Modellbasierte Ermittlung der Wirksamkeit von Schwammstadtansätzen auf die Reduzierung der Überflutung durch extreme Starkregen.

Abstract

Die Arbeit untersucht Schwammstadtansätze, auch Grüne Infrastruktur (GI) genannt, im Hinblick auf ihre Wirksamkeit auf die Reduzierung von Überflutungen durch extreme Starkregen. Dazu werden in zwei topografisch verschiedenen Einzugsgebieten insgesamt fünf Implementierungsstufen der GI sowie ein Ausgangszustand ohne GI anhand von sieben verschiedenen Modellregen unterschiedlicher Wiederkehrzeiten untersucht und ausgewertet. Die modelltechnische Umsetzung findet sowohl in einem gekoppelten 1D/2D Kanalnetz-Oberflächenabflussmodell als auch in einem ungekoppelten 2D Oberflächenabflussmodell statt. Die Auswertung der Ergebnisse erfolgt anhand der maximalen Wasserstände, deren Ausdehnung, der maximalen Fließgeschwindigkeiten und zusätzlich bei der gekoppelten 1D/2D Kanalnetz-Oberflächenabflusssimulation anhand des Gesamtabflusses im Kanalnetz. Im Anschluss wird eine Sensitivitätsanalyse durchgeführt und ein modellbasiertes Konzept zur Ermittlung der Wirksamkeit entwickelt. Zentrale Erkenntnisse dieser Arbeit sind, dass die Wirksamkeit der GI abhängig von dem Implementierungsgrad, der Intensität des Modellregens und der Topografie des Einzugsgebiets ist. Die Ergebnisse zeigen, dass sich mit steigendem Implementierungsgrad an GI die Auswirkungen von Überflutungen reduzieren. Dabei ist der Einfluss von kleinskaligen Maßnahmen auf die Reduzierung von Überflutungen vernachlässigbar gering. Deutlich wird auch, dass die Wirksamkeit der GI mit steigender Wiederkehrzeit sinkt. Die maximalen Wasserstände werden an ausgewählten Punkten reduziert, jedoch ist der Einfluss der GI auf die maximalen Fließgeschwindigkeiten vernachlässigbar gering. Der Einfluss der Topografie hingegen ist auf die Wirksamkeit der GI signifikant. Die Ergebnisse der Simulationen mit dem ungekoppelten 2D Oberflächenabflussmodell zeigen im Vergleich zur gekoppelten 1D/2D Simulation deutliche Unterschiede.This thesis examines sponge city approaches, also called green infrastructure (GI), with regard to their effectiveness to cope with urban flash floods. For this purpose, a total of five implementation levels of GI as well as an initial state without GI were analyzed and evaluated in two topographically different catchments using seven different design storms of different return periods. The model implementation was done using a coupled 1D drainage network model and 2D surface flow model as well as in an uncoupled 2D surface flow model. The evaluation of the results was based on the maximum water levels, the flooded area, the maximum flow velocities on the surface and additionally for the coupled 1D/2D model on the total runoff in the drainage network. A sensitivity analysis was performed and a model-based approach was developed to determine effectiveness. Key findings of this work are that the effectiveness of GI depends on the degree of implementa-tion, the intensity of the design storm, and the topography of the catchment. The results further show that as the degree of GI implementation increases, the impact of flooding is reduced. At the same time, the impact of small-scale measures on reducing flooding is negligible. It is obvious that the effectiveness of GI decreases with increasing return period. Maximum water levels are reduced at selected points, but the influence of GI on maximum flow velocities is negligible. Whereas the influence of topography is significant on the effectiveness of GI. The results of the simulations with the uncoupled 2D surface runoff model show significant differences compared to the coupled 1D/2D simulation.