2D-Strömungsmodell HaselbachEinsatz von BASEMENT zur Evaluierung, Dimensionierung und

Optimierung von Hochwasserschutzmassnahmen

Michel Kuhlmann

TK Consult AG

27.01.2016

Michel Kuhlmann (TK) 2D-Strömungsmodell Haselbach 27.01.2016 1 / 18

Outline

1 Einleitung

2 Modellaufbau

3 Diskussion

4 Referenzen

Michel Kuhlmann (TK) 2D-Strömungsmodell Haselbach 27.01.2016 2 / 18

Einleitung

Outline

1 Einleitung

2 Modellaufbau

3 Diskussion

4 Referenzen

Michel Kuhlmann (TK) 2D-Strömungsmodell Haselbach 27.01.2016 3 / 18

Einleitung

Situation

Michel Kuhlmann (TK) 2D-Strömungsmodell Haselbach 27.01.2016 4 / 18

Einleitung

Haselbach

Einzugsgebiet: 9.6 km2

Mittlerer Ab�uss: ≈ 150 l/s

HQ100: 19 m3/s

AWEL Ab�ussmessstation in Mettmenstetten

Michel Kuhlmann (TK) 2D-Strömungsmodell Haselbach 27.01.2016 5 / 18

Einleitung

Projektkontext

Schwere Hochwasser 2007 und 2008(Analyse durch Pöyry [1])

Vorprojekt und Variantenstudium(Hydraulik: 1D, Niederer und Pozzi,2008 [3])

Projektausarbeitung durch Staubli,Kurath & Partner; (Hydraulik: 2D, TKConsult AG, 2015)

Bauherr: AWEL

Figure: Überflutung 2008 [1]

Michel Kuhlmann (TK) 2D-Strömungsmodell Haselbach 27.01.2016 6 / 18

Einleitung

Projektkontext

Schwere Hochwasser 2007 und 2008(Analyse durch Pöyry [1])

Vorprojekt und Variantenstudium(Hydraulik: 1D, Niederer und Pozzi,2008 [3])

Projektausarbeitung durch Staubli,Kurath & Partner; (Hydraulik: 2D, TKConsult AG, 2015)

Bauherr: AWEL

Figure: Überflutung 2008 [1]

Michel Kuhlmann (TK) 2D-Strömungsmodell Haselbach 27.01.2016 6 / 18

Einleitung

Projektkontext

Schwere Hochwasser 2007 und 2008(Analyse durch Pöyry [1])

Vorprojekt und Variantenstudium(Hydraulik: 1D, Niederer und Pozzi,2008 [3])

Projektausarbeitung durch Staubli,Kurath & Partner; (Hydraulik: 2D, TKConsult AG, 2015)

Bauherr: AWEL

Figure: Überflutung 2008 [1]

Michel Kuhlmann (TK) 2D-Strömungsmodell Haselbach 27.01.2016 6 / 18

Einleitung

Projektkontext

Schwere Hochwasser 2007 und 2008(Analyse durch Pöyry [1])

Vorprojekt und Variantenstudium(Hydraulik: 1D, Niederer und Pozzi,2008 [3])

Projektausarbeitung durch Staubli,Kurath & Partner; (Hydraulik: 2D, TKConsult AG, 2015)

Bauherr: AWEL

Figure: Überflutung 2008 [1]

Michel Kuhlmann (TK) 2D-Strömungsmodell Haselbach 27.01.2016 6 / 18

Einleitung

Hochwasserschutzkonzept

Durchleiten derHochwasserspitze durchÜber�utungskorridor

Sohlenabsenkung

Massnahmen zur Sicherung desÜber�utungskorridors (Damm-,Uferverbau)Ausleitung

Variante 1 Streichwehr

Variante 2 Dosierbauwerk

Michel Kuhlmann (TK) 2D-Strömungsmodell Haselbach 27.01.2016 7 / 18

Einleitung

Hochwasserschutzkonzept

Durchleiten derHochwasserspitze durchÜber�utungskorridor

Sohlenabsenkung

Massnahmen zur Sicherung desÜber�utungskorridors (Damm-,Uferverbau)Ausleitung

Variante 1 Streichwehr

Variante 2 Dosierbauwerk

Michel Kuhlmann (TK) 2D-Strömungsmodell Haselbach 27.01.2016 7 / 18

Einleitung

Hochwasserschutzkonzept

Durchleiten derHochwasserspitze durchÜber�utungskorridor

Sohlenabsenkung

Massnahmen zur Sicherung desÜber�utungskorridors (Damm-,Uferverbau)

