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Erhöhung der Bauwerkssicherheit und Reduktion des Hochwasserrisikos im Unterlauf durch optimierte Speicher- und Poldersteuerung unter Berücksichtigung ökologischer Belange, Teilprojekt 1

Einleitung: Das Vorhaben ist ein Verbundprojekt zwischen der TU Dresden und der TU Darmstadt. Das Thema betrifft vornehmlich den Arbeitsbereich Technischer Hochwasserschutz und integrierte Bewirtschaftung von Talsperren und Poldern, berührt aber auch mehrfach den Bereich für Integrierte Konzepte für das Hochwassermanagement. In diesem Zusammenhang behandelt das Projekt die Integration von Werkzeugen, die zu verbesserten Hochwasserwarnsystemen und Hochwassermanagementkonzepten auf der Ebene von Flussgebieten führen. Zielsetzung: Verbesserung der Instrumente für die Analyse, Bewertung und Bewältigung von Hochwasserrisiken. Integration des Hochwasserrisikomanagements in das Flussgebietsmanagement. Ausarbeitung beispielhafter integrative Konzepte mit den beiden Hauptelementen Hochwasservorsorge und Hochwasserbewältigung. Inhalt: Der Fokus liegt auf einer Reduktion des Hochwasserrisikos an Flüssen sowohl im Hinblick der Versagenswahrscheinlichkeit der betroffenen Bauwerke als auch der Schädigung von Nutzungen im Unterlauf von Speichern durch die verbesserte, modellgestützte Steuerung von Speichern und Poldern bezüglich auf Betriebsregeln und auf eine Echtzeitsteuerung im Hochwasserfall. Der Risikobegriff umfasst dabei die hydraulisch/hydrologische Bauwerkssicherheit der Speicher und das Hochwasserrisiko entlang der Unterläufe. Dabei ist eine Nebenbedingung die möglichst uneingeschränkte Aufrechterhaltung bestehender Nutzungen sowie die Erhaltung und Verbesserung der ökologischen Bedingungen im Speicherraum und in den Flusskorridoren. Die betrachteten Einzugsgebiete sind die Einzugsgebiete von Speichern, meistens im Mittelgebirge mit ihren Unterläufen, häufig meist im Übergangsbereich zu den flachen Auen bis zum nächsten Zufluss in ein schiffbares Gewässer, d.h. Gebiete bis ca. 2000 km , die in der Verantwortung von Betreiberorganisationen liegen. Damit soll der Übergang von einer teilweise emotional geführten Diskussion des Beitrags der Talsperren zum integrierten Hochwasserschutz zu einer möglichst objektiven optimalen Abwägung zwischen verschiedenen Nutzungen erreicht werden, die wissenschaftlich abgesichert ist. Untersuchungsgebiete, Einzugsgebiet der oberen Ruhr (Nordrhein-Westfalen), Einzugsgebiete von Müglitz und Weißeritz (Freistaat Sachsen).

HORIX - Entwicklung eines operationell einsetzbaren Expertensystems zum Hochwasserrisikomanagement unter Berücksichtigung der Vorhersageunsicherheit, Bestimmung von Extremniederschlägen für kleine und mittlere Einzugsgebiete in Mittelgebirgen in Echtzeit mit erhöhter Redundanz (EXTRA) - Teilprojekt C: Integration der Boden- und Satellitendaten für den Einsatz in einem operationellen Analyse- und Entscheidungswerkzeuges - Teilprojekt B: Statistische Analyse der Ombrometerdaten

