Hydrodynamische Niederschlags-Abfluss-Simulationen für Gesamt-Berlin und Untersuchungen zur geeigneten Gitterauflösung
Creators: name: Gronau, Pia
Publisher: name: Zenodo
Year: 2023
Subjects: Rainfall-Runoff
Shallow Water Flow Simulation
Shallow Water Equations
High Performance Computing

description: Abstract (EN): Events of heavy rainfall can come with serious consequences in the form of flash floods. These are a risk for humans, buildings and property. To identify locations at risk and to be able to better protect them, hazard maps for heavy rain are an important tool. These can show water depths and flow velocities of simulated events, thus help the risk analysis. In most cases only small areas can be simulated with a resolution with a cell length of 1 m, due to the high computing and time effort. This thesis aimed to set up and test for the first time a hydrodynamic rainfall-runoff model for the entire area of Berlin with an area of approximately 900 km2. Different grid cell sizes have been investigated to give a recommendation, which grid resolution is most suitable concerning the accuracy of the results but also the computing time and feasibility. Therefore a digital elevation model was created for Berlin with open source data from Geoportal Berlin (FIS-Broker). Furthermore, spatially distributed friction coefficients were selected based on the land use types. After setting-up the model, a statistical rain event with a recurrence period of 100 years, a duration of 60 minutes and a temporal rainfall distribution according to the Euler type II design storm was simulated. The sewerage and possible infiltration were not included in the simulations. Grid cell sizes between 6 m x 6 m and 15 m x 15 m were simulated through hms++, a program for solving the shallow water equations. All simulations were carried out on a supercomputer and the results from different grid resolutions were compared. The time of simulation increases significantly with reduction of the grid cell size. While there are hardly any differences between the simulation result of the different grid resolutions when looking at Berlin as a whole, it is found that areas examined more closely have noticeable deviations in some cases. The maximum water depths and flow velocities reached also differ depending on the grid resolution. With a cell length of 15 m, a water depth up to 1.995 m and a flow velocity of 2.66 m/s was achieved, while with 6 m the water depth and flow velocity were calculated to be a maximum of 3.492 m and 3.33 m/s. Therefore, it is recommended to use a grid cell length of 10 m for the whole city, but areas that are to be analyzed more precisely should be simulated with a higher resolution. Abstract (DE): Starkregenereignisse können schwerwiegende Folgen in Form von Sturzfluten mit sich bringen. Diese stellen eine Gefahr für Menschenleben, Bauwerke und Sachgegenstände dar. Um gefährdete Stellen ausfindig zu machen und besser schützen zu können, sind Starkregengefahrenkarten ein wichtiges Instrument. Diese können für simulierte Ereignisse Wassertiefen und Fließgeschwindigkeiten anzeigen und helfen somit der Risikoanalyse. Da die Simulationen sehr rechen- und zeitaufwendig sind, werden jedoch meist nur kleinere Gebiete mit einer Zelllänge von 1 m oder weniger betrachtet. Diese Arbeit beabsichtigt erstmalig ein hydrodynamisches Niederschlag-Abflussmodel für Gesamt- Berlin, einem ungefähr 900 km2 großen Gebiet, zu erstellen. Verschiedene Gitterzellgrößen wurden untersucht, um eine Empfehlung abzugeben, welche Zellgröße am passendsten bezüglich der Genauigkeit der Ergebnisse sowie der Berechnungszeit und Durchführbarkeit ist. Dafür wurde zunächst mit Hilfe über das Geoportal Berlin (FIS-Broker) öffentlich zugänglichen Daten ein digitales Höhenmodell von Berlin erstellt, für welches ebenfalls flächennutzungsbasierte Reibungsbeiwerte ermittelt wurden. Danach wurde ein Regenereignis mit einer Jährlichkeit von 100 Jahren, Dauer von 60 Minuten und einer zeitlichen Verteilung nach Modellregen Euler Typ II simuliert. Das Kanalnetz und mögliche Infiltration wurden bei den Simulationen nicht inkludiert. Es werden Zellgrößen zwischen 6 m x 6 m und 15 m x 15 m mit hms++, einer an der TU Berlin entwickelten Software zur numerischen Lösung der Flachwassergleichungen, auf Supercomputern simuliert und anschließend verglichen. Die Simulationszeit steigt dabei stark mit Verkleinerung der Zellgrößen. Während bei der Betrachtung der Simulations-Ergebnisse für Gesamt-Berlin kaum Unterschiede auffallen, wird festgestellt, dass näher betrachtete Bereiche teilweise sichtbare Abweichungen besitzen. Die maximal erreichten Wassertiefen und Fließgeschwindigkeiten unterscheiden sich ebenfalls je nach Gitterauflösung. So wurde bei einer Zelllänge 15 m eine Wassertiefe bis zu 1,995 m und eine Fließgeschwindigkeit von 2,66 m/s erreicht, während bei 6 m die Wassertiefe maximal 3,492 m und eine Fließgeschwindigkeit bis zu 3,33 m/s berechnet wurden. Es wird empfohlen für Gesamt-Berlin ein Gitter mit Zellen von 10 m x 10 m zu verwenden, Bereiche, welche genauer analysiert werden sollen, sollten jedoch mit einem feineren Gitter simuliert werden.