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ZUR%RMITTLUNGVON"EMESSUNGSHOCHWiSSERN KLEINER !UFTRETENSWAHRSCHEINLICHKEIT

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ZUR%RMITTLUNGVON"EMESSUNGSHOCHWiSSERN KLEINER !UFTRETENSWAHRSCHEINLICHKEIT

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(OCHWASSERSTATISTIK .IEDERSCHLAG!BFLUSS-ODELLIERUNG 'RADEX6ERFAHREN (~LLKURVEN6ERFAHREN

4HEDESIGNFLOODESTIMATIONMETHODOLOGYPROPOSEDINTHISPAPERCOMBINESTHERESULTSFROMANUMBEROFMETHODSTHATAREBASEDONCOMPLE MENTARYINFORMATION4HEMETHODSUSEDIFFERENTTYPESOFDATAANDDIFFERINTERMSOFTHEIRASSUMPTIONSANDCONTROLS/NEWOULDTHEREFORE EXPECTTHATTHEUNCERTAINTYRESULTINGFROMTHECOMBINEDAPPROACHISSMALLERTHANTHATFROMEACHOFTHEINDIVIDUALMETHODS4HEAPPLICATION OFTHEPROPOSEDAPPROACHISILLUSTRATEDFORTHECASEOFESTIMATINGDESIGNFLOODSOFDAMS4HEINDIVIDUALMETHODSUSEDARE ATSITELOCAL FLOOD FREQUENCYANALYSIS REGIONALFLOODFREQUENCYANALYSIS RAINFALLRUNOFFMODELLING THE'RADEXMETHODAND ANENVELOPECURVEANALYSIS

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Die Erfahrungen der letzten Hoch- wasserjahre haben gelehrt, dass mit extremen Hochwässern nicht nur theo- retisch, sondern auch praktisch zu rechnen ist. Für die Praxis ergibt sich damit die Frage nach der Einbeziehung solcher Ereignisse in die Hochwasser- schutzplanungen. In den Maßnahmen- katalogen spiegelt sich dies in der Auf- nahme von Konzepten zum Umgang mit dem Restrisiko wider. Grundlage für die Beurteilung der Restrisikositua- tion ist die Angabe der maßgeblichen Durchflüsse und Wasserstände bei einem solchen Extremereignis. Damit rückt die Frage nach der Ermittlung dieser Größen in den Vordergrund.

Je nach Planungssituation bewegt sich das Wiederkehrintervall des zugrun- degelegten Bemessungshochwassers zwischen 200 und 300 Jahren – etwa bei Schutzmaßnahmen in stark ge- fährdeten Siedlungsbereichen – bis zu 1250 Jahren – so etwa am Niederrhein (siehe den Beitrag von CHBAB et al., 2006, dieses Heft). Für Hochwasser- entlastungsanlagen von Talsperren werden Bemessungshochwässer mit Wiederkehrintervallen von 5000 – so in Österreich – bzw. 1000 und 10 000 Jahren (BHQ1 und BHQ2 nach DIN 19700) benötigt.

Hochwässer dieser Jährlichkeiten sind definitionsgemäß äußerst selten und daher kaum praktisch zu beobach- ten. Bei ihrer Bestimmung muss daher über den Bereich des bisher Beobach- teten hinaus extrapoliert werden. Zu den üblicherweise mit Extrapolatio-

nen verbundenen Unsicherheiten tritt hinzu, dass sich die Abflusspro- zesse gegenüber dem üblicherweise Beobachtbarem unter den Gegeben- heiten eines Extremereignisses stark verändern. Abflussprozesse werden beschleunigt bedingt durch die Nicht- linearität in der Dynamik der Vorgän- ge, es kommt zu einem „Umspringen“

zu schneller ablaufenden Vorgängen.

Andererseits bewirken der Rückhalt in Überschwemmungsgebieten, in Rückhaltebecken und in Speichern

Veränderungen im Ablauf der Hoch- wasserwellen.

Die Vielfältigkeit der Einflüsse auf die Ausbildung von extremen Hoch- wässern legt es nahe, die Ermittlung von Bemessungshochwässern mit gro- ßen Jährlichkeiten nicht auf eine Me- thode allein zu beschränken, sondern mehrere Methoden zu verwenden, die es ermöglichen, auf die verschiedenen Aspekte gezielt einzugehen. Eine Mög- lichkeit dazu bietet der im Folgenden vorgestellte Ansatz.