Das Hauptziel des Projektes EXTRA ist die Entwicklung eines operationell, orts-unabhängig einsetzbaren Werkzeuges zur Bestimmung von zeitlich (15-minütig) und räumlich (von mehreren km2 bis zu 1 km2) hochaufgelösten Extremniederschlägen im sächsischen Mittelgebirgsraum und oberen Donaugebiet als Ziel- bzw. Testgebiet. Methoden: 1. Informationsmaximierung: Durch Informationsmaximierung aus allen zu einem bestimmten Zeitpunkt zur Verfügung stehenden Daten (konventionelle Niederschlagsdaten, Radar und Satellit) soll die Auflösung und die Zuverlässigkeit von Niederschlagsmessungen deutlich verbessert werden. 2. Erhöhung der Redundanz: Durch die Anwendung unterschiedlicher Messmethoden und Verfahren der Niederschlagsstatistik wird eine hohe Redundanz erreicht, die es erlaubt, auch bei Extremereignissen die räumliche und zeitliche Auflösung der Niederschlagsfelder inklusive ihrer Unsicherheiten zu bestimmen. Arbeitsaufgaben Teilprojekt B: 1. Entwicklung eines operationellen Prüftools zur Bestimmung der Qualität der Online-Niederschlagsdaten. 2. Messnetzerweiterung : aktuell für Sachsen: 22 Landesombrometer + ca. 30 Ombrometer des DWD (Inbetriebnahme der Messstationen bis Ende 2006); zukünftig: Einbindung notwendiger und noch nicht lokalisierter Ombrometer. 3. Analyse der räumlichen Variabilität der Niederschlagsstrukturen orographischen Effekte. Arbeitsaufgaben Teilprojekt C: 1. Konzeption und Entwicklung eines Analyse- und Entscheidungswerkzeug für die Echtzeit-Diagnose extremer Niederschlagsereignisse auf einer JAVA-basierten Programmoberfläche. 2. Datenintegration (Satellit, Radar, Ombrometer, Datenbank). 3. Test des operationellen Entscheidungswerkzeuges. 4. Installation des Analysewerkzeuges beim zukünftigen operationellen Nutzer, z.B. LfUG , DWD, OpAQue.

Veränderungen und Management der Risiken extremer Hochwasserereignisse in großen Flußgebieten - am Beispiel der Elbe (VERIS-Elbe), Analyse und Bewertung von Hochwasserschäden und Retentionsräume / Szenarios des Hochwasserrisikomanagement

Im Verbundvorhaben VERIS werden Veränderungen von Risiken durch extreme Hochwasserereignisse in großen Flussgebieten und Möglichkeiten ihres integrierten Managements untersucht. Fallbeispiel ist das transnationale Einzugsgebiet der Elbe mit vertiefender Betrachtung der Hochwasserrisiken entlang des deutschen Elbelaufs. Hochwassergefahr, Vulnerabilität und Schadensentstehung werden auf der Makroskala raum-zeitlich hoch auflösend simuliert. Dabei finden speziell der mittelfristige Klimawandel und der Wandel der Flächennutzungen in den Flussauen bis zum Jahr 2055 Berücksichtigung. Darauf aufbauend werden wasserwirtschaftliche, bauliche sowie raumplanerische Handlungsoptionen konzipiert und im Hinblick auf ihre Wirksamkeit und Effizienz analysiert. Abschließend erfolgt eine multikriterielle Bewertung von Risiken und Maßnahmen. Forschungsfragen: - Wie können die Risiken extremer Hochwasser auf der Skala großer Flussgebiete ganzheitlich und raum-zeitlich hoch auflösend simuliert werden? (Methodologie); - Wie ändern sich die Hochwassergefahr, die Vulnerabilität und die Schadens-potenziale durch sich ändernde natur- räumliche und gesellschaftliche Rahmenbedingungen sowie strategische Handlungsalternativen? (Wirkungsanalyse); - Welche ökonomische, soziale und ökologische Effektivität und vergleichende Effizienz weisen die Handlungsalternativen auf und mit welchen Instrumenten können sie umgesetzt werden? (Bewertung, Umsetzungsinstrumente). Methodischer Ansatz: Durch den komplexen Forschungsgegenstand wird der Untersuchungsansatz von VERIS durch zwei Dimensionen der Integration bestimmt: Zum einen erfolgt eine Kopplung disziplinärer Modelle zu einem Modellsystem des Hochwasserrisikomanagements. Zum anderen stehen die Ergebnisse der Modellsimulationen in einem planerischen Zusammenhang, der von der ex post-Analyse über die Kombination von Entwicklungstrends Handlungsalternativen zu qualitativ-quantitativen und Handlungsalternativen zu Szenarios bis zu deren ex ante-Analyse, multikriteriellen Bewertung sowie Instrumenten der Umsetzung reicht. Teilaufgaben: Das Vorhaben gliedert sich in 6 Teilaufgaben mit spezifischen Arbeitspaketen: - Integration, Koordination, Kommunikation; - Aufbau und Kopplung der Hochwassermodelle; - Aufbau des simulationsfähigen Schadensmodells; - Länderübergreifende multikriterielle Analyse der Retentionspotenziale; - Konzeption von Szenarios zu extremen Hochwasserrisiken; - Ex ante-Analyse und Bewertung der Hochwasserrisiken der Szenarios. Verwertung: VERIS ist auf die Bereitstellung von allgemeingültigen Erkenntnissen und Methoden ausgerichtet, mit denen die Hochwasserrisiken in ihren flussgebietsbezogenen Zusammenhängen und in ihrer zeitlichen Dynamik beschrieben werden können. Außerdem soll die Wirksamkeit von Vorsorgemaßnahmen belastbar abgeschätzt werden können. usw.

