dc.contributor.author
Bölscher, Jens
dc.date.accessioned
2018-06-07T15:09:48Z
dc.date.available
2016-02-19T09:43:31.865Z
dc.identifier.uri
https://refubium.fu-berlin.de/handle/fub188/668
dc.identifier.uri
http://dx.doi.org/10.17169/refubium-4870
dc.description.abstract
In weiten Teilen des Einzugsgebietes der Elbe traten im Zuge einer Vb-
Wetterlage zwischen dem 10.-13. August 2002 extreme Regenfälle auf. Dem war
Anfang des Monats eine intensive Vorregenphase vorausgegangen und führte zu
einer starken Aufsättigung der Böden. Die Starkniederschläge verursachten
schwere Überschwemmungen und Schäden, sowohl an den großen Flussläufen wie
Moldau, Elbe und Mulde als auch in den obersten Einzugsgebieten im Erzgebirge
wie an der Flöha und Müglitz. Das Gebiet um Zinnwald-Georgenfeld im
Osterzgebirge erhielt in der Zeit zwischen dem 12.08.2002 (4:00 MEZ) und dem
13.08.2002 (4:00 MEZ) über 350 mm Niederschlag (LFULG, 2009). Ähnlich war die
Situation in der Stadt Olbernhau im Mittleren Erzgebirge (LFULG, 2009).
Oberhalb und in der Stadt Olbernhau traten Flöha, Natzschung und Schweinitz
über die Ufer und führten zu schwersten Schäden im deutschen und tschechischen
Teil des Mittleren Erzgebirges (Schulte et al., 2007). Annähernd 3 Stunden
nach dem ersten Niederschlagsmaximum an der Waldklimastation Olbernhau wurde
am Pegel Rothenthal (Natzschung) der Maximalabfluss mit einem
Hochwasserscheitel von 89 m³/s registriert. Dieser Abfluss war
dreiundsechzigmal höher als der mittlere Abfluss über das Jahr und doppelt so
hoch wie das bisherige HHQ vom 24.Juni 1975 (LFULG, 2011c). Die Natzschung
trug an der Mündung zur Flöha mit fast 100 m³/s zum Gesamtabfluss von 315 m³/s
in Olbernhau bei. Ein grundsätzliches Problem für die Einzugsgebiete im
Erzgebirge ist deren morphologische und topographische Situation. Die Auslässe
solcher Gebiete sind oft durch Kerbtäler geprägt, die sowohl eine starke
Hangneigunge als auch ein starkes Sohlgefälle aufweisen. Diese Situation birgt
in Kombination mit Starkniederschlägen oder Schneeschmelzen die Gefahr hoher
Abflüsse und des schnellen Anstiegs von Hochwasserwellen. Gleichzeitig ist
bedingt durch die Topographie dieser Täler kein ausreichendes Stauvolumen
vorhanden, um Hochwasserschutz zu betreiben. Ortschaften wie Olbernhau liegen
unterhalb der Mündung solcher Kerbtalbereiche. Sie sind daher einem besonderen
Hochwasserrisiko ausgesetzt. Vor diesem Hintergrund sollte untersucht werden,
ob es geeignete Möglichkeiten zur dezentralen Hochwasserretention im
Einzugsgebiet der Natzschung gibt und welche Wirkung implementierte Maßnahmen
in Bezug auf das Bemessungshochwasser eines HQ100 am Pegel Rothenthal haben.
Mögliche Maßnahmen sollten im Sinne von Assmann (1999) dezentraler Natur sein,
einen lokalen Retentionseffekt für Orte in den obersten Einzugsgebieten
aufweisen und darüber hinaus auch eine überörtliche Wirkung auf
Einzugsgebietsebene zeigen. Aufbauend auf der Problemstellung, Fragestellung
und Zielsetzung der Untersuchung wird zunächst die Entwicklung des
Hochwasserschutzgedankens im Zuge der letzten zwei Jahrzehnte in der
Bundesrepublik Deutschland skizziert und der Stand der Forschung zum
dezentralen Hochwasserschutz aufbereitet. Es schließt sich eine Beschreibung
des Untersuchungsgebietes an, um die Randbedingungen der Modellierung
aufzuzeigen. Im Kapitel Methodik werden Prinzipien und Strukturen des
verwendeten Niederschlag-Abfluss-Modells behandelt und es wird erläutert,
welche Datengrundlagen in welcher Form im Modell Verwendung gefunden haben.