!BB-EHR3TANDBEINE!NSATZ$ATEN+ONZEPTE-ETHODEN

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Der hier vorgestellte Ansatz ist dem Wesen nach ein „kombinierter“ An- satz, bei dem mehrere Methoden ge- meinsam in Kombination eingesetzt werden. Folgende Merkmale kenn- zeichnen ihn: Die Methoden unter- scheiden sich voneinander; sie bringen einander ergänzende Information ein;

sie nutzen unterschiedliche Daten; sie unterscheiden sich in Hinblick auf Voraussetzungen, Annahmen und Einflussfaktoren. Bezüglich der Da- ten gibt es Unterschiede nach dem Beobachtungselement (hier: Nieder- schlag, Abfluss, …), nach der Beob- achtungsdauer, dem Beobachtungs- umfang und dem Beobachtungszeit- raum sowie nach der zeitlichen und räumlichen Auflösung (Beobachtungs- dichte). Abbildung 1 gibt einen Über- blick über die bei der Bestimmung der Bemessungsabflüsse einsetzbaren Datenformen und die damit verbun- denen Berechnungsmethoden.

Die Ermittlung des Bemessungs- wertes erfolgt auf Basis einer Kom- bination der Ergebnisse nach den verschiedenen Methoden. Je nach Aussagekraft der verfügbaren Daten kann dabei der methodische Rahmen der Kombination von einer einfachen Mittelbildung oder Plausibilitätsab- schätzung bis zur Anwendung von Bayes’schen Methoden reichen, bei denen die mit den einzelnen Ergeb- nissen verbundenen Unsicherheiten in mathematischer Form gegenseitig abgewogen werden. Den Hintergrund

dafür bildet das Wissen, dass mit der Ermittlung eines Schätzwertes nach jeder der Methoden ein je eigener zugehöriger Vertrauensbereich oder

„Unschärfe“-Bereich verbunden ist, dessen Größe von den Eigenschaften und der Güte der einbezogenen Daten- reihe, aber auch von der Eignung und Güte des jeweiligen Modells abhängt.

Vielfach wird es möglich sein, den zu erwartenden Unschärfebereich etwa über Sensitivitätsstudien unter Varia- tion von Eingangsdaten, Annahmen, Modellparametern etc. abzuschätzen.

Geht man davon aus, dass die ermit- telten Schätzwerte und ihre Unsicher- heiten unabhängig voneinander ent- standen sind – was aufgrund ihrer Unterschiede in Eigenart und Kon- zeption berechtigt ist – ist zu erwar- ten, dass der durch Kombination der verschiedenen Ergebnisse abgeleitete Schätzwert zuverlässiger ist als jeder der einzelnen Schätzwerte. Das Ziel der Anwendung des Ansatzes liegt daher (a) einerseits in der Einengung des gesuchten Bemessungswertes im Vergleich zu dem durch die Einzel- schätzungen aufgespannten Rahmen und (b) andererseits in der Reduktion der mit den einzelnen Schätzungen verbundenen Unsicherheit („Un- schärfe“). Die zum Einsatz kommen- den Methoden sind in diesem Sinne die verschiedenen „Standbeine“, auf denen die Ermittlung des gesuchten Bemessungswertes über die Kombina- tion der Einzelschätzwerte aufbaut.

Im folgenden Abschnitt wird die Umsetzung des Konzepts anhand der

Vorgangsweise, die im Rahmen der Ar- beiten am „Leitfaden zur Ermittlung des Bemessungshochwassers für Tal- sperren“ entwickelt wurde, beschrie- ben. Zur Anwendung kommen dabei die folgenden Methoden: (1) Lokale Hochwasserstatistik; (2) Regionale Hochwasserstatistik; (3) Niederschlag- Abfluss-Modellierung; (4) Gradex- Verfahren; (5) Hüllkurven-Verfahren.

Eine Charakterisierung der verschie- denen Methoden nach ihrem Infor- mationsgehalt gibt Tabelle 1.

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, O K A L E ( O C H W A S S E R S T A T I S T I K Liegen Hochwasserabflussdaten von einem Pegel im betrachteten Einzugs- gebiet vor, so bildet die statistische Analyse der Hochwasserscheitel an dieser Pegelstelle den Ausgangspunkt der Untersuchungen. Dies steht im Einklang mit der üblichen Vorgangs- weise zur Ermittlung des HQn. Die Durchführung kann wie üblich unter Verwendung verschiedener Vertei- lungsfunktionen erfolgen (z. B. DVWK 1999b; SCHREIBER, 1970).

