Buttinger-Kreuzhuber, A. (2021). Accurate and fast hydrodynamic modeling of fluvial and pluvial floods at large scales [Dissertation, Technische Universität Wien]. reposiTUm. https://doi.org/10.34726/hss.2021.94420
Floods are the most costly natural disaster worldwide, causing significant socioeconomic losses. There is a growing concern that floods are increasing in frequency and magnitude due to climate change. In order to mitigate the disastrous consequences,flood management agencies, regional planners, and insurance companiesrely on an accurate modeling of in undated areas. The reliability of large-scale floodhazard maps, which show the probability of flooding at a specific location within a certain time period, is of key importance. Previous large-scale studies show limitations in terms of accuracy and local relevance in the delineated in undation maps.The aim of this thesis is to develop accurate and efficient methods for fluvial and pluvial flood hazard assessment at large scales.In a first step, the focus is on the numerical scheme for solving the instationary two-dimensional shallow water equations (SWEs). In the SWEs, the bed sourceterm accounts for the gravitational acceleration due to a sloped bed. In finite volume methods, the treatment of discontinuities in the bed source term across cellinter faces is challenging. To address this issue, a second-order accurate scheme is developed based on a recently introduced first-order accurate scheme. The novelscheme involves a specialized reconstruction of water levels and bed levels enablingan accurate resolution of shallow flows over abruptly changing bed topography. The scheme’s accuracy is verified with analytical solutions in several Riemann problems and the parabolic basin test case, and it is shown to out perform previous schemes.The scheme is also validated on historic flood events in Malpasset, France, and Lobau, Austria, showing good agreement between simulated and observed waterlevel records.Second, the presented second-order scheme is applied in an inundation modeling framework for Austria at a resolution of 2 m. Given an arbitrary tiling of the region of interest, the framework automatically sets up boundary conditions and executes the hydraulic simulation. For an efficient simulation, discharges are adjusted along the 33,880 km long stream network to maintain the prescribed flood probabilities. Incombination with a parallelized implementation running on 10 graphics processingunits (GPUs), the delineation of an inundated area of 3500 km2 for a 100-year floodtakes less than a month. The approach shows good agreement between simulated and measured data at stream gauges, as well as between simulated in undated areas and local flood hazard maps, achieving a critical success index (CSI) score of 0.7.Third, an integrated modeling framework is proposed that accounts for processes relevant for flash floods. Interception and infiltration is modeled in a time-dependent,spatially distributed way. For urban scenarios, the surface flow is coupled with these wer network in an interleaved way, which allows parallel time-stepping. Except for the sewer network simulation, all models are implemented on a GPU, resulting in runtimes up to 1000 times faster than a sequential execution on a central processing unit (CPU) core. For rainfall–run off modeling, the first-order accurate scheme at ahig her resolution is more efficient than the novel second-order accurate scheme at a lower resolution. The coupled model is able to accurately simulate areas of up to 200 km2 with a resolution of 1 m.Overall, this thesis contributes to current research on large-scale flood hazardmapping through innovative methods with enhanced accuracy and computational efficiency.