Koordinierung der BMBF-Förderaktivität 'Risikomanagement extremer Hochwasserereignisse' (RIMAX)

Ziel des Koordinationsvorhabens der BMBF-Förderaktivität 'Risikomanagement extremer Hochwasserereignisse' ist es, die Förderaktivität in Absprache mit dem BMBF und den Projektträgern inhaltlich und organisatorisch zu begleiten, Synergieeffekte aus nationalen und europäischen Forschungsaktivitäten herzustellen sowie das Programm und seine Ergebnisse in der Fachwelt und im politischen Raum zu präsentieren und somit zu einer direkten Verwertung der Forschungs- und Entwicklungsergebnisse beizutragen. Das Koordinierungsvorhaben begleitet die Fördermaßnahme über eine Laufzeit von (zunächst) drei Jahren. Die Koordinierungsstelle ist zentrale Anlaufstelle für Wissenschaftler der Fördermaßnahme und soll den Austausch zwischen den geförderten Gruppen gewährleisten. Eine weitere Aufgabe ist die Abstimmung zwischen der Fördermaßnahme und anderen nationalen und europäischen Aktivitäten des Themenfeldes Hochwasser-Risikomanagement. Diese Abstimmung bezieht Akteure aus den Bereichen Wissenschaft, Verwaltung, Politik, Wirtschaft und Katastrophenschutz ein.

Methoden zur Vorsorge und Analyse von großflächigen Hochwasserschäden mittels Radarsatelliten (SAR-HQ)

Ziel dieses Forschungsvorhabens ist es, dedizierte Methoden und Werkzeuge zu entwickeln sowie zu implementieren, die es erlauben, zeitnah und hoch präzise, TerraSAR-X Satellitendaten aber auch andere Radarsatellitensensoren für das Hochwassermanagement zu Akquirieren, Auszuwerten und die gewonnene Information für das Hochwasserrisikomanagement sowie die Schadensabschätzung verfügbar zu machen. Methoden zur zeitnahen Akquisition (technisch-logistische Realisierung von Aufnahmen, Methoden und Werkzeuge zur flurstückgenauen Kartierung und Analyse von dynamischen Flutsituationen bei großen Überschwemmungssituationen, Fortgeschrittene Verfahren zur semi-autom. und autom. Wasser- und Hochwasserdetektion Das hier vorgeschlagene Forschungsvorhaben steht im direkten Bezug zum vom BMBF geförderten Hochwasserforschungsprogramm im Kontext der Risikoanalysen sowie der Entwicklung von wissenschaftlich-technischen Verfahren für verbesserte Hochwassermanagementkonzepte. Die Projektergebnisse werden eine flurstückgenaue Erfassung von Überschwemmungsflächen ermöglichen, welche bis dato nur per Zufall und bei gutem Wetter (ohne Wolkenbedeckung) von Flugzeugbefliegungen aus möglich waren.