Treten in der Datenreihe außeror- dentlich große Maximalwerte auf, so sind diese speziell zu behandeln. In statistischen Auswertungen vielfach als „Ausreißer“ negiert, kommt ihnen in Zusammenhang mit der Bestim- mung extremer Bemessungshoch- wässer spezielle Bedeutung zu. Um Fehleinschätzungen zu vermeiden, sind die Durchflusswerte dieser Aus- reißer gesondert zu prüfen, einerseits in Hinblick auf die Zuverlässigkeit der Messwerte (z. B. NAEF, 2005) und andererseits auf die Einschätzung der Jährlichkeit des Ausreißers durch Ver- gleich mit benachbarten, womöglich längeren Reihen. Konnte ihnen eine Jährlichkeit zugeordnet werden, kön- nen die Werte nach den Methoden zur Einbeziehung von historischen Ereig- nissen in die Berechnung eingebun- den werden (DVWK, 1999b, Anhang A3; GEES, 1997).

Bei der Beurteilung der Ergebnisse ist auf die Aussagekraft der verwende- ten Stichprobe in Hinblick auf große Hochwasserwerte zu achten. Von der Auswertung langer Datenreihen her ist bekannt, dass sich die Schätzwerte bei Verwendung kürzerer Reihen sehr stark unterscheiden können, je nach- dem, ob im betrachteten Zeitfenster große Ereignisse auftraten oder nicht.

4ABELLE-EHR3TANDBEINE!NSATZ)NFORMATIONSGEHALTDEREINBEZOGENEN-ETHODEN

Methode Informationsgehalt Lokale

Hochwasserstatistik

Verhältnisse im betrachteten Gebiet;

bester Aufschluss über Hochwassersituation im Gebiet;

u. U. nur kurze Beobachtungsreihe ohne große bzw. extreme Ereignisse Regionale

Hochwasserstatistik

Datenkollektiv mit längeren Beobachtungsreihen;

mehr Information über größere Ereignisse;

Möglichkeit des Vergleichs zwischen HW-WW Simulation (Größe, Entstehung, Auftreten) unter den unterschiedlichen Bedingungen in den verschiedenen Gebieten

NA N

N -Modellierung Eingehen auf Niederschlagsverhältnisse und die Abflussentstehungs- bedingungen im Gebiet;

Möglichkeit der „Verschärfung“ der Inputs, der Parameter und der Entstehungsbedingungen

Gradex Abschätzverfahren unter maximierenden Annahmen bezüglich der Abflussentstehungsbedingungen …“ aller zusätzlicher Niederschlag A

A

geht in Abfluss über“ bei hohen Niederschlägen

Hüllkurven Bisher beobachtete Extremwerte, sowohl aus näherer als auch weiterer Umgebung;

Möglichkeit des Vergleichs;

Abschätzung des extrem Möglichen unter verschiedenen Verhältnissen;

Möglichkeit der Zuordnung zum betrachteten Gebiet

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2 E G I O N A L E ( O C H W A S S E R S T A T I S T I K

In diesem Verfahrensschritt erfolgt die Schätzung des gesuchten Hochwas- serwertes über eine Auswertung von Hochwasser-Durchfluss-Datenreihen von Stationen außerhalb des Gebietes unter Verwendung von Einzugsgebie- tseigenschaften und Ähnlichkeitsma- ßen auf regionaler Basis.

Die für die verschiedenen Pegel- stellen erhaltenen 5000-jährlichen Abflussspenden werden unter Einbe- ziehung verschiedener Gebietskenn- größen, die Aufschluss über die Ähn- lichkeit im Abflussverhalten geben können, wie z. B. Einzugsgebietsgröße, Niederschlagsregime, Starknieder- schläge, Saisonalität der Hochwässer, Böden, Geologie, Seenanteil, Gewäs- sernetzdichte etc. miteinander vergli- chen und in Hinblick auf die im Un- tersuchungsgebiet vorherrschenden Gegebenheiten interpretiert. Die Ab- schätzung des gesuchten Wertes im Untersuchungsgebiet erfolgt über ent- sprechende Ausgleichslinien oder ge- eignet gewählte Hüllkurven im Hoch- wasserspenden-Diagramm. Daten von hydrologisch ähnlichen Gebieten erhalten stärkeres Gewicht. Bei der Beurteilung auf Ähnlichkeit hin ist die lokale Situation in Hinblick auf Abflussentstehung und Abflusskon- zentration speziell zu bewerten.