Die Ergebnisse der Untersuchung zeigen, dass für die Natzschung ein
belastbares hydrologisches Modell aufgebaut werden konnte, welches sich für
eine zeitlich hochaufgelöste Langzeit-Hochwassersimulation eines
reaktionsschnellen Mittelgebirgsraumes eignet. Weiterhin verdeutlichen die
Ergebnisse, dass schon in den obersten Lagen des Untersuchungsgebietes eine
genügend große Anzahl an Standorten für dezentrale Hochwasserrückhaltebecken
vorhanden ist. Damit kann der Hochwasserschutz schon in den Quellgebieten
ansetzen, insbesondere wenn sich flussabwärts nur noch eingeschränkte
Hochwasserschutzpotenziale bieten. Der abschließende Teil der Ergebnisse
belegt, dass diese Standorte ein genügend großes Retentionspotenzial
beherbergen, um die Hochwasserscheitel eines HQ100 lokal sehr deutlich zu
senken. Darüber hinaus wirken diese Potenziale auch noch auf
Einzugsgebietsebene der Natzschung so eindeutig, dass im Unterlauf des
Gewässers der Hochwasserscheitel eines HQ100 unterhalb des Niveaus eines HQ50
abgesenkt werden kann. Die Untersuchungen zeigen, dass durch die
Maßnahmenkombination noch genügend Potenzial vorhanden ist, um auch die
Scheitel größerer Hochwasserereignisse herabzusetzen. Ein HQ150 bzw. ein HQ200
würden ohne Änderung der Drosseleinstellungen auf das Niveau eines HQ50 bzw.
eines HQ100 gesenkt werden können. Damit könnte in Kombination mit einer
bereits vorhandenen Hochwasserschutzanlage in Rothenthal auch für
Extremereignisse das Schutzziel eines HQ100 erreicht werden. Eine Kombination
einer geringeren Anzahl an Standorten würde für ein HQ100 im Durchschnitt noch
eine Scheitelreduktion von knapp über 13 % erbringen. Damit könnte nicht nur
der Hochwasserscheitel, sondern auch das Versagensrisiko neu gebauter
Hochwasserschutzanlagen reduziert werden. Die Ergebnisse verdeutlichen, dass
die Wirksamkeitsbetrachtung dezentraler Hochwasserschutzmaßnahmen immer im
Kontext des räumlichen Schutzziels und vor dem Hintergrund möglicher
Alternativen und der Einzugsgebietseigenschaften gesehen werden sollte.
de
dc.description.abstract
The concept of decentralised flood protection (or water retention) is based on
localising and using the natural capability of a catchment to retard run off
as early as possible, and at several places at the same time, by means of a
combination of different small-scale technical and non-technical measures
(Assmann, 1999; DWA, 2006; DWA, 2013a; Schulte et al., 2007). Intense rainfall
and heavy floods in August 2002, which caused extraordinarily high levels of
inundation and damage, affected the Ore Mountains, a low range mountain region
in eastern Germany. Against this background, the objective of this
investigation has been developed to analyse the capability of headwater areas
to mitigate floods for downstream locations at different spatial scales. Based
on this idea, the hydrological effect of selected small, well-placed retention
facilities was analysed for the Natzschung catchment. The above-mentioned
concept is well established in German literature and recent studies have been
reviewed, but it is also well known in the international context (Liaw et al.,
2006; Mendel & Liebscher, 2010; Poulard et al., 2010; Scholz & Yang, 2010).
