Projekt HORIX ausführlich

PROJEKTBESCHREIBUNG

PROJEKTTITEL

Entwicklung eines operationell einsetzbaren Expertensystems zum Hochwasserrisikomanagement unter Berücksichtigung der Vorhersageunsicherheit (HORIX)

Logo Bundesministerium für Bildung und Forschung

BMBF - Fördermaßnahme: Risikomanagement extremer Hochwasserereignisse (RIMAX)

Projektträger Jülich (FKZ:0330699A)

 

PROJEKTZIELE

Gesamtziel des Vorhabens

Ziel des Vorhabens ist die Verbesserung des Hochwassermanagements in mesoskaligen Einzugsgebieten der Mittelgebirge auf Basis der Hochwasserwirkungskette „Niederschlagsvorhersage – Niederschlag-Abfluss-Modell – hydraulisches Modell“. Dabei sollen insbesondere die Modellunsicherheiten der Teilelemente der Wirkungskette analysiert und zu einer gesamten Vorhersageunsicherheit integriert werden, um so frühzeitigere und zuverlässigere Warnungen zu ermöglichen. Mit Hilfe eines zu entwickelnden regelbasierten Expertensystems werden die Unsicherheiten in den Prozess der Hochwasserwarnung und der Gefährdungsabschätzung einbezogen und können so zu einem effizienteren Hochwassermanagement beitragen. Ein Eingriff in bestehende Hochwasservorhersagesysteme soll nicht erfolgen. Das Expertensystem dient der Erweiterung des Vorhersagehorizonts und kann aufgrund der Kalibrierung in den ausgewählten Einzugsgebieten operationell eingesetzt werden.

Bezug des Vorhabens zu den förderpolitischen Zielen

Die BMBF-Ausschreibung „Risikomanagement extremer Hochwasserereignisse“ (Bekanntmachung des BMBF vom 22.03.2004, Dr. Heidborn) nennt drei förderpolitische Ziele, die unmittelbaren Bezug zu dem beantragten Projekt aufweisen:

Bereitstellung von verbesserten Instrumenten für die Analyse, Bewertung und Bewältigung von Hochwasserrisiken und Integration des Hochwasserrisikomanagements in das Flussgebietsmanagement.

Hochwasserrisiko wird häufig als Eintrittswahrscheinlichkeit, multipliziert mit den zu erwartenden Schäden, definiert. In diesem Sinne leistet das beantragte Projekt einen wichtigen Beitrag, indem es die Gefährdung sowohl hinsichtlich ihrer Auftretenswahrscheinlichkeit (mit Angaben zur Unsicherheit) analysiert als auch Grundlagen zur Ermittlung der Schäden in Form von Überschwemmungskarten bereitstellt. Die Integration der zu entwickelnden Methode in das Flussgebietsmanagement ist einfach zu realisieren, da ein regelbasiertes Expertensystem zur Verfügung gestellt werden soll.

Verbesserung der Hochwasserfrühwarnsysteme durch Analyse der Schnittstellen der Wirkungskette Niederschlagsvorhersage, Abflussmodellierung, Hochwasserwarnung, Katastrophenschutz und –bewältigung.

Die Analyse der Teilkomponenten der Hochwasserwirkungskette bis zur Hochwasserwarnung und deren Verknüpfung werden schwerpunktmäßig in dem Vorhaben behandelt. Ziel der Arbeiten ist es, Strategien zur Unsicherheitsminimierung zu entwickeln, die es möglich machen, unter dem Aspekt der Simulation extremer Ereignisse belastbare Prognosen des Abflusses zu erstellen. Folgende Punkte werden bearbeitet:

  • Minimierung der Modellunsicherheiten durch (automatisierte) Optimierung der Parameterwerte,
  • Quantifizierung der modell- und anwendungsgebietspezifischen Unsicherheitsmaße bei optimierten
    Parametern,
  • Bewertung der Prognosefähigkeit des Modells unter definierten Randbedingungen.

Dadurch, dass eine quantifizierbare Vorhersageunsicherheit in die Modellierung miteinbezogen wird, können Warnstufen differenzierter und frühzeitiger als bisher ausgegeben werden.

Entwicklung robuster Instrumente für das vorsorgende und operationelle Hochwassermanagement.