Teilvorhaben 4: Datenmanagment und Visualisierung, Teilvorhaben 1: Gefahren- und Schadenspotenziale Grundwasser

Ziel: Entwicklung und Validierung von Methoden zur Abschätzung und Bewertung von Schadenspotenzialen und Gefahren aus extremhochwasserbedingten Grundwasserständen in urbanen Gebieten am Beispiel des Dresdner Grundwasserleiters. 2. Arb.-plan: (1) Erarbeitung und Umsetzung einer Methodik zur grundwasserbezogenen Gefahrenbewertung und -darstellung auf der Grundlage grundwasserdynamischer Parameter sowie unter besonderer Berücksichtigung der unterschiedlichen grundwasserschadensrelevanten bauarten- und baualtersbezogenen Typologie für unterirdisch gelegene Gebäudeteile und unterirdische urbane Infrastrukturen. (2) Anwendung der Methodik zur Gefahrenausweisung an realen Schäden (Augusthochwasser 2002). (3) Übertragung der entwickelten Methodik der Gefahrendarstellung auf unterschiedliche Gefahrenszenarien (4) Ableitung einer Methodik für die Ausweisung von grundhochwasserbezogenen Risiken, Schutzzielen und Restrisiken. 3. Verwertung der Methodik zur Risikovorsorge bezüglich hochwasserbedingtem Grundhochwassers durch betroffene Kommunen. Ergänzung zu bestehenden auf das Oberflächenwasser ausgerichteten Hochwasservorsorgeplänen.

Operationelle Abfluss- und Hochwasservorhersage in Quellgebieten - OPAQUE

Als primäre Ursachen für die derzeit noch großen Unsicherheiten in der operationellen Vorhersage haben sich in der Praxis die noch immer zu unsicheren Niederschlagsvorhersagen für diese Gebiete, Defizite der verwendeten hydrologischen Modelle in der Beschreibung der Abflussbildung auf dieser Skala und der Mangel an verlässlichen Verfahren zur Identifikation kritischer Gebietszustände wie Bodenfeuchte und Schneezustand erwiesen. Aus dieser Erkenntnis ergeben sich in Verbindung mit der zusätzlich angestrebten Verbesserung der Frühwarnung (bzgl. Ort, Zeit, Menge und Intensität des Ereignisses) und des Hochwassermanagements (bzgl. Speichersteuerung, Schadenswarnung, Alarmplan) die Schwerpunkte (Arbeitspakete) des Projektes: 1. Vorwarnung vor kritischen atmosphärischen Situationen und kritischen Gebietszuständen. 2. Operationelle Schätzung und Kurzfristvorhersage des Gebietsniederschlags. 3. Operationelle Vorhersage und Langfristvorhersage des Abflusses. 4. HW-Management: Optimierte Talsperrensteuerung mit besserer Vorwarnung und Vorhersage. 5. Hochwassertraining und Schulung. Das zu entwickelnde Hochwasserwarn- und Vorhersagesystem wird eine mehrstufig angeordnete Kombination unterschiedlicher Warnmodule sein: Am Anfang steht eine Vorwarnung über hochwasserträchtige Wetterlagen für die ausgesuchten Quellgebiete Obere Donau, Obere Iller, Goldersbach und Weißeritz und eine langfristige Vorhersage von Stationsniederschlägen durch angepasstes klimatologisches Downscaling. Durch eine Kombination aus innovativer TDR-Technologie, Georadar und Radarfernerkundung mit einem geeigneten Landoberflächenmodell soll ferner der Gebietsfeuchte- und -schneezustand ermittelt werden (AP1). Anschließend und zentral (AP2) erfolgt die Schätzung des hochwasserrelevanten Niederschlagfelds durch eine Kombination von Niederschlagsradar und Bodenbeobachtung für den Simulationsbetrieb sowie eine Kurzfristvorhersage des lokalen Niederschlagsgeschehens über eine Dauer von 2-3h. In diesem Zusammenhang wird ein selbstlernendes Werkzeug zur automatischen Fehlerkorrektur der LM-Vorhersage für den Prognosezeitraum von 3 bis 48 Stunden entwickelt. Am Ende der Warnkette steht die Vorhersage des Hochwasserabflusses aus den betroffenen Gebieten mit den zuvor gewonnenen Anfangs- und Randbedingungen des Niederschlags und des Gebietszustands (AP3). Im Arbeitspaket 4 werden auf Basis der verbesserten Vorhersagen des Niederschlag-Abflussgeschehens die Möglichkeiten analysiert, das Hochwasserrisiko unterhalb der Talsperren durch eine optimale Steuerung zu reduzieren. Es erfolgt eine Quantifizierung der Schäden, die sich für die unterschiedlichen Nutzer (Hochwasserschutz, Trinkwasserversorgung, Niedrigwasseraufhöhung, Energieerzeugung, touristische Nutzung) und die anliegenden Ortschaften unterstrom aus der Talsperrensteuerung ergeben, um eine Steuerung mit möglichst geringem Schaden zu erreichen. Das Paket 5 dient der Schulung der Landesbehörden in der Nutzung der entwickelten Module.

