Projekt KLIWA Project


KLIWA Teilprojekt A 2.1.6 "Analyse der Entstehung extremer Hochwasser"

Die Länder Baden-Württemberg und Bayern sowie der Deutsche Wetterdienst (DWD) haben für die Untersuchung von "Klimaveränderung und Konsequenzen für die Wasserwirtschaft (KLIWA)" eine Rahmenvereinbarung abgeschlossen. Darin sind verschiedene Einzelprojekte definiert. Das KLIWA Teilprojekt A 2.1.6 "Analyse der Entstehung extremer Hochwasser" wurde in Form von drei Teilprojekten vom Institut für Hydrologie im Auftrag der Landesanstalt für Umweltschutz Karlsruhe durchgeführt.

In 29 mesoskaligen Pegeleinzugsgebieten von Baden-Württemberg wurden Extremhochwasser (HQ > 10 a) untersucht und mögliche Erklärungsmuster für deren Entstehung herausgearbeitet. Für die Untersuchung stand eine ausführliche Datenbasis mit Raumdaten, meteorologischen und hydrologischen Daten zur Verfügung, wobei es darum ging allgemein gültige Aussagen über die Entstehung von Extremhochwassern im Raum Baden-Würrtemberg abzuleiten und nicht jedes einzelne Ereignis unter Verwendung vieler Detaildaten zu analysieren. Im folgenden sind die wichtigsten Ergebnisse zusammengefasst.

In einer eingehenden Analyse zur Bedeutung der Großwetterlagen bei der Entstehung extremer Hochwasser zeigte sich ein deutliche Dominanz der westlichen Großwetterlagen, die zusätzlich eine überdurchschnittlich lange Andauer aufwiesen. Regionale Muster konnten dabei nicht immer eindeutig zugewiesen werden, da einerseits der Untersuchungsraum relativ klein ist und andererseits aufgrund der Einschränkung auf Hochwasser, die mindestens einer Jährlichkeit von 10 erreichen, nur ein kleines Datenkollektiv zur verfügung stand. In einer erweiterten Untersuchung von weniger extremen Niederschlagsereignissen (>= 30mm/d) konnte eine hohe Korrelation zwischen bestimmten Großwetterlagen und dem regional uns saisonal verschiedenen Auftreten von Starkniederschlägen nachgewiesen werden.

Bei den Korrelationsanalysen zwischen gebietsspezifischen Parametern und Hochwasserkennwerten konnten einzelne Parameter (Parameter des Gefälles, Einzugsgebietsgröße bzw. -länge, Bodenwasserregime, u.a.) als erklärende Zielgrößen ausgewiesen werden, häufig waren die Korrelationen aber auch recht gering. Abgeleitete Größen zeigten kaum wesentliche Vorteile gegenüber den leichter zu erhebenden Grunddaten. Für die Gebietskenngrößen, die die Ausprägung der Hochwasserscheitelhöhen teilweise erklären konnten, nahmen die Korrelationen mit zunehmend extremeren Hochwasserkennwerten zu. Die Gebietsniederschläge bzw. die Gebietsniederschlagsdargebote hoher Jährlichkeiten konnten die Hochwasserkennwerte bemerkenswert gut erklären. So sind die 1-Tages-Winter-Gebietsniederschläge der Jäherlichkeit 100 bei einem r² vom 0,87 mit dem 100-jährlichem Hochwasserscheitelwerten korreliert. Auch hier nahmen die Korrelationen von den kleineren zu den größeren Jährlichkeiten zu.
Der Gebietsniederschlag bzw. das Gebietsniederschlagsdargebot erwiesen sich auch bei den Korrelationen der ereignisspezifischen Parameter als bedeutendste Einflussfaktoren für die Zielgrößen Scheitelabfluss und Direktabflussvolumen. In den multiplen Regressionsmodellen für die Winterereignisse war dies häufig die einzige aussagekräftige Prädiktorvariable. Wird das ganze Jahr betrachtet, spielen zusätzlich die Vorfeuchte (API7) und die Saisonalität eine Rolle. In den meisten Fällen liegt die Extremität der Abflussereignisse über denen der Niederschlagsereignisse. Insbesondere im Winter können auch Niederschlagsereignisse von geringer Jährlichkeit zu einem extremen Ereignis führen, während im Sommer auch Niederschläge hoher Jährlichkeit ohne entsprechendes Ereignis bleiben können. Dies lässt sich mit den gefüllten Speichern im Winter erklären. Für den Winter hat sich zusätzlich gezeigt, dass die extremsten Hochwasser auch nicht teilweise von Schneeschmelzereignissen, sondern von reinen Niederschlagsereignissen ausgelöst wurden.

