Hydraulisches Modell der Bundeswasserstraße Main

Aktualisierung des SOBEK-Modells für die BfG

Der schiffbare Main ist eine bedeutende europäische Wasserstraße. Im Auftrag der BfG erstellte Hydrotec hydrodynamisch-numerische Modelle des 388 km langen Gewässerabschnitts.

Im Auftrag der BfG erstellte Hydrotec mit dem Programm SOBEK  ein hydraulisches Modell der Bundeswasserstraße Main. Die erste Modellvariante dient als detailliertes 1D-SOBEK Modell zur gewässerkundlichen Ist-Beschreibung. Aus ihr wurde eine zweite, rechenzeit-optimierte Variante für die operationelle Wasserstandsvorhersage entwickelt. Zusätzlich war aus dem erarbeiteten SOBEK-Modell ein Datensatz für den flusshydrologischen Webdienst FLYS der BfG zu erstellen.

Für die Arbeitsschritte Modellaufbau, Kalibrierung und Validierung nutzten wir spezielle GIS-Werkzeuge sowie die Funktionen des Wasserspiegellagen-Programms Jabron. Maßnahmen zur Qualitätssicherung wurden projektbegleitend umgesetzt.

Modellanwendungen im Blick

Das Main-Modell der BfG dient in erster Linie der operationellen Wasserstandsvorhersage sowie der gewässerkundlichen Ist-Beschreibung. Daraus erwachsen verschiedene Anforderungen an das Modell:

• In der operationellen Vorhersage liegt der Fokus auf der Nachbildung des instationären Wellenablaufs und der Optimierung der Rechenzeit.
• Die gewässerkundliche Ist-Beschreibung erfordert eine korrekte Beschreibung der stationären Wasserstands- und Abflussverhältnisse.
• Um die Daten für den flusshydrologischen Webdienst FLYS einzusetzen, sind zusätzliche Datenformate und Längsschnitte zu diversen Themen zu erzeugen.

Die digitale Gewässerachse des Mains, die Fließzonen und die tabulierten Profile bilden das Gerüst des SOBEK-Modells.

DGM des Wasserlaufs Main

Als geometrische Grundlage für das hydrodynamischnumerische- Modell war ein digitales Geländemodell des Wasserlaufs (DGM-W) des gesamten Projektgebietes zu erstellen, das die abflussrelevanten Strukturen im Vorland sowie im Flussschlauch abbildet.

Die Grundlage für das DGM-W bildeten bestehende Teil-DGM-W, 2D-Modelle und ASCII-Daten unterschiedlicher Formate und Auflösung sowie Peildaten des Flussschlauches.

Für ein einheitliches DGM-W wurden die bestehenden Teilmodelle des DGM-W entlang des Mainverlaufs nach ETRS89 projiziert und ein Raster mit einer Auflösung von 1 x 1 m berechnet.

Zur Qualitätssicherung erfolgten Datenabgleiche im GIS und in der Querprofildatenbank, um nachzuweisen, dass das DGM-W das Gelände und den Flussschlauch korrekt abbildet.

Über 6000 Querprofile ableiten und verwalten

Mit der Querprofil-Datenbank in Jabron ließen sich die über 6.000 Querprofile für das SOBEKModell bzw. den FLYS-Datensatz zuverlässig und effizient handhaben.

Das SOBEK-Modell und der FLYS-Datensatz basieren auf tabulierten Querprofilen entlang der Gewässerachse. Diese werden aus Profilspuren und dem DGM abgeleitet und in eine Jabron-Datenbank eingelesen. Zur Reduktion der Datenmenge erfolgte eine intelligente Ausdünnung nach Douglas-Peucker.

Die Profilspuren für das SOBEK-Modell haben einen Abstand von 200 m und verlaufen entlang des Fließweges über die Wehre. Für den FLYS-Datensatz liegen sie im 100 m-Abstand vor und folgen der Bundeswasserstraße über die Schleusen. Aufgrund dieser Unterschiede waren nach gemeinsamer Profilgenerierung und Attributierung zwei separate Querprofildatensätze mit insgesamt über 6.000 Querprofilen zu erstellen.

Die in Jabron implementierte Querprofildatenbank erwies sich als zuverlässiges Werkzeug zur Verwaltung der umfangreichen Informationen.