Die Beurteilung der hydrolo- gischen Ähnlichkeit in Hinblick auf Klimatologie und Meteorologie kann an Hand von Karten in einschlägigen Atlanten, in Österreich z. B. des Hy- drologischen Atlas von Österreich (HAÖ), erfolgen. Neben Karten zum Niederschlag geben die in HAÖ ent- haltenen Auswertungen zur Saisona- lität der Hochwässer (Auftreten des Jahreshöchstwassers und der drei größten bisher beobachteten Hoch- wässer) wesentlichen Aufschluss über Einflussfaktoren auf die Hochwasser- entstehung in den verschiedenen Ge- bieten (MERZ und BLÖSCHL, 2003).

Geologie, Orographie und Topogra- phie beeinflussen die Art der Abfluss- reaktion.

. I E D E R S C H L A G ! B F L U S S . ! - O D E L L I E R U N G

Die Einbeziehung der Abflusssimula- tion über eine NA-Modellierung soll es ermöglichen, Information über die Charakteristika und das Auftre- ten extremer Niederschlagsereignisse und über die Abflussentstehung im Einzugsgebiet in der Untersuchung zu berücksichtigen. Durch Variation der Annahmen über den Bemessungsnie-

derschlag, über die Abflussparame- ter und den Vorfeuchtezustand des Gebiets können Sensitivitätsstudien durchgeführt werden, die einen Ein- blick in die Veränderung der Bemes- sungswerte je nach Annahme geben und den möglichen Schwankungsbe- reich (inklusive oberer und unterer Grenzbereiche) ergeben. Als Basis für die Abflusssimulation wird ein „Er- eignis“-Typ- -Modell gewählt. Die Be- arbeitungen umfassen die Wahl des Bemessungsniederschlags, die Erstel- lung eines geeigneten Niederschlag- abflussmodells und die Festlegung von Bereichsgrenzen für die Sensitivi- tätsstudien.

"EMESSUNGSNIEDERSCHLAG

Die Wahl des Bemessungsniederschla- ges bildet den kritischen Punkt bei diesem Berechnungsansatz. Die Grö- ße dieses Wertes entscheidet über die Größe des Bemessungshochwassers.

Folgende Aspekte sind in diesem Zu- sammenhang wichtig: (a) die Wahl des Wiederkehrintervalls; (b) die De- finition der maßgebenden meteoro- logischen Situation für das Auftreten von extremen Niederschlägen im be- trachteten Gebiet und (c) die Einbezie- hung aller zur Verfügung stehenden Datenquellen, um die Unsicherheiten in der Schätzung zu reduzieren und den Schätzwert nach Möglichkeit ein- zuengen.

Die Jährlichkeit des Niederschlags wird der in der Ingenieurpraxis häufig getroffenen Annahme folgend als gleich der Jährlichkeit des Abflusses angesetzt. Dies steht in Einklang mit den Vorgaben in mehreren Regelwer- ken, so zum Beispiel in DVWK (1999a) und im Flood Estimation Handbook (FEH, 1999), wo für seltene Ereignisse ebenfalls eine Korrespondenz zwi- schen den beiden Jährlichkeiten aus- gewiesen ist (FEH Vol. 4, Fig. 3.2).

Die Definition des maßgebenden Niederschlags-Typs (konvektiv, advek-- tiv, orographisch verstärkt/gedämpft (Luv-/Lee-Lagen)) liefert bereits we- sentliche Anhaltspunkte zur Wahl der maßgebender Regendauer und die da- bei möglicherweise zu erwartenden In- tensitätsverteilung in Raum und Zeit.

Bei der Abschätzung des Bemes- sungsniederschlags werden in Anwen- dung des Mehr-Standbeine-Ansatzes auch hier mehrere Datenquellen ein- gesetzt, um die Unterschiede im Infor- mationsgehalt zu nutzen. Die Daten können dabei wie folgt charakterisiert werden: (i) Niederschlagsbeobach- tungen im Untersuchungsgebiet – „Was wurde im Gebiet schon beobachtet?“;

