Zur gekoppelten numerischen Modellierung von unterirdischem Hochwasser

Becker, Bernhard Peter Josef; Köngeter, Jürgen

doi:30447

Zur gekoppelten numerischen Modellierung von unterirdischem Hochwasser = On the coupled numerical modelling of subsurface floods

Becker, Bernhard Peter Josef (Author)^RWTH*

2010

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Bernhard Peter Josef Becker

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2010

UmfangXIX, 206 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2010

Zsfassung in dt., engl. und franz. Sprache

Genehmigende Fakultät
Fak03

Hauptberichter/Gutachter
Köngeter, Jürgen (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2010-06-11

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-32880
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/63111/files/3288.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl und Institut für Wasserbau und Wasserwirtschaft (314410)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Hochwasser (Genormte SW) ; Grundwasser (Genormte SW) ; Infiltration (Genormte SW) ; Ingenieurwissenschaften (frei) ; unterirdisches Hochwasser (frei) ; Qualmwasser (frei) ; Uferspeicherung (frei) ; OpenMI (frei) ; subsurface flood (frei) ; leakage (frei) ; bank storage (frei) ; Feflow (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Unterirdisches Hochwasser ist ein Grundwasseranstieg, der durch Hochwasser in einem Fluss ausgelöst wird. Während im Fluss die Hochwasserwelle relativ schnell wieder abklingt, dauert der Rückgang des unterirdischen Hochwassers in der Regel länger an. Wesentliche nachteilige Folgen des unterirdischen Hochwassers sind Schäden an Gebäuden und an Infrastrukturbauwerken durch erhöhte Auftriebskräfte und in das Gebäude eindringendes Wasser. An der Oberfläche kann die Wasserbewegung mit Hilfe der Navier-Stokes-Gleichungen oder Vereinfachungen dieser Gleichungen beschrieben werden. Für die Modellierung des Wassers auf einer Überflutungsfläche wird das Strömungsprogramm Ilmoflood vorgestellt. Im Untergrund gelten die Richards-Gleichung und die Grundwasserströmungsgleichung. Diese beiden Gleichungen sind im Programm Feflow umgesetzt. Zwischen dem Wasser an der Oberfläche und dem Grundwasser wirken als Wechselwirkungsprozesse die Uferspeicherung, die Infiltration von einer überfluteten Fläche und der Qualmwasseraustritt. Wegen dieser Wechselwirkungsprozesse ist zur Prognose der Ausbreitung unterirdischen Hochwassers eine gekoppelte Modellierung erforderlich. Die Umsetzung einer solchen Modellkopplung für die beiden Programme Feflow und Ilmoflood mit Hilfe des OpenMI-Standards bildet einen Schwerpunkt der Arbeit. Die besondere Schwierigkeit besteht darin, das kommerzielle Programm Feflow mit einer OpenMI-Schnittstelle auszurüsten, ohne den Programmcode zu verändern. Dies gelingt mit Hilfe von Methoden der Netzwerkprogrammierung, die über die Feflow-Programmierschnittstelle implementiert werden. Damit ist es nun möglich, bereits bestehende Grundwassermodelle, die zum Beispiel für die Begleitung der Wasserversorgung entwickelt wurden, im Rahmen des Hochwasserschutzes einzusetzen. Vor diesem Hintergrund werden verfügbare Programmfunktionen auf ihre Eignung zur Modellierung der Wechselwirkungsprozesse hin untersucht. Dazu werden für den Prozess der Uferspeicherung Felddaten eines in der Fachliteratur dokumentierten Uferspeicherungsereignisses analysiert und darauf aufbauend numerische Modelluntersuchungen durchgeführt. Für die Infiltration aus einer überfluteten Fläche werden analytische Infiltrationsformeln und die numerische Lösung der Richards-Gleichung ausgewertet. Für Qualmwasser stehen modelltechnische Aspekte im Vordergrund der Untersuchung. Wesentliche Ergebnisse sind, dass die Uferspeicherung gut mit den bestehenden Leakage-Funktionen in einem Grundwassermodell erfasst werden kann. Für die Infiltration von Wasser aus einer Überflutungsfläche sind Leakage-Ansätze eine Vereinfachung, aber mit Einschränkungen der Modellaussage für die vorliegende Fragestellung verwendbar. Mehrere Anwendungsbeispiele dienen dazu, das Prozessverständnis des unterirdischen Hochwassers zu vertiefen und die Funktionsweise der Modellkopplung zu erläutern.

A subsurface flood is defined as a groundwater head rise induced by high water in a river. While in the river the flood wave decays comparatively fast, the duration of the subsurface event is usually longer. Substantial unfavourable consequences of the underground flood is damage to buildings and infrastructure caused by increased uplift forces and the penetration of water into buildings. At the surface, the water movement can be mathematically described by the Navier-Stokes equations or simplifications of these equations. As a programme to model the movement of water on an inundated area, Ilmoflood is presented. For the subsurface, the Richards equation and the groundwater flow equation are appropriate. The Feflow groundwater simulation programme solves these two equations numerically. Between the water at the land surface and groundwater, bank storage, infiltration of water from an inundated area and return flow act as interchange processes. Thus, in order to predict the subsurface flood propagation, it is necessary to couple a surface flow model with a groundwater model. One focus of this dissertation work is the model coupling of Feflow and Ilmoflood with the OpenMI standard. The main challenge was to implement this standard into the commercial programme Feflow without changing the source code. This has been achieved with the help of network programming methods implemented into the Feflow programming interface. It is now possible, to use groundwater models already existing, which for example have been developed for water supply purpose, for the planning of flood protection measures. Against this background, it is investigated how the interchange processes can be modelled best with the available programme functions. For the bank storage process, field data from the literature for one subsurface flood event is analysed and in addition, numerical model investigations are carried out. The infiltration process is analysed with the help of analytical infiltration models and the numerical solution of the Richards equation. For the return flow, modelling aspects are discussed. Key findings are, that the bank storage can be modelled well with the existing leakage boundary condition in a groundwater model. For the vertical infiltration from an inundation area, leakage approaches are a simplified representation of the process, but considering these limitations, they are appropriate for the objective of this investigation. Several application cases are presented to give a better understanding of the subsurface flood processes and to explain, how the model coupling works.

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