Künstliche Hochwasser an der Saane : hydraulische Modellierung und Bewertung der Auswirkungen auf einen Auenabschnitt mittels Remote-Sensing-Daten
Creators: name: Fankhauser, Simon
Publisher: name: ZHAW Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften
Year: 2022
Subjects: Künstliche Hochwasser
Hydromorphologische Simulation
Environmental flows
Flussauen
Saane
Habitat change
Remote sensing
Bildklassifizierung
HMID
Sohlenschubspannung
333: Bodenwirtschaft und Ressourcen

description: Die Wasserkraft wird als das Rückgrat der schweizerischen Stromproduktion angesehen, macht diese doch mehr als die Hälfte der inländischen Stromproduktion aus. Im Zuge der nationalen Energiestrategie 2050 soll die Produktion weiter ausgebaut werden. Die Wasserkraftnutzung führt allerdings auch zur Beeinträchtigung des natürlichen Abfluss- und Geschieberegimes und dadurch u.a. zu einer mangelnden Abfluss- und Geschiebedynamik. Dies hat sowohl negative Einflüsse auf die natürlich vorkommenden Lebensräume in Fliessgewässern, wie auch auf gesellschaftlich relevante Ökosystemfunktionen. Eine Massnahme zur Minderung dieser Defizite unterhalb grösserer Speicherseen sind künstliche Hochwasser. Dabei wird für einen begrenzten Zeitraum der Grundablass des Staudammes geöffnet, um so die natürlicherweise vorkommenden Lebensraum- und Geschiebeumlagerungen zu reaktivieren. Für die Planung von künstlichen Hochwassern ist es wichtig, die hydraulischen, morphologischen und ökologischen Auswirkungen zu kennen, sowie die Abflussmengen und -spitzen optimal dimensionieren zu können. Ein Ort, wo diese künstlichen Hochwasser seit kurzer Zeit angewendet und untersucht werden, befindet sich an der Saane im Kanton Freiburg unterhalb des Rossens-Staudamms. Im Oktober 2020 fand hier das letzte künstliche Hochwasser statt, welches in dieser Arbeit untersucht und nachsimuliert wurde.
Das Ziel dieser Bachelorarbeit war einerseits die Weiterentwicklung eines bestehenden hydronumerischen Modells sowie eine Auswertung der Luftbilder vor und nach der künstlichen Flut. Die Resultate der hydrodynamischen und morphologischen Simulationen wurden mit den Felddaten (GPS-Messpunkte, drohnengestützte Bathymetrie und Orthofotos) abgeglichen und das Modell weiter kalibriert. Dabei wurde der Fokus insbesondere auf den Vergleich der Erosions- und Depositionsflächen zwischen Simulation und Feldbeobachtung gelegt, wofür ein neuer Workflow für die Auswertung der Datensätze in einem Geoinformationssystem (GIS) entwickelt wurde. Das optimierte Modell bildet den Ausgangszustand vor der Flut sehr gut ab und kann auch die morphologischen Effekte der Geschiebebewegungen durch das Hochwasser zufriedenstellend abbilden. Die Depositionsflächen werden um ca. 250% überschätzt, während die Erosionsflächen um ca. 60 % unterschätzt wurden. Da die Geschiebemobilisierung in beeinflussten Gerinnen u.a. durch Deckschichtbildung relativ schwierig zu modellieren ist, besteht bei der hydromorphologischen Simulation noch weiterer Kalibrierbedarf.
Es wurden verschiedene Hochwasser-Szenarien mit unterschiedlichen Abflussspitzen und Abflussspitzendauer simuliert und auf deren Effekt hinsichtlich der hydromorphologischen Diversität (HMID) und den herrschenden kritischen Schubspannungen zur Sohlenmobilisierung analysiert. Dabei konnte gezeigt werden, dass nicht unbedingt die höchsten Abflüsse auch zu den höchsten HMID-Werte führen, sondern ein Maximum bei 225 m3/s Abflussspitze resultierte. Die Auswertung der Schubspannung zeigt, dass es Abflüsse im Bereich von 300 m3/s benötigt, um grössere Bereiche der Überflutungsfläche mobilisieren zu können. Als Folgeschritt wäre zu prüfen, ob das Optimum der 225 m3/s Abflussspitze hinsichtlich HMID ein lokales Maximum ist oder auch bei einer Erweiterung des Modells Gültigkeit hat, weshalb Simulationen von weiteren Hochwasser-Szenarien wichtig sind.
description: Hydropower is seen as the backbone of Swiss electricity production, as it accounts for more than 50 % of the domestic electricity production. As part of the National Energy Strategy 2050, production shall to be further expanded. However, the use of hydropower also leads to the impairment of the natural runoff and bed load regime and thus, among other things, to a lack of runoff and bed load dynamics. This has both negative effects on the naturally occurring habitats in rivers and on socially beneficial ecosystem functions. One measure to reduce these deficits beneath larger reservoirs is artificial flooding, also known as Environmental Flows (eflows). The bottom outlet of the dam is opened for a limited period of time in order to reactivate the naturally occurring habitat and bedload relocations. When planning artificial floods, it is important to know the hydraulic, morphological and ecological effects and to be able to optimally dimension the flow rates and peaks. One place where these artificial floods have been used and investigated is on the River Saane in the canton of Fribourg below the Rossens dam. In October 2020 the last artificial flood took place here, which was examined and simulated in this work.
The aim of this Bachelor thesis was the further development of an existing hydronumeric model as well as an evaluation based on the aerial photos before and after the artificial flood. The results of the hydrodynamic and morphological simulations were compared with the field data (GPS measuring points, drone-supported bathymetry and orthophotos) and the model was further calibrated. The focus was in particular on the comparison of the erosion and deposition areas between simulation and field observation, for which a new workflow for the evaluation of the data sets in a geographic information system (GIS) was developed. The optimized model reproduces the initial state before the flood very well and can also satisfactorily represent the morphological effects of the bed load movements caused by the flood. The deposition areas are overestimated by approx. 250%, while the erosion areas are underestimated by approx. 60%. Since the sediment mobilization in influenced channels is relatively difficult to model due to the formation of cover layers, there is still a need for further calibration on the hydromorphological simulation.
Different flood scenarios with different discharge peaks and discharge peak durations were simulated and their effect in terms of hydromorphological diversity (HMID) and the prevailing critical shear stresses for floor mobilization were analysed. It could be shown that the highest runoffs do not necessarily lead to the highest HMID values, but that a maximum of 225 m3/s peak flow resulted. The evaluation of the shear stress shows that discharges in the range of 300 m3/s are required in order to be able to mobilize larger areas of the floodplain. The next step would be to check whether the optimum of the 225 m3/s discharge peak with regard to HMID is a local maximum or it is also valid if the model is expanded, which is why simulations of further flood scenarios are important.