(ii) Beobachtungen an Niederschlags- stationen in Nachbargebieten – „Tra- ten in der umgebenden Region ähn- liche, größere Ereignisse auf?“; (iii) Starkniederschlagsangaben auf Regio- nalisierungsbasis – „Welche Werte ergeben sich für die lokale Situation bei gemeinsamer Auswertung über eine größere Region?“ (z. B. Regenrei- hen nach KREPS und SCHIMPF); (iv) Starkniederschlagswerte aus Berech- nungen mit meteorologischen Model- len – „Mit welchen Niederschlägen ist zufolge theoretischer Ansätze zu rech- nen?“ Als Beispiel seien hier die Karten über „Konvektive Starkniederschläge“

nach LORENZ und SKODA (2003) im HAÖ angeführt. (v) Hüllkurven auf Basis von beobachteten Extremwer- ten („Rekordwerte“) – „Wo liegen die oberen Grenzen bei Einbeziehung der unterschiedlichsten meteorologischen Bedingungen?“ (vi) PMP-Schätzungen als Basis für Begrenzungen „nach oben hin“. Die Festlegung des Bemessungs- niederschlags kann dann in Analogie zum Mehr-Standbeine-Ansatz durch gegenseitiges Abwägen der nach den verschiedenen Auswertungen erhal- tenen Werte erfolgen.

Als Beispiel sind in Abb. 2 die ent- sprechenden Auswertungen für ein kleines Einzugsgebiet wiedergegeben.

Abb. 2 (a) enthält die Werte, die sich aus einer Auswertung der lokalen Daten ergaben. Abb. 2 (b) fasst die Er- gebnisse der Unterlagen auf regionaler Basis zusammen, wobei die Werte nach SKODA und LORENZ auf ma- ximierenden Modellberechnungen beruhen. Deutliche Unterschiede er- geben sich sowohl bei Vergleich der beobachteten Extremwerte auf der lokalen bzw. der regionalen Ebene als auch bei Vergleich der Beobachtungen mit den aus Modellrechnungen abge- leiteten maximierten Werten. Bei der Wahl des maßgebenden Wertes ist auf das Zustandekommen, die Daten- grundlage und die Übertragbarkeit der einzelnen Ansätze zu achten. Im konkreten Fall wurde bei den kurzen Dauerstufen den maximierten regio- nalen Werten mehr Gewicht gegeben, bei den längeren Dauerstufen den lokal beobachteten Werten, da kurze Stark- niederschläge im lokalen Messnetz wegen der geringen Stationsdichte nur unzureichend gemessen wurden, für Tagesniederschläge hingegen

T

T mehrere

100-jährige Reihen zur Verfügung standen.

Die zeitliche Verteilung wird in Abstimmung auf den maßgebenden Niederschlagstyp festgelegt. Liegen Starkregenbeobachtungen von großen Ereignissen vor, kann deren Vertei-

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lung als Richtschnur genommen wer- den. Des weiteren können geeignete synthetische Regenganglinien ange- setzt werden.

Die Berücksichtigung der räum- lichen Verteilung der Niederschläge kann über Flächenabminderungsfak- toren erfolgen, die nach dem Nieder- schlagstypus zu unterscheiden sind.

Stehen geeignete Ereignisdaten zur Verfügung, können die Faktoren da- raus abgeleitet werden. Zu Vergleichs- zwecken können in der Literatur ver- öffentlichte Flächenabminderungs- kurven herangezogen werden.

.IEDERSCHLAG!B¾USS-ODELL .!-ODELL

Die Berechnung des Bemessungsab- flusses erfolgt über NA-Modelle auf Ereignisbasis („Ereignismodell“). Der Modelltyp ist frei wählbar. Modelle mit wenigen Parametern haben den Vorteil der einfacheren Modellbil- dung, der robusteren Schätzung der

Parameter und der leichteren Über- prüfung der Modellanpassung an verschiedene Abflusszustände bei ver- schieden großen Ereignissen.

Als Beispiel zeigt Abb. 3 die Struk-kk tur eines Konzeptmodells auf Speicher- basis und Abflussbeiwertansatz mit je einer raschen und einer langsamen Abflusskomponente zur Nachbildung der unterschiedlichen Abflussreaktio- nen des Einzugsgebiets. Zu den vier Parametern der beiden Speicherkas- kaden tritt als fünfter Parameter der Faktor der Belastungsaufteilung zwi- schen den beiden Kaskaden. Wie dem Diagramm zu entnehmen ist, zeigt sich sowohl in den Abflussbeiwerten als auch in der Belastungsaufteilung deutlich die Nichtlinearität der Vor- gänge.