Over recent years, several approaches and investigations have analysed the
performance of these measures in terms of retention or detention ponds and
other techniques (Reinhardt et al., 2011; Rieger, 2012). The discussion of
pros and cons is still in progress, but the lack of data clearly remains an
issue, especially concerning the capability and the effect of retention
facilities at different spatial scales and for varying flood return periods
(McMinn et al., 2010; Mendel & Liebscher, 2010). The analysis of the
Natzschung catchment offered the potential for uncontrolled retention
facilities at 19 locations, in the upper and middle basin. They include
already existing small retention and detention ponds, and areas with valley-
crossing street embankments with an ambiguous purpose. These facilities were
implemented in a distributed hydrological model (NASIM) to simulate local and
regional flood retarding effects with regard to a 100-year flood recurrence
interval. The total storage capacity is over 500.000 m³ at a mean storage
level of 3.6 m, and encompasses an area of more than 50 km². At all retention
facilities, the discharge at the outlets is curbed and reduced by between 6 %
and 75 %, with a mean of 40 %. More than 390.000 m³ of the retention capacity
is used (72 %). This scenario induced a decrease in peak discharge from a
level of 63.4 m³/s to a value of 45.2 m³/s (-28.7 %) at the gauging station
Rothenthal (total area of 75 km²). At the catchment outlet 5 km downstream,
the peak discharge remains lowered, at a level of 53.7 m³/s (-25.4 %). At both
locations, the peak arrived forty-five minutes later. For all analysed
locations in the catchment, a distinct effect concerning the peak reduction
and the temporal shift of the peak could be observed. At the gauging station
the HQ100 could be attenuated to a discharge comparable to a return period
under a 50 year flood event (<HQ50). This is not only important for the main
objective of flood protection, as a reduction in discharge also means a
decrease in stream power, erosion and the sediment transport capacity of
fluvial systems (Borga et al., 2011). After the August flood in 2002, several
streams along the Ore Mountains were affected by sediment deposition dominated
by boulders and cobbles. The sediments reduced the hydraulic cross section of
the rivers and caused severe damage along the banks (IKSE, 2004; LFULG, 2009;
LTV, 2004; RMD, 2005). The results have also shown that the total storage
capacity is sufficient, but a redesign or a flexible control system of the
outlets and the storage level of the basins could lower the costs and also
improve the performance for larger flood events. However, the detection,
survey and implementation of these kinds of retention facilities are labour
and cost-intensive and need to be improved. This flood retention concept
considers regional and local flood protection targets and the specific
hydrological conditions and capabilities of a catchment. The implementation of
these kind of measures in stream headwaters could be a feasible way to
establish an effective and additional flood protection for the local and
downstream settlements of the Ore Mountains, and for other low range mountain
systems.
en
dc.format.extent
253 Seiten
dc.rights.uri
http://www.fu-berlin.de/sites/refubium/rechtliches/Nutzungsbedingungen
dc.subject
rainfall-runoff modelling
dc.subject
flood risk management
dc.subject
flood protection
dc.subject
decentralised flood retention
dc.subject
detention basin
dc.subject.ddc
900 Geschichte und Geografie::910 Geografie, Reisen::910 Geografie, Reisen
dc.subject.ddc
500 Naturwissenschaften und Mathematik::550 Geowissenschaften, Geologie::551 Geologie, Hydrologie, Meteorologie
dc.subject.ddc
500 Naturwissenschaften und Mathematik::550 Geowissenschaften, Geologie::550 Geowissenschaften
dc.subject.ddc
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften::620 Ingenieurwissenschaften::627 Wasserbau
dc.title
Analyse des dezentralen Hochwasserrückhaltepotenzials im Einzugsgebiet der
Natzschung / Načetínský Potok (Mittleres Erzgebirge) unter Verwendung des
Niederschlag-Abfluss-Modells NASIM
dc.contributor.contact
jens.boelscher@fu-berlin.de
dc.contributor.firstReferee
Prof. Dr. Achim Schulte
dc.contributor.furtherReferee
Prof. Dr. Tilman Rost
dc.date.accepted
2015-11-13
dc.identifier.urn
urn:nbn:de:kobv:188-fudissthesis000000101361-2
dc.title.translated
Analysis of decentralised flood retention capabilities in the catchment of the
Natzschung River / Načetínský Potok (Central Ore Mountains) using the
rainfall-runoff model NASIM
en
refubium.affiliation
Geowissenschaften
de
refubium.mycore.fudocsId
FUDISS_thesis_000000101361
refubium.mycore.derivateId
FUDISS_derivate_000000018691
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free
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open access