• Aufbereitung und Kontrolle der Eingangsdaten
• Erzeugung und Qualitätssicherung des DGM-W

JabView/JabMap

• Erstellen der Jabron-Querprofile aus den Profilspuren und dem DGM-W

Jabron

• Datenhaltung der Querprofilinformationen
• Nachbearbeitung der Querprofile
• Attributierung der hydraulischen Profilgliederung in der Querprofilansicht
• Plausibilisierung der Attribute in der Längsschnittdarstellung
• Datenhaltung und Auswertung der SOBEKModellergebnisse

Ausgabe-Programme aus Jabron

• Erzeugung der FLYS-Dateien und der Linien-Shape-Datei
• Erzeugung der 30 Längsschnitte für Wasserspiegel und Fließgeschwindigkeiten für FLYS

SOBEK

• Simulation
• Erstellung eines rechenzeit-optimierten Modells

JabPlot

• Erstellung von Längsschnitten für HQ100 und HQextrem
• Bewertung der stationären Modellkalibrierung/-validierung anhand von Längsschnitten entlang der Gewässerachse

TimeView/Python-Extension

• Bewertung der instationären Modellkalibrierung/-validierung anhand von Gangliniendarstellungen von Wasserstand, Abfluss sowie den Differenzen zu den jeweiligen Messwerten

SOBEK-Modell Main mit Informationen zu Bauwerken

Die digitale Gewässerachse des Mains und die tabulierten Profile bilden das Gerüst des SOBEK-Modells. Jedes Querprofil dient gleichzeitig als Berechnungsknoten (calculation point) im Modell. Ergänzend wurden Bauwerke wie Wehre, Schleusen, Kraftwerke oder Brücken analysiert und eingearbeitet.

Auf der abzubildenden Gewässerstrecke befinden sich insgesamt 34 Staustufen, die als Wehr-Kraftwerk-Kombinationen im SOBEK-Modell implementiert sind. Hier war zu entscheiden, wie das SOBEK-Modell den Fließweg und die Abflusssteuerung realitätsnah abbildet.

Zur Modellierung der Steuerung der Wehr-Kraftwerk-Kombinationen kommen in SOBEK PID-Regler zum Einsatz. Diese erhalten als Eingangsgrößen das angestrebte Stauziel (Sollwert) am Oberwasserpegel, den aktuellen Wasserstand (Istwert) und die Wehrkrone (Stellgröße). Die abschließenden Schritte Kalibrierung und Validierung anhand von Messdaten belegten, dass das aufgebaute Modell das Abflussverhalten des Mains gut wiedergibt.

Rechenzeit-Optimierung für die operationelle Abflussvorhersage

Die Vorhersagemodellierung umfasst eine Berechnungsdauer von sechs Tagen pro Vorhersage-Szenario. Der damit verbundene Rechenlauf soll nicht länger als zwei bis drei Minuten benötigen.

In einem iterativen Prozess wurde das Ausgangsmodell wie folgt verändert:

• Vereinfachung der Bauwerkssteuerung
• Reduzierung der verwendeten Querprofile
• Analyse und Bearbeitungen der rechenzeitsensitiven Modellbereiche

Mit dem so angepassten SOBEK-Modell werden die Anforderungen an die Modellgenauigkeit und die Rechenzeit von 2:30 Minuten eingehalten.

FLYS-Datensatz Main aktualisiert

Des Weiteren wurde innerhalb des Projektes ein aktualisierter FLYS-Datensatz mit einem Profilabstand von 100 m erzeugt, der die gesamte BWStr Main umfasst. Mit dem kalibrierten SOBEK-Modell wurden zudem 30 stationäre Abfluss-Szenarien berechnet, aus deren Ergebnissen Längsschnitte der Wasserspiegellagen und Fließgeschwindigkeiten sowie Volumen-Abfluss-Beziehungen generiert wurden.

Mit diesen Daten stehen der Binnenschifffahrt künftig über den flusshydrologischen Webdienst FLYS aktualisierte Main-Daten zur Verfügung.

Professor Dr.-Ing. Alpaslan Yörük,
Dr.-Ing. Ellen-Rose Trübger