Das Modell ist nach Möglichkeit an Daten aus dem zu untersuchenden Gebiet zu eichen. Sind solche Daten nicht vorhanden, ist das Modell an Abflussdaten aus Nachbargebieten zu eichen und die Modellparameter auf Basis von Analogieschlüssen aus Pa- rameteruntersuchungen zu übertra- gen. Je nach Datenlage kommen dabei verschiedene Methoden zum Ansatz (BLÖSCHL, 2005).

Bei der Bestimmung der Modell- parameter für das Bemessungshoch- wasser ist dem Umstand Rechnung zu tragen, dass sich das Gebietsver- halten bei Übergang von Normal- zu Extremereignissen in der Regel ändert (GUTKNECHT, 1994). Zu erwarten-TT de geänderte Bedingungen gegenüber dem Eichereignis - wie z. B. Verände- rung der zum Abfluss beitragenden Flächen, Verschiebung der Anteile der diversen Abflusskomponenten etc.

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!BB.ACHBILDUNGDER.ICHTLINEARITiTINDEN!BFLUSSPROZESSENINEINEMEINFACHEN!BFLUSSMODELL

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– sind in geeigneter Weise zu berück- sichtigen. Im Falle des Vorliegens ent- sprechender Niederschlags- und Ab- flussdaten sind unterschiedlich große Ereignisse in die Untersuchung ein- zubeziehen. Damit können die Verän- derungen im Modellverhalten und in den Modellparametern bei Übergang zu großen und zu extremen Ereignis- sen dokumentiert werden.

Fehlen entsprechend aussagekräf- tige Beobachtungsdaten, so können die Ergebnisse von Regionalisierungsstu- dien über mehrere hundert Einzugsge- biete in Österreich (MERZ et al., 2006) als Grundlage für Abschätzungen des Abflussbeiwertes herangezogen wer- den. Die Auswertungen zeigen im regionalen Vergleich den großen Ein- fluss der Saisonalität der Wasserbilanz auf die Größe und Verteilung des Ab- flussbeiwerts in einem Gebiet auf.

In Sensitivitätsstudien werden die Parameter (Abflussbeiwert o. ä.) sowie der Bemessungsniederschlag (Dauer und zeitliche Verteilung) variiert, um deren Einflüsse „sichtbar“ zu machen.

Daraus kann ein plausibler Wertebe- reich – bei zusätzlicher Berücksich- tigung größerer Niederschlagshöhen auch eine obere Grenze – für das Be- messungshochwasser abgeleitet wer- den, der den Unschärfebereich der Schätzung des Bemessungshochwas- serwertes wiedergibt.

' R A D E X - E T H O D E

Die Grundidee des Gradex-Verfah- rens besteht in der Kombination einer Niederschlagstatistik mit einem de- terministischen Niederschlag-Abfluss- modell und einer Hochwasserstatistik (MERZ et al., 1999). Als Eingangsgrö- ßen dienen die Jahresreihe beobachte- ter Hochwasserscheitel für das gege- bene Gebiet; eine Jahresreihe beob- achteter maximaler jährlicher Nieder- schläge der Dauer H für eine für dasH Gebiet repräsentative Station; der Flä- chenabminderungsfaktor für den Nie- derschlag; ein die zeitliche Dynamik der Gebietsreaktion und die zeitliche Dynamik hochwasserauslösender Niederschläge beschreibender Para- meter r; und die Jährlichkeit Tg, ab dergg Sättigung des Gebietes angenommen werden kann. Die Bezugsdauer H istH womöglich in der gleichen Größen- ordnung wie die Konzentrationszeit des Gebietes zu wählen, doch kann auch näherungsweise eine Bezugs- dauer von H= 24 Stunden gewählt werden, um Reihen maximaler Tages- niederschläge verwenden zu können.

Der Parameter rrist durch Auswertung beobachteter Abflusswellen des Un-

tersuchungsgebietes zu bestimmen, und zwar als das Verhältnis zwischen dem Scheitelabfluss und dem mittle- ren Abfluss über die Dauer H, wobeiHH er besonders auf große Ereignisse ab- gestimmt wird. Die Jährlichkeit Tg wird auf Basis einer hydrologischen Einschätzung des Gebietes gewählt.

Der Vorteil des Gradex-Verfahrens gegenüber der Hochwasserstatistik alleine besteht darin, dass für die klei- nen Auftretenswahrscheinlichkeiten zusätzliche Information aus dem Nie- derschlag verwendet wird, für den oft längere Reihen als für den Abfluss zur Verfügung stehen.

