A hydrodynamic-numerical model of the river Rhine [online]
Creators: name: Minh Thu, Pham Thi
Publisher: name: Karlsruhe
Year: 2002

description: Abstract

During the last centuries the river Rhine underwent a major
regulation process which separated the river­bed from its flood
plains and reduced the available areas for flooding. The river
was straightened and the consequence is the discharge
conditions were strongly changed and many recorded flood events
were occurred.
Serious floods at the river Rhine in 1993 and 1995 resulted in
the policy "Room for the Rivers" and in 1998 in the "Action Plan
Flood Defence" by the International Commission for Protection of
the Rhine (ICPR). The "Action Plan Flood Defence" aims at
improving the protection of people and goods against flood while
integrating ecological improvements of the Rhine and its flood
plains.
Targets include the enlargement of flood plains through dyke
displacement, the protection of valuable flood plains and flood
plain restoration. Further targets are the re­connection of the
rivers backwaters, the restoration of hydrological and
ecological interactions between river and flood plains and the
restoration of the riparian zone. Changing criteria for flood
retention areas will altogether contribute towards a more
natural river landscape with a higher flood regulation capacity
and larger biodiversity.
In order to quantitatively assess the effectiveness of flood
plain restoration measures on flood regulation, the
hydrodynamic­numerical model for the whole Rhine of the free
flowing section is constructed. It consists of a 500 km long
section of the Rhine River, starting at Maxau, the first gauging
station of the free flowing section of the Upper Rhine, and
ending at Lobith, the hydrology gauge at the border between
Germany and the Netherlands. The important main tributaries of
the Rhine (Neckar, Main, Nahe, Lahn, Mosel, Ahr, Sieg, Ruhr and
Lippe) are also included in this model; the contribution from
the Murg is considered at the gauge Maxau.
The hydrodynamic­numerical model (HN­Model) of the river Rhine
and its flood plain areas has the ability to predict the
response of the river to imposed change. These obtained
scenarios are of use to make political decisions and for the
common understanding of the role of the wetlands on flood
regulation. Furthermore, it is also useful for many different
engineering works: The HN­Model is required for the design of
flood control structures and for the assessment of impacts of
alternative dyke configurations and flood retention options on
the water level. And last but not least, the results obtained
from the HN­Model are the boundary conditions for 2­D and 3­D
numerical models and physical models and they are also one of
the very important data for GIS applications on water resources
management. Altogether, the HN­Model of the river Rhine gives a
clear understanding on how the river adjusted to previous
designs and plan implementations.
The HN­Model of the river Rhine is based on the computer
software CARIMA, developed by SOGREAH (Prof. Cung, France).
Since 1963, it has already been used successfully for the
large­scale Mekong delta mathematical model (in Vietnam) and for
many other large rivers on the World.
At the Institute for Water Resources Management and Agricultural
Engineering, University of Karlsruhe, CARIMA is used for the
projects of dyke replacements at the Lower Rhine with very good
practical results. This model was expanded, in order to be able
to assess the effects of different flood retention measures
(polder) on the flood discharge at the Lower Rhine. Here is the
different effect between free flowing polder and controlled
polder. Moreover the model for the Upper Rhine and Middle Rhine
was extended and it included an optimization of the control
works.
Now a mathematical model of the entire Rhine distance downstream
of the barrage Iffezheim is existing, with that the effects of
construction measures on the discharge of floodwater can be
determined.

