Flash flood modeling with a specific focus on arid regions and infiltration

Abstract

Sturzfluten gehören zu den gefährlichsten Naturgefahren und können überall auf der Welt auftreten. Die fortschreitende globale Erwärmung verstärkt Sturzfluten verursachende Starkniederschläge. Beobachtungen haben in den letzten Jahrzehnten bereits eine deutliche Intensivierung von Starkniederschlägen gezeigt. Je nachdem, welches Szenario der globalen sozio-ökonmischen Entwicklung und der damit verbundenen Treibhausgasemissionen betrachtet wird, prognostizieren Klimamodelle für fast alle Landgebiete einen weiteren erheblichen Anstieg von Starkniederschlägen bis Mitte und Ende dieses Jahrhunderts. Die fortschreitende Urbanisierung erhöht die Intensität von und die Gefährdung durch Sturzfluten in Städten aufgrund des zunehmenden Anteils versiegelter Flächen und der höheren Bebauungsdichte. In ariden Gebieten stellen Sturzfluten in den über die meiste Zeit trockenen Flusseinzugsgebieten, so genannten Wadi-Systemen, ein hohes Risiko für Infrastruktur, Städte und Gemeinden dar. Trotz laufender Fortschritte in den Wettervorhersagesystemen ist es immer noch eine große Herausforderung, Starkniederschläge mit ausreichender Vorlaufzeit und räumlicher Genauigkeit vorherzusagen, um effektive Frühwarnsysteme zu ermöglichen. Darüber hinaus fehlt es der Bevölkerung und den zuständigen Behörden oft noch an Bewusstsein für das Risiko von Sturzfluten, was ein effektives Risikomanagement von Sturzfluten ebenfalls erschwert. Die Sturzfluten-Modellierung unterstützt die Planung und Umsetzung verschiedener Arten von Maßnahmen des Sturzflutrisikomanagements. Dazu gehören einerseits nicht-strukturelle Maßnahmen wie Frühwarnsysteme und Gefahren- und Risikokarten, die für die Stadt- und Landschaftsplanung sowie die Risikokommunikation eingesetzt werden können, und andererseits bauliche Maßnahmen wie Rückhaltebecken und Umleitungskanäle. Die Kombination von hydrologischen und hydrodynamischen Modellen ist vorteilhaft, da somit die kurzen Rechenzeiten hydrologischer Modelle zur Erstellung von Abflussganglinien aus größeren Einzugsgebieten mit der hohen räumlichen Auflösung hydrodynamischer Modelle und den sich hieraus ergebenen detaillierten Informationen zu Überschwemmungsgebieten für bestimmte (beispielsweise städtische) Gebiete, verbunden werden können. Für ländliche Einzugsgebiete sollten die Modelle Infiltration berücksichtigen, da diese einen erheblichen Einfluss auf Sturzfluten haben kann, insbesondere in ariden Gebieten, deren Böden typischerweise eine sehr geringe Anfangssättigung aufweisen. Darüber hinaus ist die Berücksichtigung der Infiltration notwendig, wenn die Wirksamkeit nachhaltiger städtischer Entwässerungssysteme in Form von bespielsweise Versickerungsbecken und -gräben mit dem Modell untersucht werden soll. Ziel dieser Arbeit ist es, verschiedene Methoden und Anwendungen der Sturzflutmodellierung mit Schwerpunkt auf aride Gebiete und Infiltration zu untersuchen. Das Hauptuntersuchungsgebiet ist die Stadt El Gouna im Einzugsgebiet des Wadi Bili an der Küste des Roten Meeres in Ägypten. Es wird eine Kombination aus einem kalibrierten hydrologischen Modell für das Wadi Bili Einzugsgebiet und einem robusten 2D-Flachwassermodell für El Gouna erstellt und angewendet, um die Auswirkungen verschiedener Niederschlagsszenarien auf die