( ~ L L K U R V E N

Hüllkurven stellen ein schon früh ver- wendetes und bewährtes Instrument der Ingenieurpraxis dar. Sie begren- zen definitionsgemäß die bisher be-

obachteten höchsten Hochwasser- scheitelabflüsse in der betrachteten Region und stellen nach VISCHER (1980) einen „empirischen Grenz- wert“ dar. Die Aussagekraft einer sol- chen Hüllkurve hängt dabei sehr stark davon ab, ob in den die Grenzkurve bestimmenden Höchstwerten auch tatsächlich Werte von außerordent- lichen, extremen Ereignissen enthal- ten sind. Dies kann umso eher erwar- tet werden, je länger die Datenreihen sind und je größer die betrachtete Re- gion ist. Zu beachten ist dabei jedoch, dass außerordentlich große Ereignisse vielfach in Clustern von einigen we- nigen „Extrem-Jahren“ auftreten und dann für lange Zeit nicht mehr. Bei- spiele sind dafür die Extremereignisse der letzten Jahre, aber auch Gruppen von Hochwasserjahren in der Vergan- genheit wie etwa die Jahre 1965/66 mit außerordentlich großen Hochwässern

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"ASISF~RDIE7AHLDES"EMESSUNGSHOCHWASSERSF~RZWEI'EBIETE)NDERUNTEREN'RAFIKZEIGTDIE&ORM DER3YMBOLEDIE2EIHENLiNGEAN

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in Kärnten oder die Jahre 1954 bis 1959 und 1897 bis 1899 im österreichischen Donaueinzugsgebiet. Die Hüllkurve kann daher nur dann wirklich Infor- mation über extreme Ereignisse bie- ten, wenn Werte aus solchen Hoch- wasserjahren dafür die Basis sind.

Eine Sichtung und Bewertung des Basismaterials ist daher ein notwen- diger Bestandteil einer Anwendung der Methode. Eine Hilfestellung kann dabei der Vergleich mit den in der Li- teratur gegebenen Hüllkurven bieten.

Neuere Entwicklungen versuchen, die im Hüllkurven-Verfahren steckende Information auch methodisch-sta- tistisch zu erfassen (CASTELLARIN et al., 2005).

'EGEN~BERSTELLUNGDER"ERECH NUNGSERGEBNISSEUND&ESTLEGUNGDES

"EMESSUNGSHOCHWASSERS

Die Ergebnisse werden zum Vergleich in einem Diagramm dargestellt, wobei der Scheiteldurchfluss gegen die Jähr- lichkeit oder die Scheiteldurchfluss- spende gegen die Einzugsgebietsfläche aufgetragen wird. Als Maß für die Unschärfe der erhaltenen Schätzwerte werden die aus den Berechnungen nach den einzelnen Methoden erhal- tenen Streubereiche in die Bewertung eingeführt

Abbildung 4 zeigt die Ergebnisse zweier Bearbeitungen nach diesem Ansatz. In beiden Fällen handelt es sich um die Ermittlung des HQ5000 als Bemessungshochwasser für eine Talsperren-Hochwasserentlastungs- anlage. Je nach Datenlage zeigen sich Unterschiede in den Unsicherheits- bereichen der verschiedenen Schät- zungen und auch in der gegenseitigen Lage der Einzel-Schätzwerte. Die re- lativ geringe Spannweite in den mit- tels Sensitivitätsanalyse berechneten Schwankungsbereichen der NA-Simu- lationen ist auf die Ausrichtung der Berechnung auf den ungünstigsten Fall unter Berücksichtigung der See- retention des Stauraumes zurückzu- führen. Die endgültige Festlegung des Bemessungshochwassers erfolgt unter Verwendung der aufbereiteten Infor- mation und unter Bedachtnahme auf die anderen Entscheidungsgrundlagen (Anlageverhältnisse, Stauraumbewirt- schaftung etc.).

Im Beispiel der Abb. 4 oben waren, wegen der im Vergleich zu den Pegeln viel kleineren Einzugsgebietfläche der

Sperre, die regionalen Verfahren nur ein grober Anhaltspunkt. Dies war einer der Aspekte, die dazu führten, dass bei der Zusammenschau der Me- thoden ein Bemessungswert gewählt wurde, der im oberen Bereich der regionalen Trendlinie, etwa um den wahrscheinlichsten Wert der Nieder- schlag-Abflusssimulationen, lag. Im Beispiel der Abb. 4 unten zeigten die Niederschlag-Abf lusssimulationen, dass das Einzugsgebiet der Sperre im Vergleich zu den Nachbargebieten eine deutlich gedämpftere Abflussreaktion besitzt. Das ist eine Information, die sich nicht direkt aus den anderen Me- thoden ableiten lässt. Die gedämpftere Reaktion entspricht kleineren Schei- teldurchflüssen. Dies war einer der Aspekte, die dazu führten, dass im Zusammenschau der Methoden ein Bemessungswert gewählt wurde, der unter den regionalen Werten lag.

