetzberechnung
• Modelle zur Schmutzfrachtberechnung
• Modelle zur hydrologischen Gewässerabflussberechnung

Einzelne Elemente des Entwässerungssystems sind in den verschiedenen Modellen gleichermaßen enthalten. Im wesentlichen stellen Mischwasserentlastungsbauwerke und deren Überläufe ins Gewässer sowie Regenauslässe der Regenwasserkanalisation Schnittpunkte der unterschiedlich ausgerichteten Modellanwendungen dar. An diesen Punkten überlagern sich die Ergebnisse der Abflusssimulationen und zeigen hierbei zum Teil erhebliche Diskrepanzen in den jeweils errechneten Abflusskenngrößen (Abflusssummen, Abflussspitzen). Diese Abweichungen resultieren v.a. aus den unterschiedlichen methodischen Berechnungsansätzen der Modelle, der unterschiedlich feinen Diskretisierung und Detaillierung in der Systemabbildung, der teilweise unterschiedlichen Niederschlagsbelastungen sowie der Anpassung der Modellparameter (und Eingangsdaten) im Zuge etwaiger Modellkalibrierungen. Im Rahmen der Studie wurde für zukünftige Anwendungen von Abfluss- und Schmutzfrachtmodellen anhand von exemplarischen Vergleichsrechnungen mit den Modellen MOUSE, MOMENT und NASIM am Projektgebiet Boye (Emscherregion) eine Systematik zur Erlangung konsistenter Berechnungsergebnisse auf den unterschiedlichen Ebenen der Abflussberechnung entwickelt.

Die methodischen Unterschiede der Modelle wurden aufgezeigt und in ihren Auswirkungen auf die Berechnungen erörtert. Die quantitativen Unterschiede in den Ergebnissen wurden analysiert und bewertet. Ein Anforderungskatalog an zukünftige Modellanwendungen wurde erarbeitet und eine Strategie zur koordinierten Modellanwendung entwickelt, bei der die methodische Überlegenheit des detaillierten dynamischen Modells mit den Vorteilen des (kalibrierten) Gewässermodells überlagert und zur Erlangung konsistenter Ergebnisse genutzt wird (siehe Abbildung). Mit der entwickelten Systematik können die Übereinstimmung und die Zuverlässigkeit der Berechnungen erheblich gesteigert werden.

Anwendungssystematik für zukünftige Modellanwendungen

Die Problemstellung der Erlangung konsistenter Berechnungsergebnisse resultiert aus dem Selbstverständnis des Nachweiskonzeptes bei Planungsaufgaben und dem Anspruch der Modellanwendungen im Nachweisverfahren, Systemgegebenheiten und Abflussverhalten wirklichkeitsnah nachzubilden. Damit sollten unterschiedliche Modellanwendungen zu gleichwertigen - theoretisch identischen - Berechnungsergebnissen führen. Die im Rahmen der Studie im Detail charakterisierten Modelltypen zur Anwendung auf urbane Einzugsgebiete unterscheiden sich hinsichtlich der räumlichen Skalierung und Diskretisierung der betrachte-ten Entwässerungssysteme und beinhalten unterschiedlich detaillierte Modellansätze. Eine Übereinstimmung von Berechnungsergebnissen kann deshalb nur im Rahmen system- und methodisch bedingter Genauigkeitsgrenzen gefordert werden. Dazu sollten an zukünftige Modellanwendungen nachstehende Anforderungen gestellt werden.

• Die Eingangsdaten (Flächenkennwerte, Trockenwetterabfluss) müssen für jede Modell-anwendung in einer detaillierten Aufschlüsselung für das Gesamtgebiet und bezogen auf die relevanten Systempunkte – hier Regenentlastungs- und Regenauslassbauwerke – nachvollziehbar ausgewiesen werden.
• Die Modellanwendungen müssen identische Eingangsdaten verwenden. Das gilt auch für die Aufschlüsselung der Abflussflächen in befestigte und nicht befestigte Teilflächen und deren weiter gehende Charakterisierung bezüglich ihres Abflussverhaltens (durchlässig befestigt, Anschluss an die Kanalisation etc.).
• Die Bewertung der Abflusswirksamkeit nicht befestigter Teilflächen (innerhalb der Bebauung) und deren Berücksichtigung in der Abflusssimulation muss in den verschiede-nen Aufgabenstellungen einheitlich erfolgen.
• Zur Abstimmung der Modellparameter unterschiedlicher Modellanwendungen sind die errechneten Abflussvolumina hinsichtlich der Abflussbeiträge befestigter und nicht befestigter Teilflächen aufzuschlüsseln, und zwar jeweils für das Gesamtgebiet und die Einzugsgebiete der o.g. Systempunkte.

• Zur Erlangung konsistenter Ergebnisse aus den unterschiedlichen Modellanwendungen ist es zwingend erforderlich, bei der Verwendung historischer Regendaten (Starkregenserie, kontinuierliche Regenreihen) identische Niederschlagsbelastungen anzusetzen.
• Beim Rückgriff auf mehrere Niederschlagsstationen müssen die Niederschlagsdaten einheitlich den jeweiligen Teilgebieten zugeordnet werden.

• Grundsätzlich müssen die Systemgegebenheiten und Bauwerke, die das Abflussverhalten maßgeblich beeinflussen, in allen drei Modelltypen nachgebildet werden.
• Ausgedehnte Rückstaueinflüsse und Kanalspeicherwirkung können methodisch bedingt nur vom Modelltyp MOUSE (Kanalnetzberechnung) wirklichkeitsnah beschrieben werden. Wird das Abflussgeschehen maßgeblich durch diese Phänomene beeinflusst, sollten sie von den Modelltypen MOMENT und NASIM zumindest näherungsweise berücksichtigt werden.
• Die Bewertung der Relevanz und ggf. Berücksichtigung der vorgenannten Phänomene kann im Rahmen einer Vorab-Vergleichsrechnung für ausgewählte Einzelereignisse vorgenommen werden.

• Eine Modellkalibrierung dient der Anpassung der Modellparameter an die jeweiligen örtlichen Gegebenheiten und ist grundsätzlich empfehlenswert. Sie führt bei zutreffender Systemerfassung und Verwendung zuverlässiger Messwerte (Niederschlag, Abfluss, Wasserstand) zu einer Verbesserung der Modellgenauigkeit und Aussagefähigkeit der Berechnungen.
• Die Erhebung der erforderlichen Systemdaten und Messwerte stellt je nach Messgrößen einen erheblichen Aufwand dar. Umfang und Kriterien der Kalibrierung sind deshalb der jeweiligen Fragestellung und dem gebotenen Genauigkeitsanspruch anzupassen.

Aus der Bewertung der unterschiedlichen Aufgabenstellungen sowie der zugehörigen Modellanwendungen und verfügbaren Modelltypen wurde - aufbauend auf vorstehende Anforderungen an die Modellanwendungen - eine Systematik zur Erlangung konsistenter Berechnungsergebnisse entwickelt und in nachstehendem Schemabild zusammengefasst.

Finanzierende Institution(en)

• Ministerium für Umwelt und Naturschutz, Landwirtschaft und Verbraucherschutz des Landes Nordrhein-Westfalen