AusleitungVariante 1 Streichwehr

Variante 2 Dosierbauwerk

Michel Kuhlmann (TK) 2D-Strömungsmodell Haselbach 27.01.2016 7 / 18

Einleitung

Hochwasserschutzkonzept

Durchleiten derHochwasserspitze durchÜber�utungskorridor

Sohlenabsenkung

Massnahmen zur Sicherung desÜber�utungskorridors (Damm-,Uferverbau)Ausleitung

Variante 1 Streichwehr

Variante 2 Dosierbauwerk

Michel Kuhlmann (TK) 2D-Strömungsmodell Haselbach 27.01.2016 7 / 18

Einleitung

Hochwasserschutzkonzept

Durchleiten derHochwasserspitze durchÜber�utungskorridor

Sohlenabsenkung

Massnahmen zur Sicherung desÜber�utungskorridors (Damm-,Uferverbau)Ausleitung

Variante 1 StreichwehrVariante 2 Dosierbauwerk

Michel Kuhlmann (TK) 2D-Strömungsmodell Haselbach 27.01.2016 7 / 18

Modellaufbau

Outline

1 Einleitung

2 Modellaufbau

3 Diskussion

4 Referenzen

Michel Kuhlmann (TK) 2D-Strömungsmodell Haselbach 27.01.2016 8 / 18

Modellaufbau

Erstellung des Berechnungsnetzes

Grundlagen: Messpunkte undBruchkanten im Gerinne undÜber�utungsperimeter

Triangulation der Messpunktemit Restriktion der Bruchkanten

Extrahieren von Querpro�len(QP) entlang des Gerinnes unddes Korridors

Einfügen von Zwischenpunkteninnerhalb QP

Erneutes Triangulieren

Michel Kuhlmann (TK) 2D-Strömungsmodell Haselbach 27.01.2016 9 / 18

Modellaufbau

Erstellung des Berechnungsnetzes

Grundlagen: Messpunkte undBruchkanten im Gerinne undÜber�utungsperimeter

Triangulation der Messpunktemit Restriktion der Bruchkanten

Extrahieren von Querpro�len(QP) entlang des Gerinnes unddes Korridors

Einfügen von Zwischenpunkteninnerhalb QP

Erneutes Triangulieren

Michel Kuhlmann (TK) 2D-Strömungsmodell Haselbach 27.01.2016 9 / 18

Modellaufbau

Erstellung des Berechnungsnetzes

Grundlagen: Messpunkte undBruchkanten im Gerinne undÜber�utungsperimeter

Triangulation der Messpunktemit Restriktion der Bruchkanten

Extrahieren von Querpro�len(QP) entlang des Gerinnes unddes Korridors

Einfügen von Zwischenpunkteninnerhalb QP

Erneutes Triangulieren

Michel Kuhlmann (TK) 2D-Strömungsmodell Haselbach 27.01.2016 9 / 18

Modellaufbau

Erstellung des Berechnungsnetzes

Grundlagen: Messpunkte undBruchkanten im Gerinne undÜber�utungsperimeter

Triangulation der Messpunktemit Restriktion der Bruchkanten

Extrahieren von Querpro�len(QP) entlang des Gerinnes unddes Korridors

Einfügen von Zwischenpunkteninnerhalb QP

Erneutes Triangulieren

Michel Kuhlmann (TK) 2D-Strömungsmodell Haselbach 27.01.2016 9 / 18

Modellaufbau

Erstellung des Berechnungsnetzes

Grundlagen: Messpunkte undBruchkanten im Gerinne undÜber�utungsperimeter

Triangulation der Messpunktemit Restriktion der Bruchkanten

Extrahieren von Querpro�len(QP) entlang des Gerinnes unddes Korridors

Einfügen von Zwischenpunkteninnerhalb QP

Erneutes Triangulieren

Michel Kuhlmann (TK) 2D-Strömungsmodell Haselbach 27.01.2016 9 / 18

Modellaufbau

Erstellung des Berechnungsnetzes

Grundlagen: Messpunkte undBruchkanten im Gerinne undÜber�utungsperimeter

Triangulation der Messpunktemit Restriktion der Bruchkanten

Extrahieren von Querpro�len(QP) entlang des Gerinnes unddes Korridors

Einfügen von Zwischenpunkteninnerhalb QP

Erneutes Triangulieren

Michel Kuhlmann (TK) 2D-Strömungsmodell Haselbach 27.01.2016 9 / 18

Modellaufbau

Diskretisierung Berechnungsnetz (Ist-Zustand)

Michel Kuhlmann (TK) 2D-Strömungsmodell Haselbach 27.01.2016 10 / 18

Modellaufbau

Kalibrierung Hochwasser 2008

Hochwasserspuren im Gerinne und imÜber�utungsbereich

Ab�ussganglinie MessstationMettmenstetten

Nachbilden des historischen Ereignis mitBASEMENT

Zuweisen von ReibungsbeiwertzonenKalibrierung mit PEST [2]