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Die Grundidee des Mehr-Standbeine- Ansatzes, einen gewissen Schätzwert auf verschiedene Weise und nach ver- schiedenen Methoden herzuleiten, ist nicht neu. So zählt es zur langjährigen Praxis des Hydrographischen Diens- tes in Österreich, „die Schwächen einer rein statistischen Berechnung durch Anwendung anderer Methoden zu mildern“ (GODINA, 1998), wozu u. a. der Einsatz der NA-Modellierung und die Plausibilitätsprüfung anhand von Hüllkurven im Hochwasserspen- den-Diagramm zählen. Die Weiter- entwicklung im Bereich der Model- lierung sowie die Verbesserung und Verbreiterung der Datenbasis machen es darüber hinaus heute möglich, dieses Grundkonzept konsequent im Rahmen der Planung einzusetzen.

Die Zielsetzung verlagert sich dabei schwerpunktsmäßig von der reinen Plausibilitätsprüfung zur quantita- tiven Eingrenzung der Unsicherheiten bei der Ermittlung des gesuchten Ex- trembemessungsabflusses. Ansätze dazu sind z. B. bereits in den Arbei- ten von WOOD and RODRIGUEZ- ITURBE (1974) und KIRNBAUER (1981) zu finden, wobei in letzterer Arbeit lokale Hochwasserstatistik und regionale Information bzw. ExpertIn- nenwissen mittels des Bayes’schen Ab- satzes kombiniert werden.

Mit dieser Neuausrichtung wird

auch den gestiegenen Ansprüchen an das Sicherheitsbedürfnis, oder ge- nauer formuliert, an die Ausweisung des Restrisikos entsprochen. Die Ent- wicklung in diese Richtung lässt sich durch eine ganze Reihe von Arbeiten aus jüngster Zeit belegen. So wenden CHBAB et al. (2006) eine Kombination von „normaler“ Hochwasserstatistik und von mittels Monte Carlo-Simula- tion abgeleiteter Hochwasserstatistik zur Bestimmung des HQ1250 für den Niederrhein an. Arbeiten zur Definiti- on von Extremszenarien (MERZ und THIEKEN, 2005), zur Verbesserung der Hochwasserstatistik (NAEF, 2005) sowie zur Untersuchung des Ein- flusses der Nicht-Stationarität auf die Entwicklung der Hochwasser-Situa- tion (BARDOSSY, 2005) streben das Ziel durch Kombination von Untersu- chungsmethoden an. Ein verstärkter Einsatz dieses Konzeptes in der Zu- kunft zeichnet sich ab.

Für den wissenschaftlichen Bereich ergibt sich daraus die Forderung nach einer Weiterentwicklung und Verbes- serung der Methoden. Möglichkeiten in dieser Richtung zeichnen sich im Bereich der Anwendung der Monte- Carlo-Simulation zur Entwicklung

„abgeleiteter“ Verteilungsfunktionen ab (SIVAPALAN et al., 2005). Ver- besserungsmöglichkeiten liegen hier u. a. in der zutreffenden Modellierung der komplexen Zusammenhänge zwi- schen Ereignis- und Vor-Ereignis-Be- dingungen, aber auch in der Generie- rung der auslösenden Niederschläge, wobei die Untersuchungsrichtung auf die Erfassung der raum-zeitlichen Verhältnisse insbesondere in größeren Einzugsgebieten abzielt.

Eine wesentliche Voraussetzung für eine künftige Weiterentwicklung ist aber auch eine Verbesserung der Informationsbasis über Extremereig- nisse, um die theoretischen Arbeiten durch Beobachtungen entsprechend absichern zu können. Die derzei- tigen Kenntnisse über Entstehungs- bedingungen, Abläufe und Phäno- mene bei Extremereignissen gehen auf vereinzelte Analysen zurück. Ein Forschungsprogramm zur systemati- schen Sammlung, Aufbereitung und Auswertung von Beobachtungen bei Extremereignissen könnte hier eine verbesserte Grundlage für künftige Bemessungs- und Risikomanage- mentaufgaben liefern.

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