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  • Technische Universität München Ingenieurfakultät Bau Geo Umwelt Lehrstuhl für Hydrologie und Flussgebietsmanagement Prof. Dr.-Ing. Markus Disse

    Generierung synthetischer Hochwasserganglinien durch Merkmalsimulation und Disaggregation für die Mangfall in Rosenheim Projektarbeit Masterstudiengang Umweltplanung und Ingenieurökologie

    Eingereicht von Henrike Stockel

    Betreut von Maria Kaiser, M. Sc.

    Eingereicht am München, den 10. Januar 2017

  • ii

  • Inhaltsverzeichnis

    Abbildungsverzeichnis iv

    Tabellenverzeichnis vii

    Abkürzungsverzeichnis ix

    1 Einleitung 1

    1.1 Motivation und Zielsetzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

    1.2 Herangehensweise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

    2 Methoden zur Generierung von Bemessungsganglinien 5

    2.1 Einführung und Auswahl der Methoden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

    2.2 Disaggregation von Tagesabflusswerten aus N-A-Modell . . . . . . . . . . 7

    2.2.1 Disaggregation von Zeitreihen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

    2.2.2 Verfahren nach Wagner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

    2.3 Hochwassermerkmalsimulation mit Extremwertstatistik . . . . . . . . . . . 14

    2.3.1 Parameterermittlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

    2.3.2 Generierung synthetischer Hochwasserwellen . . . . . . . . . . . 18

    2.3.3 Überprüfung der Plausibilität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

    3 Beschreibung und Charakterisierung der Mangfall im Modellgebiet 23

    3.1 Das Mangfall-Einzugsgebiet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

    3.2 Pegelstationen und Datengrundlage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

    3.2.1 Pegel im Modellgebiet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

    3.2.2 Abflussverhalten zwischen den Pegeln im Modellgebiet . . . . . . 28

    iii

  • Inhaltsverzeichnis

    3.2.3 Datenaufbereitung und Hauptwerte für den Pegel Rosenheim . . . 30

    3.3 Überprüfung der Abflusszeitreihe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

    3.3.1 Prüfung der Konsistenz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

    3.3.2 Prüfung der Homogenität und Stationarität . . . . . . . . . . . . . 32

    3.4 Extremwertstatistische Analyse der Scheitelabflüsse . . . . . . . . . . . . 35

    3.4.1 Stichprobengewinnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

    3.4.2 Wahrscheinlichkeitsanalyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

    3.4.3 Maximierung der Schiefe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

    3.5 Separation und Charakterisierung der Hochwasserereignisse . . . . . . . 42

    3.5.1 Auswahl der Hochwasserereignisse . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

    3.5.2 Separation der Hochwasserwellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

    3.5.3 Charakterisierung der Hochwasserwellen . . . . . . . . . . . . . . 50

    4 Generierung von Bemessungsganglinien für den Pegel Rosenheim 57

    4.1 Disaggregation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

    4.1.1 Datengrundlage aus N-A-Modell und Klimaprojektion . . . . . . . 57

    4.1.2 Disaggregation ausgewählter Hochwasserereignisse . . . . . . . . 58

    4.1.3 Validierung der Disaggregationsmethode . . . . . . . . . . . . . . 60

    4.2 Hochwassermerkmalsimulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

    4.2.1 Bestimmung der charakterisierenden Parameter . . . . . . . . . . 66

    4.2.2 Simulation von Hochwasserganglinien . . . . . . . . . . . . . . . . 68

    4.2.3 Validierung der Hochwassermerkmalsimulation . . . . . . . . . . . 69

    4.3 Plausibilisierung der erzeugten Hochwasserganglinien . . . . . . . . . . . 72

    4.4 Bewertung der Methoden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79

    5 Fazit und Ausblick 83

    Literaturverzeichnis I

    A Hochwasserwahrscheinlichkeiten verschiedener Verteilungsfunktionen IX

    B Algorithmus zur Wellenseparation (R-Code) XIII

    C Hochwasserganglinien XVII

    iv

  • Abbildungsverzeichnis

    2.1 Charakteristika einer Hochwasserwelle (geändert nach Schulte, 2015) . . 6

    2.2 Disaggregation der ansteigenden Hochwasserganglinie anhand der Be-

    ziehung zwischen Scheitelabfluss und Steigung (geändert nach Tan et al.,

    2007) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

    2.3 Disaggregation von Hochwasserabfluss mit Erhalt des Abflussvolumens

    der Ursprungszeiteinheit ti Wagner (2012) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