Überschwemmungsflächen in und um El Gouna zu untersuchen. Die Simulationsergebnisse zeigen einen stark nicht-linearen Zusammenhang zwischen Niederschlag und Abflussverhalten im Einzugsgebiet. Verschiedene bauliche Schutzmaßnahmen im stromaufwärts gelegenen Wadi-Einzugsgebiet und direkt um El Gouna werden auf ihre Wirksamkeit hin untersucht. Den Simulationsergebnissen zufolge können Rückhaltebecken im stromaufwärts gelegenen Wadi-Einzugsgebiet, die so ausgelegt sind, dass sie das im März 2014 beobachtete Ereignis vollständig abfangen, die stromabwärts gerichtete Hochwasserwelle des 100-jährlichen Ereignisses erfolgreich reduzieren und verzögern, haben jedoch keinen Einfluss auf den Spitzenabfluss des angenommenen Worst-Case-Szenarios. Zusätzlich zur Verringerung der Überschwemmungen können solche Becken das Süßwasser im stromaufwärts gelegenen Einzugsgebiet zurückhalten und speichern, so dass es für die Beduinen in diesem Gebiet nutzbar ist. Die Verringerung des Abflusses durch Rückhaltebecken im stromaufwärts gelegenen Wadi-Einzugsgebiet hat laut der Simulationsergebnisse nur eine geringe Auswirkung auf die Überschwemmungen in El Gouna, da der lokal fallende Niederschlag deutlich mehr zu den Überschwemmungen in El Gouna beiträgt als die Flutwelle aus dem Wadi, außer im angenommenen Worst-Case-Szenario. Rückhaltebecken und Entwässerungskanäle in der direkten Umgebung von El Gouna können die Wassertiefen in dem betrachteten Gebiet hingegen selbst in dem angenommenen Worst-Case-Szenario erheblich verringern. Andererseits können überlastete bauliche Maßnahmen wie überlaufende Rückhaltebecken oder Kanäle die Überschwemmungen an anderen Stellen sogar verstärken. Der Green-Ampt-Ansatz, der im robusten 2D-Flachwassermodell zur Berücksichtigung von Infiltration integriert ist, wird für das Modellgebiet von El Gouna verwendet, da dieses hauptsächlich aus natürlichen Flächen mit überwiegend sandigem Boden besteht. Literaturwerte für die Green-Ampt-Parameter der gegebenen Bodentypen führen zu einer starken Überschätzung der Infiltration. Verschiedene Niederschlags-Abfluss-Experimente mit beobachteten Abflussdaten aus der Literatur werden simuliert, um die Anwendbarkeit und die Grenzen der Literaturwerte für die Green-Ampt-Parameter aufzuzeigen. Schließlich dienen verschiedene Quellen in Form von Satellitenbildern und Befragungen und Fotos von Anwohner*innen dazu, das digitale Oberflächenmodell des Untersuchungsgebiets zu verbessern und die Simulationsergebnisse für El Gouna zu validieren. In der zukünftigen Forschung sollte die Berücksichtigung der Infiltration und damit verbundener Prozesse wie Krustenbildung oder Makroporeninfiltration in hydrodynamischen Modellen verbessert werden. Darüber hinaus sollten die Verkürzung der Rechenzeiten, die Verfügbarkeit und Nutzung hochauflösender Daten sowie die Einrichtung von Messgeräten für direkte Messungen weiter verbessert werden. Der zunehmende Zugang zu Fernerkundungs- und Crowdsourcing-Daten bietet die Möglichkeit, Sturzfluten detaillierter zu untersuchen und Sturzflut-Modelle besser zu validieren. Bei der Untersuchung von urbanen Sturzfluten, sollten die hydrodynamischen Modelle das Entwässerungssystem und städtische Infrastruktur berücksichtigen. Generell müssen das Bewusstsein für das Sturzflutrisiko sowie das Risikomanagement von Sturzfluten weiter verbessert werden.