HORIX - Entwicklung eines operationell einsetzbaren Expertensystems zum Hochwasserrisikomanagement unter Berücksichtigung der Vorhersageunsicherheit, Teilprojekt 1: Projektleitung, Modellkopplung und Entwicklung des internetbasierten Expertensystems

Ein regelbasiertes Expertensystem zur Hochwasser(HW)-vorhersage bzw. -warnung wird, basierend auf berechneten Szenarien der Modellkette Niederschlagsvorhersage - N-A-Modellierung - hydraulische Modellierung, mit Angabe der Unsicherheiten (Projektschwerpunkt) entwickelt. In Abhängigkeit der Wettervorhersage und des Gebietszustands werden wahrscheinliche Verläufe des vorhergesagten HW mittels dynamischer Überschwemmungskarten bereitgestellt. Analyse der Vorhersageunsicherheit von Extremniederschlägen und Generierung von N-Szenarien; N-A-Modellierung inkl. Parameteroptimierung, systematische Modellvergleich und Methodenentwicklung zur Unsicherheitsbestimmung; Aufbau von Wellenablaufmodellen, Vergleich mit 2-D-Berechnungen; Quantifizierung der Unsicherheiten aller Elemente der Modellkette; Entwicklung des fuzzy-basierten Expertensystems zur HW-Vorhersage mit Unsicherheitsangaben; Kommunikation und Nutzeroberfläche GIS-aufbereitet über Internetplattform. Anwenderfreundliches robustes, auch für Trainingszwecke nutzbares operationelles Werkzeug mit übertragbarer Methodik; Unsicherheitsvermittlung verbessert HW-Management durch bessere Warnungen und Risikoabschätzung.