Das zu entwickelnde Expertensystem bildet die Hochwasserwirkungskette und deren Unsicherheit regelbasiert ab und besitzt daher eine systemimmanente Robustheit. Die bereitgestellten Überschwemmungskarten des Expertensystems können jederzeit für Katastrophenschutzübungen und für den Ereignisfall eingesetzt werden, um das Hochwasserbewusstsein zu schärfen bzw. Evakuierungsmaßnahmen vorzubereiten.

Wissenschaftliche und/oder technische Arbeitsziele des Vorhabens

Niederschlag-Abfluss-Simulationen sind für Hochwasservorhersagen in kleinen und mittleren Einzugsgebieten erforderlich, um Angaben über die Entwicklung der Hochwasserwelle und der assoziierten Überflutungsflächen und -tiefen für einen ausreichenden Vorhersagezeitraum treffen zu können. Die Hochwasserwirkungskette wird hier als Abfolge der Komponenten Niederschlagsvorhersage - Niederschlag-Abfluss-Modell - Hydraulisches Modell definiert. Das beantragte Forschungsprojekt geht dabei einen bedeutenden Schritt weiter als herkömmliche Systeme und integriert in diese Kette eine Quantifizierung der Vorhersageunsicherheit. Hierfür wird eine Methodik entwickelt, die die meteorologische Unsicherheit und die Unsicherheit hochwasserrelevanter hydrologischer und hydraulischer Parameter und deren Korrelation mit der Niederschlagsbelastung analysiert. Im Ergebnis wird - abhängig von der prognostizierten Niederschlagsentwicklung - auf ein Spektrum von vorab berechneten Hochwasserszenarien zurückgegriffen und entsprechende (dynamische) Gefährdungskarten bereitgestellt. Die Gefährdungskarten decken hierbei die zu erwartende Unsicherheit der Hochwasser-entwicklung ab. Die frühzeitige Warnung der Bevölkerung soll – zeitlich über die Hochwasservorhersage hinausgehend - durch Verwendung von Warnstufen erfolgen, indem bei Überschreiten von festgelegten Grenzwerten Hochwasseralarmpläne aktiviert werden. Das System ist nicht im klassischen Sinne operativ (Modellbetrieb mit Nachführung) sondern aufgrund des unmittelbaren Zugriffs und der Interpolation der Szenarien jederzeit einsetzbar. Für die praktische Anwendung der Modellkette ist ein robuster Aufbau konzipiert, der dem Anwender ein einfach zu bedienendes Expertensystem an die Hand gibt, das die Ergebnisse der verwendeten komplexen Modelle regelbasiert verarbeitet. Außerdem vermittelt das geplante System den Betreibern der Frühwarnsysteme das notwendige Wissen über die Sensitivität des jeweiligen Einzugsgebiets für variierte Niederschlagsszenarien bei fluterzeugenden Wetterlagen.

Die Berücksichtigung der Unsicherheiten erfolgt zeitabhängig, da bei kürzeren Vorhersagezeiten die Zuverlässigkeit der Vorhersagen steigt. Dadurch kann ein abgestuftes Alarmsystem bereitgestellt werden, das sich durch Minimierung von ausgelösten Fehlalarmen auszeichnet. Zusätzlich werden die Unsicherheitsbänder (z.B. minimale – maximale zu erwartende Überflutungstiefen) an die Bevölkerung bzw. Entscheidungsträger internetgestützt übermittelt und Hilfen zur Interpretation der Daten angeboten. Weiterhin kann durch Trainingsmöglichkeiten der Umgang mit Unsicherheiten gezielt vermittelt und gefördert werden, was nach Ansicht der Antragsteller generell als ein notwendiger Bestandteil in die komplexe Logistik einer Hochwasser-Frühwarnung einbezogen werden sollte.

 

Prinzipskizze zum strukturellen Aufbau des Forschungsvorhabens


PROJEKTPARTNER UND MITARBEITER

Download > HORIX Ausführliche Projektbeschreibung

Download > Projekt HORIX Poster in Deutsch und Englisch

Download > Poster (Teilprokjekt 1) Projektleitung, Modellkopplung und Entwicklung des internetbasierten Expertensystems

Download > Poster (Teilprojekt 2) Methoden zur Bestimmung der Unsicherheiten von N-A-Modellen

Download > Poster (Teilprojekt 4) Niederschlagsvorhersage und Expertensystem

Download > Poster (Teilprojekt 5) Unsicherheit hydraulischer Modelle

Download > Poster (Teilprojekt 6) Quantifizierung der Unsicherheiten und Abhängigkeiten der Modellparameter