Sowohl die Untersuchung der MHQ- und MHN-Regime als auch eine Saisonalitätsuntersuchung der Extremhochwasser zeigten eine ausgeprägte Saisonalität der Hochwasser und eine weniger stark ausgeprägte Saisonalität der Starkniederschläge. Dabei treten die höchsten Niederschläge mit Ausnahme des Schwarzwaldes und des Nordostens von Baden-Württemberg im hydrologischen Sommerhalbjahr auf, währen die höchsten Abflüsse mit Ausnahme des Alpenvorlandes im hydrologischen Winterhalbjahr auftraten. Zusätzlich lassen sich Regionen ausweisen, die in der Vergangenheit häufiger oder weniger häufig von schneeschmelzbeeinflussten Ereignissen im Winter betroffen waren.

Abschließend wurde versucht anhand der gewonnenen Erkenntnisse darzulegen, wie sich die Hochwasserbildung im Zuge einer Klimaveränderung in Baden-Württemberg entwickeln könnte. Dabei wäre zum einen ein Rückgang der Hochwassergefahr durch schneeschmelzbeeinflusste Ereignisse aufgrund des bestehenden negativen Trend der Schneedeckendauer in den unteren Höhenlagen möglich. Zum anderen könnte eine Zunahme von Starkniederschlägen in bestimmten Regionen die Wahrscheinlichkeit extremer Hochwasser erhöhen. Gesicherte Aussage sind aber aufgrund der unsicheren Klimaprognosen nicht möglich.

Analysis of extreme flood events

The states of Baden-Württemberg and Bayern together with the German Meteorological Survey (DWD) made a contract to investigate the consequences of climate change in the water resources management (KLIWA Klimaveränderungen und Konsequenzen für die Wasserwirtschaft). Different investigation projects were defined. The KLIWA Project A 2.1.6 "Analysis of extreme flood events" was carried out by the Institute of Hydrology on behalf of the Environment Protection Agency of Baden-Württemberg (Landesanstalt für Umweltschutz Baden-Württemberg).

The objective of this study was to investigate the significance of the meteorological input and the physiographic basin properties for runoff generation during extreme floods in 29 mesoscale catchments in southwest Germany. Extreme floods were defined here as floods with a recurrence interval greater than 10 years.

The analysis of the meteorological conditions during the floods showed a dominating westerly influence. In addition, there's a high correlation between certain meteorological circulation patterns and the occurrence of extreme rainfall events in some regions.
In different correlation analysis between the flood variables and catchment parameter and event parameter, respectively, some influencing variables were found. Some catchment parameter (catchment length, cathcment size, slope, etc.) can explain the flood variables to some extent. The catchment precipitations of hight recurrence interval (100 years) even can explain flood variables to a degree of 93%. For both, those catchment parametres that can explain flood variables to a namable extent, and the catchment preciptation parameters the correlation cofficients are inceasing with increasing extremety of flood variables.

In the majority of cases the flood events are more extreme than the corresponding rainfall events. Especially during winter, rainfall events with lower recurrence intervals can generate extreme floods, while during summer, rainfall events with higher recurrence intervals might not result in extreme floods at all. This can be explained with the wetter catchment conditions during winter time.
Investigating the MHQ- and MHN-regimes a well pronounced saisonality of floods and a less pronounced seasonality of hight rainfall was found. Except of two regions (Black Forest and the north-east part of Baden-Württemberg) high rainfall events occur in the main while summer. In Contrast to these most floods occur in Winter. Additionally, there are regions in Baden-Württemberg where flood events caused by snowmelt play a major role and other regions where snowmelt has no influence on extreme flood generation.

One objective was to give some statements about the development of extreme flood generation in the course of climate change in Baden-Württemberg. Because of the detected negative trend in the duration of snow cover in the lower altitudes there could be a decreasing risk of flood events caused by snowmelt. But on the other hand the flood risk could increase because of the positive trend in extreme rainfall events in some regions. But, because of the uncertain climate predictions assured statements are not possible.


Projektleitung Head of the project:

Prof. Dr. Ch. Leibundgut


Dr. S. Uhlenbrook

 

Projektbearbeitung Carrying out the project:

Dipl.-Hyd. A. Krämer
Dipl.-Hyd. B. Ott
Dipl.-Hyd . A. Steinbrich
Dipl.-Geogr. D.Tetzlaff
Dr. S. Uhlenbrook


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Stand Date: Novemver 2000