Integrative Nutzung des Technischen Hochwasserrückhalts in Poldern und Talsperren am Beispiel des Flussgebietes der Unstrut, Teilprojekt Sozioökonomische Analyse

Teilprojekt 3: Sozioökonomie: Primäres Ziel des Teilprojektes ist die Bewertung der Nutzen und Kosten aufgrund der mit unterschiedlichen Strategien des technischen Hochwasserrückhaltes verbundenen lokalen und regionalen Effekte. Die Analyse und Bewertung der ökonomischen Effekte alternativer Strategien umfasst dabei sowohl direkte als auch indirekte, d. h. nicht in unmittelbarem Zusammenhang mit der Maßnahme stehende Wirkungen. Auf der Kostenseite werden hier einerseits Bau- oder Unterhaltskosten der Anlagen, andererseits aber auch Opportunitätskosten aufgrund entgangener Nutzungsmöglichkeiten - als indirekte Kosten - wirksam. Im Bereich der Nutzen stehen dagegen die reduzierten Schäden auf lokaler Ebene, aber v. a. auch potenzielle Schadensminderungen im Unterlauf eines Flusses (z. B. aufgrund längerer Vorwarnzeiten oder geringerer Scheitelabflüsse) im Vordergrund. Aus ökonomischer Sicht ist hierbei insbesondere die Abwägung zwischen lokalen und regionalen Hochwasserschutzzielen, die je nach Bewirtschaftung der Rückhalteanlagen in unterschiedlicher Weise erreicht werden können, bedeutsam. In diesem Zusammenhang werden auch die durch eine regionale Betrachtung auftretenden Kostenverteilungsprobleme diskutiert und auf Grundlage einer Analyse der institutionellen Zuständigkeiten im Flussgebiet der Unstrut mögliche Kostenanlastungsstrukturen analysiert.

Optimierung des Deichmonitorings für eine zuverlässige Identifikation und Bewertung von Schwachstellen - Entwicklung eines Monitoringskonzeptes auf der Basis von Untersuchungen und einer geostatistischen Bearbeitung der Ergebnisse

Für eine zuverlässige Identifikation, Bewertung und Überwachung von Schwachstellen ist es erforderlich, das instationäre Verhalten der Sickerlinie und der Aufsättigung, die Änderungen des Spannungszustandes sowie die Änderungen der Festigkeitsparameter zu kennen. Weiterhin ist eine Einschätzung der Inhomogenitäten des Dammmaterials erforderlich. Es soll ein Monitoringkonzeptes auf der Basis von Untersuchungen und einer geostatistischen Bearbeitung der Ergebnisse entwickelt werden. Ansatz: Baugrunderkundungen können in diesem Zusammenhang aufgrund der Natur der Sache lediglich punktuelle Informationen liefern. Die aus Labor- und Feldversuchen ermittelten oder abgeleiteten Bodenkennwerte geben das zeitlich veränderliche Verhalten oft nicht wieder und unterliegen infolge des inhomogenen Aufbaus des Baugrundes Streuungen. Geophysikalische Messverfahren können Profile über den Deichaufbau liefern, aber keine direkten Aufschlüsse über bodenmechanisch relevante Parameter. Sie sind aufgrund vielfältiger Einflüsse auf die Messung durch direkte Aufschlüsse zu spezifizieren. Auf der Grundlage von zunächst durchzuführenden theoretisch wissenschaftlichen Ausarbeitungen sollen geeignete Messgeber und Messverfahren entwickelt sowie Messungen und Untersuchungen an einem realen Bauwerk vorgenommen werden. Der Standort für den in situ Versuch wird so ausgewählt, dass eine entsprechende Belastung infolge Einstau gegeben ist und die Forschungsergebnisse einschließlich der Verfahren und Messgeber auf andere Standorte anwendbar sind. Ziel: Folgt man der oben aufgeführt phänomenologischen Beschreibung der Abläufe, so lassen sich zwei Ziele für das Forschungsvorhaben identifizieren: Entwicklung eines innovativen Monitorings zur Erfassung des Wassergehaltes des Bodens, der Porenwasserspannungen und der Spannungsänderungen infolge Einstau, begleitet durch ein Laborversuchsprogramm zur Ermittlung der Festigkeitsparameter und deren Veränderung infolge Aufsättigung. Adaption geostatistischer Verfahren zur Ermittlung der räumlichen Verteilung und Auftrittswahrscheinlichkeit von Schwachstellen an die Spezifikationen von Deichen.

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