Bestimmung regionaler Hochwässer mit großen Jährlichkeiten

Abstract

Extreme Hochwasserereignisse haben die Menschheit seit jeher immer wieder hart getroffen und enorme Schäden verursacht. Um technische Hochwasserschutzanlagen zu dimensionieren und die Ziele des Hochwasserschutzes zu erfüllen, werden Bemessungswerte von Hochwässern bestimmter Jährlichkeiten benötigt. Die Extrapolation beobachteter Abflusszeitreihen und eine darauf basierende Ableitung von Hochwässern großer Jährlichkeiten ist insbesondere bei kurzen Messreihen der Abflüsse mit großen Unsicherheiten verbunden. Ziel der vorliegenden Diplomarbeit ist eine Untersuchung der regionalen Variabilität von Hochwässern mit großen Jährlichkeiten in Österreich. Die gewählte Methodik beinhaltet eine kombinierte, deterministisch-probabilistische Herangehensweise. Für eine Vielzahl an Flusseinzugsgebieten (EZG) werden Hochwasserabflüsse großer Jährlichkeiten (HQ100, HQ200, HQ500, HQ1000) bestimmt. Dies ermöglicht eine Einschätzung des Bemessungshochwassers für Regionen mit unterschiedlichen hochwasserauslösenden Prozessen. Die gewählte Methodik beinhaltet die folgenden Arbeitsschritte: (1) Definition eines Ähnlichkeitskriteriums, um die repräsentativste Niederschlags- und Lufttemperaturmessstation für jedes EZG auszuwählen, (2) Modellkalibrierung und Modellvalidierung eines hydrologischen Konzeptmodells (TUW-Modell) unter Verwendung der beobachteten meteorologischen Daten für den Zeitraum 1990 bis 2010 der unter Schritt 1 ausgewählten Messstationen sowie zweier verschiedener Zielfunktionen, (3) Generierung von langen Niederschlags- und Lufttemperaturzeitreihen (10 000 Jahre) unter Anwendung eines stochastischen Wettergenerators, (4) Simulation von Abflusszeitreihen mithilfe der stochastisch generierten Daten und der unter Schritt 2 bestimmten Modellparameter, (5) Bestimmung und Einschätzung von Hochwasserwerten unterschiedlicher Jährlichkeiten und Regionalisierung für das österreichische Gewässernetz unter Anwendung des Topkriging-Ansatzes. Die Ergebnisse der Niederschlags-Abfluss-Modellierung zeigen für die Kalibrierungs- und Validierungsperiode eine gute Simulation des täglichen Abflusses für 150 der 213 betrachteten EZG. Die Nash-Sutcliffe-Modelleffizienz (NSE) und der Volumenfehler (VE) liegen im Bereich von 0.50 bis 0.90 und -0.37 bis 0.28. Für die alpinen Regionen Österreichs werden die höchsten Werte der NSE ermittelt, die geringstenWerte der NSE finden sich in den flachen Regionen Ostösterreichs. Die Auswertung des VE zeigt sowohl für die Kalibrierung als auch Validierung des Niederschlags- Abfluss-Modells und insbesondere für den Alpenraum Österreichs einen leichten simulierten Wasserunterschuss. Ein visueller Vergleich der simulierten und beobachteten Abflussganglinien zeigt, dass die Simulationen manche Abflussspitzen der Beobachtungen unterschätzen. Die abgeleiteten Hochwasserwahrscheinlichkeitskurven werden durch die im Zuge der Modellkalibrierung gewählte Zielfunktion beeinflusst. Während die Simulationen der auf der Formulierung des NSE basierenden Zielfunktion zu einer Unterschätzung der beobachteten Hochwässer neigen, liefert die als Linearkombination der Wurzel aus dem gemittelten Fehlerquadrat der Tagesabflüsse und der Spitzenabflüsse definierte Zielfunktion für den Großteil der betrachteten EZG plausible Ergebnisse. Große EZG (> 1000 km2), EZG mit einer geringen mittleren Einzugsgebietshöhe (< 500 m.ü.A.) und EZG der Region Gurktal - welche durch langgestreckte, glatte Abflussganglinien, stark durchlässigen Untergrund und das Auftreten von Sommer- und Herbsthochwässern gekennzeichnet sind - weisen die geringste Abweichung zwischen beobachteter und simulierter Hochwasserspende auf. Die Auswertung der regionalen Variabilität der berechneten Hochwasserwerte zeigt, dass die höchsten Werte der normierten Hochwasserspende im Bregenzerwald auftreten und sich die kleinsten Werte im Osten Österreichs in den Regionen des Weinviertels und nördlichen Burgenlandes finden.

Extreme floods have always affected humankind and caused catastrophic amount of damage. In order to dimension flood protection systems and ensure flood prevention, one needs design values of flood discharges with certain return periods. Short records of flood observations generally result in uncertain and less accurate extrapolation of flood frequency curves and thus are the limiting factor when it comes to the estimation of runoff design values with large return periods. The main objective of this diploma thesis is to evaluate the regional variability of flood design discharges with large return periods in Austria. The methodology is based on a combination of deterministic and probabilistic approaches. Flood discharges of large return periods (i.e. HQ100, HQ200, HQ500, HQ1000) are estimated for a large number of catchments in Austria, which allows the assessment of design floods in regions with different flood-generating mechanisms. The methodology consists of: (1) defining a similarity criterion to identify the most representative precipitation and temperature measuring station for each catchment, (2) calibration and validation of a conceptual hydrological model (TUW-Model) by using observations of the selected measurement stations in the period from 1990 to 2010 and applying two different objective functions, (3) generation of long time series, i.e. 10 000 years of daily precipitation and air temperature by using a stochastic weather generator, (4) simulating daily discharge by using stochastically generated rainfall and air temperature as well as model parameters defined within the second process step, (5) estimation and evaluation of design floods with various return periods and regionalisation of the results over the river network of Austria by using the topkriging approach. The results show accurate model simulations of daily discharge in 150 of the 213 considered catchments in both calibration and validation periods. The runoff model efficiency (i.e. Nash- Sutcliffe efficiency) ranges between 0.50 and 0.90, the volume error varies between -0.37 and 0.28. While runoff model efficiency is larger in the alpine regions, it is somewhat lower in the lowlands in the eastern part of Austria. Evaluation of volume error indicates slight underestimation of runoff especially in higher altitudes in the calibration and validation period. A visual comparison between observed and simulated discharge hydrographs shows a slight tendency of the simulations to underestimate some of the observed flood peaks. The estimation of flood frequency curves is sensitive to the objective function used for model calibration. The simulations based on calibration that uses Nash-Sutcliffe efficiency as the objective function tend to underestimate the observed floods. The simulations based on calibration that uses a combination of root mean square error of daily discharges and peaks provides more realistic results for the majority of analysed catchments. The most accurate flood specific discharges are estimated in larger catchments (i.e. size larger than 1000 km2), lower located catchments (i.e. with mean catchment elevation lower than 500 m a.s.l.) and catchments from the „Gurktal“ region, which is characterised by smooth, elongated hydrographs, strongly permeable rocks and flood occurance in summer and autumn. The evaluation of regional variability of the design floods shows that the highest specific flood discharges are estimated in the „Bregenzerwald“, the lowest are found in the eastern regions of Austria as well as in the regions of „Weinviertel“ and northern „Burgenland“.