Kurzfassung

Während der letzten Jahrhunderte wurden am Oberlauf des Rheins
gravierende Regulierungsmaßnahmen vorgenommen, die zu einer
harten Trennung des Flussbetts und des Vorlandes und zu einer
Reduzierung der Überflutungsgebiete führten. Dies hat zur Folge,
dass sich seither die Abflussverhältnisse stark verändert haben
und viele Hochwasserereignisse verzeichnet werden.
Nach den schwerwiegenden Hochwässern von 1993 und 1995 wurden
die Initiative "Räume für Flüsse" und der "Aktionsplan
Hochwasser" der "Internationalen Kommission zum Schutze des
Rheins" (IKSR) ins Leben gerufen.
Letzterer zielt auf die Verbesserung des Schutzes von Anwohnern
von Fließgewässern und Bauwerken vor Hochwasser, verbunden mit
einer Verbesserung des Ökosystems des Rheins und seiner
Vorländer, ab. Ziele sind die Vergrößerung der Vorländer durch
Verlegung der Deiche, der Schutz der noch vorhandenen
Rückhalteräume und die wieder Nutzbarmachung zuvor abgetrennter
Überflutungsflächen. Weitere Ziele sind der Wiederanschluss von
Altrheinarmen an den Hauptstrom, die Wiederherstellung des
hydrologischen und ökologischen Austauschs zwischen dem Rhein
und den Vorländern und die Instandsetzung der riparianen Zone.
Die veränderten Rahmenbedingungen werden letztenendes zu einer
natürlicheren Flusslandschaft mit einer größeren Vielfalt an
Flora und Fauna und zu einer besseren Hochwasserregulierung
führen.
Um die Auswirkungen einer Rückgewinnung von Rückhalteräumen auf
Hochwasserereignisse quantitativ nachzuweisen, wurde ein
hydrodynamisch­numerisches Modell für den gesamten
freifließenden Rhein erstellt. Es besteht aus einem 500 km
langen Teilabschnitt des Rheins von Maxau, dem ersten Pegel des
freifließenden Oberrheins, bis Lobith, dem hydrologischen Pegel
an der Grenze zwischen Deutschland und der Niederlande. Die
wichtigsten Nebenflüsse des Rheins (Neckar, Main, Nahe, Lahn,
Mosel, Ahr, Sieg, Ruhr und Lippe) wurden ebenfalls in dieses
Modell mit einbezogen; der Zufluss aus der Murg wird beim
Pegel Maxau mit berücksichtigt.
Das hydrodynamisch­numerische Modell (HN­Modell) des Rheins und
seiner Vorländer erlaubt die Vorhersage des Verhaltens des
Flusses bei einer Veränderung der äußeren Gegebenheiten. Die
daraus resultierenden Szenarien sind vorausetzung, um politische
Entscheidungen treffen zu können und um ein allgemeines
Verständnis des Einflusses von Vorländern auf die
Hochwasserregulierung zu erhalten. Weiterhin ist das HN­Modell
für viele Ingenieuranwendungen von Nutzen: Es wird für die
Planung von Bauwerken zur Hochwasserrückhaltung und für die
Bewertung der Auswirkungen von alternativen Deichverläufen und
Rückhaltegebieten benötigt. Die Ergebnisse dieses Modells
werden auch Rahmenbedingungen für 2­ und 3­dimensionale
numerische Modelle, physikalische Modelle und wichtige Daten für
GIS­gestützte Anwendungen für die Wasserwirtschaft liefern.
Insgesamt gesehen gibt das HN­Modell des Rheins einen genauen
Aufschluss über die Auswirkungen vergangener und zukünftiger
wasserbaulicher Maßnahmen.
Das HN­Modell des Rheins basiert auf der Computersoftware
CARIMA, entwickelt von SOGREAH (Prof. Cunge, Frankreich). Seit
1963 wurde dieses Programm bereits erfolgreich für viele große
Flussmodelle weltweit eingesetzt, wie zum Beispiel für das
umfangreiche mathematische Modell des Mekongdeltas in Vietnam.
Am Institut für Wasserwirtschaft und Kulturtechnik der
Universität Karlsruhe wird CARIMA bei Projekten für
Deichrückverlegungen am Niederrhein mit sehr guten Ergebnissen
für die Praxis eingesetzt. Dieses Modell wurde erweitert, um die
Auswirkungen unterschiedlicher Hochwasserrückhaltemaßnahmen
(Polder) auf den Hochwasserabfluss am Niederrhein abschätzen zu
können. Hierbei wurde zwischen Flutpoldern und gesteuerten
Poldern unterschieden. Des weiteren wurde das Modell auf den
Oberrhein und Mittelrhein erweitert und eine Optimierung der
Steuerung einbezogen. Nunmehr steht ein mathematisches Modell zu
Verfügung mit dem Auswirkungen von Baumaßnahmen auf den
Hochwasserabfluss in der gesamten Rheinstrecke unterhalb der
Staustuffe Iffezheim berechnet werden können.