Iterative Anpassung derReibungsbeiwerte (Zonen)Minimierung der Residuen(Simulationsergebnis - Beobachtung)Parallelisierbar auf mehreren Rechnern

Michel Kuhlmann (TK) 2D-Strömungsmodell Haselbach 27.01.2016 11 / 18

Modellaufbau

Kalibrierung Hochwasser 2008

Hochwasserspuren im Gerinne und imÜber�utungsbereich

Ab�ussganglinie MessstationMettmenstetten

Nachbilden des historischen Ereignis mitBASEMENT

Zuweisen von ReibungsbeiwertzonenKalibrierung mit PEST [2]

Iterative Anpassung derReibungsbeiwerte (Zonen)Minimierung der Residuen(Simulationsergebnis - Beobachtung)Parallelisierbar auf mehreren Rechnern

Michel Kuhlmann (TK) 2D-Strömungsmodell Haselbach 27.01.2016 11 / 18

Modellaufbau

Kalibrierung Hochwasser 2008

Hochwasserspuren im Gerinne und imÜber�utungsbereich

Ab�ussganglinie MessstationMettmenstetten

Nachbilden des historischen Ereignis mitBASEMENT

Zuweisen von ReibungsbeiwertzonenKalibrierung mit PEST [2]

Iterative Anpassung derReibungsbeiwerte (Zonen)Minimierung der Residuen(Simulationsergebnis - Beobachtung)Parallelisierbar auf mehreren Rechnern

Michel Kuhlmann (TK) 2D-Strömungsmodell Haselbach 27.01.2016 11 / 18

Modellaufbau

Kalibrierung Hochwasser 2008

Hochwasserspuren im Gerinne und imÜber�utungsbereich

Ab�ussganglinie MessstationMettmenstetten

Nachbilden des historischen Ereignis mitBASEMENT

Zuweisen von Reibungsbeiwertzonen

Kalibrierung mit PEST [2]Iterative Anpassung derReibungsbeiwerte (Zonen)Minimierung der Residuen(Simulationsergebnis - Beobachtung)Parallelisierbar auf mehreren Rechnern

Michel Kuhlmann (TK) 2D-Strömungsmodell Haselbach 27.01.2016 11 / 18

Modellaufbau

Kalibrierung Hochwasser 2008

Hochwasserspuren im Gerinne und imÜber�utungsbereich

Ab�ussganglinie MessstationMettmenstetten

Nachbilden des historischen Ereignis mitBASEMENT

Zuweisen von ReibungsbeiwertzonenKalibrierung mit PEST [2]

Iterative Anpassung derReibungsbeiwerte (Zonen)Minimierung der Residuen(Simulationsergebnis - Beobachtung)Parallelisierbar auf mehreren Rechnern

BASEMENT

Rauigkeiten/Knotenhöhe

ResiduenMessungen/Zielwerte

Randbed.

Michel Kuhlmann (TK) 2D-Strömungsmodell Haselbach 27.01.2016 11 / 18

Modellaufbau

Bauvarianten Ausleitung

Zielvorgabe fürs HQ100 (≡ 19 m3/s)14 m3/s Gerinne5 m3/s Korridor

Variante Streichwehr

Variante Dosierbauwerk

Michel Kuhlmann (TK) 2D-Strömungsmodell Haselbach 27.01.2016 12 / 18

Modellaufbau

Bauvarianten Ausleitung

Zielvorgabe fürs HQ100 (≡ 19 m3/s)14 m3/s Gerinne5 m3/s Korridor

Variante Streichwehr

Variante Dosierbauwerk

Michel Kuhlmann (TK) 2D-Strömungsmodell Haselbach 27.01.2016 12 / 18

Modellaufbau

Bauvarianten Ausleitung

Zielvorgabe fürs HQ100 (≡ 19 m3/s)14 m3/s Gerinne5 m3/s Korridor

Variante Streichwehr

Variante Dosierbauwerk

Michel Kuhlmann (TK) 2D-Strömungsmodell Haselbach 27.01.2016 12 / 18

Modellaufbau

Optimierung Variante Streichwehr

Implementierung einesStreichwehrs durch grossräumigeGeländeanpassungen

Anpassung desBerechnungsnetztes viaMakro-Netz

Optimierung Höhe derMakro-Netz-KnotenGleiche Technik zur Zuweisungder Knotenhöhe derSohlenabsenkung, Ufer- undDammverbau.