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Hochwässer verursachen erhebliche sozioökonomische Kosten und sind die teuerste Naturkatastrophe weltweit. Infolge des Klimawandels steigt die Besorgnis, dass diese Extremereignisse an Häufigkeit und Intensität zunehmen. Um deren negative Konsequenzen zu vermindern, ist für Hochwasserschutzdienste, Raumplanungsbehörden und Versicherungen die genaue und flächendeckende Kenntnis möglicher Überflutungsflächen wichtig. Überflutungsflächen geben die mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit in einem gewissen Zeitraum überschwemmten Teile der Landschaft an. Großskalige Berechnungen von Überflutungsflächen wiesen bisher hinsichtlich ihrer Rechengenauigkeit und der Berücksichtigung lokaler Effekte Einschränkungen auf. Das Ziel dieser Arbeit ist es, genaue und effiziente Methoden zur flächendeckenden Ausweisung der Überflutungsgefahr von Flusshochwässern und Starkregenereignissen zu entwickeln.Im ersten Teil der Arbeit liegt der Fokus auf der Entwicklung eines numerischen Schemas für die Lösung der zeitabhängigen zweidimensionalen Flachwassergleichungen.Bei der Methode der finiten Volumen ist die Behandlung von Unstetigkeiten im Quellterm der Flachwassergleichungen an den Zellrändern herausfordernd. Dieser Quellterm berücksichtigt die Beschleunigung des Fluids auf einer geneigten Fläche aufgrund der Erdanziehungskraft. Um eine steile und sich abrupt verändernde Topographienumerisch zuverlässig zu behandeln, wird eine spezielle Rekonstruktionder Wasserstände und der Bodentopographie eingeführt und in ein neu entwickeltesRechenschema zweiter Ordnung integriert. Die Genauigkeit des Schemas wird an Riemannproblemen und dem Testproblem “parabolisches Becken” verifiziert. Fürhistorische Ereignisse in Malpasset, Frankreich, und in der Lobau, Österreich, gibt es eine gute Übereinstimmung zwischen simulierten und gemessenen Wasserständen.Das neue Rechenschema weist eine größere Genauigkeit bei kürzeren oder ähnlichen Rechenzeiten als vorangegangene Schemata auf.Im zweiten Teil der Arbeit wird das entwickelte Rechenschema in einem Framework zur Berechnung von Überflutungsflächen mit einer Auflösung von 2 m fürganz Österreich angewandt. Das Framework berechnet sowohl Randbedingungen als auch Überflutungsflächen vollautomatisch unter der Voraussetzung, dass das Gebiet bereits in Rechenkacheln unterteilt wurde. Die Durchflüsse werden entlang des 33 880 km langen Flussnetzes angepasst, um die vorgegebene Jährlichkeit des Ereignisses (z.B. 100 Jahre) zu erhalten. Die Einführung dieser effizienten Methode und eine hochgradig parallelisierte Implementierung auf 10 Grafikkarten (GPUs) resultiert in einer Rechenzeit von weniger als einem Monat für 3 500 km2 an Überflutungsflächen in Österreich für ein 100-jährliches Hochwasser. Das Modell weist eine gute Übereinstimmung zwischen gemessenen und simulierten Wasserstands–Durchfluss–Beziehungen an Flusspegeln sowie zwischen lokalen Gefahrenzonen (GFZ) und simulierten Überflutungsflächen (Critical Success Index von 0.7) auf. Im dritten Teil der Arbeit wird das entwickelte Schema mit numerischen Modellen zur Beschreibung der hydrologischen Prozesse bei Starkregen gekoppelt. Zum Beispiel werden Versickerung und Wasserrückhalt durch die Vegetation mit räumlich verteilten, zeitabhängigen Modellen beschrieben. Für urbane Gebiete wird die Simulation des Oberflächenabflusses mit einer Kanalnetzsimulation gekoppelt. Die Simulationen laufen innerhalb eines Kopplungsschrittes parallel, wodurch schnellere Rechenzeiten erzielt werden. Mit Ausnahme der Kanalnetzsimulation werden die Rechenmodelle auf GPUs implementiert, sodass eine über tausendfache Beschleunigung im Vergleich zu einem einzigen CPU Kern erreicht wird. Für die Simulation von Starkregen ist die Verwendung des Rechenschemas erster Ordnung bei höherer Auflösung gegenüber dem Schema zweiter Ordnung bei niedriger Auflösungzu bevorzugen. Das gekoppelte Modell ermöglicht die genaue Simulation der Überflutungsflächenvon bis zu 200 km2 großen urbanen Gebieten mit einer Auflösung von 1 m.Diese Arbeit trägt durch innovative Ansätze, welche eine verbesserte Genauigkeit und eine gesteigerte rechnerische Effizienz bieten, zur Forschung in der großskaligen hydrodynamischen Modellierung von Hochwassergefahren bei.