Vergleich von 2-dimensionalen Berechnungsansätzen für die Gefährdungsanalyse in urbanen Gebieten

Zusammenfassung

Starkniederschläge in urbanen Gebieten gehen oftmals mit enormen Sachschäden und dem Verlust von Menschenleben einher. Um bereits im Vorfeld überflutungsgefährdete Bereiche ermitteln und entsprechende Vorsorgemaßnahmen ableiten zu können, werden vermehrt hydraulische Gefährdungsanalysen durchgeführt. Im Folgenden werden drei verschiedene Berechnungsansätze in Gebieten mit flacher und steiler Topografie untersucht: 1) Berechnung des Kanalnetzes unter Berücksichtigung der Oberflächenüberflutung mit HYSTEM-EXTRAN 2D (HE 2D) und der Annahme, dass sämtliches Regenwasser von den angeschlossenen Flächen direkt in den Kanal gelangt, 2) wie Ansatz 1, allerdings gelangt das Regenwasser nur von den Dachflächen direkt in den Kanal, bei den anderen Flächen findet die Abflussbildung im 2D-Oberflächenmodell statt, 3) Berechnung des Oberflächenabflusses ohne Berücksichtigung des Kanalnetzes mit HE 2D. Hierfür wird der Niederschlag um einen Anteil reduziert, welcher der Leistungsfähigkeit des Kanalnetzes entspricht.

Die Ansätze 1 und 2 verhalten sich, unabhängig von der Topografie des Untersuchungsgebietes, im Straßenbereich ähnlich. In Ansatz 1 befindet sich der gesamte Effektivniederschlag im Kanalnetz, im Gegensatz dazu verbleibt im Ansatz 2 mangels Erfassung privater Hofeinläufe, Oberflächenwasser in Geländesenken abseits der Straßen. Folglich wird dem Kanalnetz in Ansatz 1 zu viel Oberflächenwasser zugeführt. Beim Vergleich von Ansatz 2 und 3 stellen sich vor allem in den Bereichen auf den Straßen andere Verhältnisse ein, da der Einfluss des Kanalnetzes fehlt. Folglich birgt Ansatz 3 die Gefahr, dass die real kritischen Bereiche auf den Straßen nicht erkannt und falsche Ableitungen getroffen werden. Durch den Vergleich der verschiedenen Modelle wird gezeigt, dass für eine aussagekräftige und befriedigende hydraulische Gefährdungsanalyse die Kopplung von Kanalnetzmodell und Oberflächenabflussmodell unverzichtbar ist und die traditionelle Berechnungsweise des direkten Anschlusses der Flächen zu falschen Aussagen führt.

Abstract

In urban areas, extreme rainfalls may result in threat to life or physical condition and cause considerable damage to public and/or private properties and infrastructures. In recent decades there has been an enormous effort to assess the risk of urban flooding in order to reduce the damages by making proper provisions. The present study aims at assessment of urban flooding while adopting and comparing three different modelling approaches: (1) the surface and sewer system are coupled bi-directionally using HYSTEM-EXTRAN 2D, which simulates overland flow and flow in the sewer system alternately. In a simplified approach, stormwater is directly applied to the sewer system. In case of overflow, water flows on the surface and may drain back to the system through street inlets, (2) differs from the second model in applying the stormwater. Here the rainfall is applied directly to the surface (except for building’s roofs which are connected to the sewer system) in order to simulate the resulting overland flow in advance of draining into the sewer system. The runoff parameters are set to be identical to the second approach, (3) the surface flow is simulated using HYSTEM-EXTRAN 2D without considering the sewer system. The effective rainfall is reduced compared to the other approaches to count for the drainage capacity of the sewer system.

All models were set up for two case studies with steep and gentle slopes respectively. When comparing models (1) and (2), in both case studies similar results were observed in streets. However in model (2) a considerable amount of storm water remains on the surface where the backyard inlets are missing. It is concluded that in model (1) the amount of storm water draining into the sewer system is overestimated. The results of models (2) and (3) differ mainly in the streets, since in the later the manholes are missing and therefore the observed flood extent could be considered as inaccurate. In summary, the results show the importance of considering the bi-directional interaction of surface and sewer system when modelling urban drainage for the purpose of assessment of urban flooding and the traditional approach of connecting all areas directly to the sewer system leads to inaccurate results.