    2.4 Parameter der Hochwassermerkmalsimulation (MUNLV, 2004) . . . . . . 15

    2.5 Einfluss der Parameterman der Kozeny-Funktion (ansteigend) undmab der

    hyperbolischen Funktion (absteigend) auf die Einheitsganglinie (Bender

    und Jensen, 2014) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

    2.6 Erzeugen von Einzelwellen mit durchschnittlicher Form für HQ1000 anhand

    unterschiedlicher Verteilungsfunktionen (MUNLV, 2004) . . . . . . . . . . 19

    2.7 Vergleich der Scheitel-Füllen-Beziehung von beobachteten und generier-

    ten Hochwasserwellen zur Überprüfung der Plausibilität (MUNLV, 2004) . 21

    3.1 Geographische Lage des Mangfall-Einzugsgebiets in Deutschland und

    Bayern (geändert nach Magdali, 2015) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

    3.2 Topographie des Mangfall-Einzugsgebiets (geändert nach Magdali, 2015) 25

    3.3 Karte des Modellgebiets Rosenheim und der Pegelstandorte . . . . . . . 27

    3.4 Abflusskurve für den Mangfall-Pegel Rosenheim (HND Bayern, 2016) . . 27

    3.5 Ganglinien der fünf höchsten aufgezeichneten Hochwasserereignisse im

    Modellgebiet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

    3.6 Doppelsummenlinien für den Abfluss am Mangfall-Pegel Rosenheim im

    Vergleich zum Abfluss am Pegel Bad Aibling . . . . . . . . . . . . . . . . 34

    v

  • Abbildungsverzeichnis

    3.7 Doppelsummenlinien für den Vergleich des Abflusses in zwei verschiede-

    ner Zeiträume am Mangfall-Pegel Rosenheim . . . . . . . . . . . . . . . . 34

    3.8 Hochwasserscheitel in Abhängigkeit der Jährlichkeit für den Mangfall-

    Pegel Rosenheim für verschiedene Verteilungsfunktionen . . . . . . . . . 38

    3.9 Definition von Hochwasserereignissen (geändert nach Klein, 2009) . . . . 44

    3.10 Bestimmung der Unabhängigkeit zweier Hochwassereignisse nach LAWA

    (1997) (geändert nach Klein, 2009) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

    3.11 Hochwasserabfluss am Pegel Rosenheim im Mai 2015 mit unabhängigen

    und abhängigen Scheiteln . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

    3.12 Zusammensetzung einer Hochwasserwelle nach DIN 4049 (geändert

    nach Disse, 2013) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

    3.13 Hochwasserereignis am Mangfall-Pegel Rosenheim mit abgetrennten

    Basisabfluss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

    3.14 Berechnung des Ereignisregimes (geändert nach Merz et al., 1999) . . . 51

    3.15 Scheitel-Füllen-, Anlaufzeit-Füllen- und r -Wert-Füllen-Plot für beobachtete

    Hochwasserereignisse am Pegel Rosenheim . . . . . . . . . . . . . . . . 52

    3.16 Lineares und polynomielles Modell für die Scheitel-Füllen-Beziehung der

    beobachteten Hochwasserereignisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

    3.17 Box-Whisker-Plots für die Parameter Volumen, Scheitelabfluss QS, r -Wert

    und Anlaufzeit ta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

    4.1 Vergleich von beobachteten und disaggregierten Stundenabflüssen für

    ausgewählte Hochwasserereignisse am Pegel Rosenheim . . . . . . . . . 61

    4.2 Vergleich der charakterisierenden Parameter von beobachteten und dis-

    aggregierten zeitgleichen Hochwasserwellen . . . . . . . . . . . . . . . . 63

    4.3 Vergleich der Scheitel-Füllen-Beziehung der beobachteten und disaggre-

    gierten Hochwasserereignisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

    4.4 Ausgewählte beobachtete Hochwasserereignisse am Pegel Rosenheim

    mit angepassten Funktionen für die Hochwassermerkmalsimulation . . . 67

    4.5 Kumulative Verteilungsfunktionen für die Anlaufzeit ta und die Formpara-

    meter man und mab . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

    vi

  • Abbildungsverzeichnis

    4.6 Vergleich der charakterisierenden Parameter von beobachteten und si-

    mulierten zeitgleichen Hochwasserwellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

    4.7 Vergleich der Scheitel-Füllen-Beziehung der beobachteten und zeitgleich

    simulierten Hochwasserereignisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

    4.8 Vergleich der Scheitel-Füllen-Beziehung von beobachteten, simulierten

    und disaggregierten Hochwasserwellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

    4.9 Scheitel-Füllen-Beziehungen der disaggregierten Hochwasserwellen auf

    Basis von Klimaprojektionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76

    4.10 Scheitel-Anlaufzeit- und Scheitel-Ereignisregime-Beziehungen der disag-

    gregierten, simulierten und beobachteten Hochwasserwellen . . . . . . . 77

    vii

  • Abbildungsverzeichnis

    viii

  • Tabellenv