→ eine Berechnungsnetz-Diskretisierung

Michel Kuhlmann (TK) 2D-Strömungsmodell Haselbach 27.01.2016 13 / 18

Modellaufbau

Optimierung Variante Streichwehr

Implementierung einesStreichwehrs durch grossräumigeGeländeanpassungen

Anpassung desBerechnungsnetztes viaMakro-Netz

Optimierung Höhe derMakro-Netz-KnotenGleiche Technik zur Zuweisungder Knotenhöhe derSohlenabsenkung, Ufer- undDammverbau.

→ eine Berechnungsnetz-Diskretisierung

Michel Kuhlmann (TK) 2D-Strömungsmodell Haselbach 27.01.2016 13 / 18

Modellaufbau

Optimierung Variante Streichwehr

Implementierung einesStreichwehrs durch grossräumigeGeländeanpassungen

Anpassung desBerechnungsnetztes viaMakro-Netz

Optimierung Höhe derMakro-Netz-Knoten

Gleiche Technik zur Zuweisungder Knotenhöhe derSohlenabsenkung, Ufer- undDammverbau.

→ eine Berechnungsnetz-Diskretisierung

Michel Kuhlmann (TK) 2D-Strömungsmodell Haselbach 27.01.2016 13 / 18

Modellaufbau

Optimierung Variante Streichwehr

Implementierung einesStreichwehrs durch grossräumigeGeländeanpassungen

Anpassung desBerechnungsnetztes viaMakro-Netz

Optimierung Höhe derMakro-Netz-KnotenGleiche Technik zur Zuweisungder Knotenhöhe derSohlenabsenkung, Ufer- undDammverbau.

→ eine Berechnungsnetz-Diskretisierung

Michel Kuhlmann (TK) 2D-Strömungsmodell Haselbach 27.01.2016 13 / 18

Modellaufbau

Optimierung Variante Streichwehr

Implementierung einesStreichwehrs durch grossräumigeGeländeanpassungen

Anpassung desBerechnungsnetztes viaMakro-Netz

Optimierung Höhe derMakro-Netz-KnotenGleiche Technik zur Zuweisungder Knotenhöhe derSohlenabsenkung, Ufer- undDammverbau.

→ eine Berechnungsnetz-Diskretisierung

Michel Kuhlmann (TK) 2D-Strömungsmodell Haselbach 27.01.2016 13 / 18

Modellaufbau

Implementierung des Durchlasses (Variante Dosierbauwerk)

Innere Randbedingung gate

Modellierte Durchlasshöhe (v2.5.1) konnte nicht in Übereinstimmungmit analytischer Lösung gebracht werden→ Änderung am Basement-Code (v2.5.2)

Innere Randbedingung hqrelation

Ableitung HQ-Beziehung aus analytischer LösungVerifizierung durch Floris 1D-Modell (geschlossene Querprofile)

Michel Kuhlmann (TK) 2D-Strömungsmodell Haselbach 27.01.2016 14 / 18

Diskussion

Outline

1 Einleitung

2 Modellaufbau

3 Diskussion

4 Referenzen

Michel Kuhlmann (TK) 2D-Strömungsmodell Haselbach 27.01.2016 15 / 18

Diskussion

Durchlassimplementierungen

gate

gate funktioniert immer noch nicht gut wenn der Querschnitt variierthqrelation

externes Tool zur Ableitung einer HQ-Beziehung (analytische Lösungoder 1D Berechnungen)

geometrische EinengungWunschdenken:

gate bis Brückenunterkante, dann hqrelationGeschlossene Querprofile in BASEchain + Kopplung (1D, 2D)

Eindolungen

Durchlässe

Kanalisation

Michel Kuhlmann (TK) 2D-Strömungsmodell Haselbach 27.01.2016 16 / 18

Referenzen

Outline

1 Einleitung

2 Modellaufbau

3 Diskussion

4 Referenzen

Michel Kuhlmann (TK) 2D-Strömungsmodell Haselbach 27.01.2016 17 / 18

Referenzen

Referenzen I

Pöyry Energy AG. Haselbach in Knonau � Analyse der Hochwasser

vom 8. August 2007 und 10. Juni 2008. 2008.

John Doherty. Model-Independent Parameter Estimation and

Uncertainty Analysis. Version 12.2.0. 2012. URL:http://www.pesthomepage.org.

Niederer und Pozzi Umwelt AG,Seippel Landschaftsarchitekten GmbH, andAquaTerra Umweltberatung. Gemeinde Knonau

Hochwasserschutzkonzept Haselbach � Variantenstudium und

Vorprojekt. 2008.

Michel Kuhlmann (TK) 2D-Strömungsmodell Haselbach 27.01.2016 18 / 18