Flash flood modeling with a specific focus on arid regions and infiltration
Tügel, Franziska
Sturzfluten gehören zu den gefährlichsten Naturgefahren und können überall auf der Welt auftreten. Die fortschreitende globale Erwärmung verstärkt Sturzfluten verursachende Starkniederschläge. Beobachtungen haben in den letzten Jahrzehnten bereits eine deutliche Intensivierung von Starkniederschlägen gezeigt. Je nachdem, welches Szenario der globalen sozio-ökonmischen Entwicklung und der damit verbundenen Treibhausgasemissionen betrachtet wird, prognostizieren Klimamodelle für fast alle Landgebiete einen weiteren erheblichen Anstieg von Starkniederschlägen bis Mitte und Ende dieses Jahrhunderts. Die fortschreitende Urbanisierung erhöht die Intensität von und die Gefährdung durch Sturzfluten in Städten aufgrund des zunehmenden Anteils versiegelter Flächen und der höheren Bebauungsdichte. In ariden Gebieten stellen Sturzfluten in den über die meiste Zeit trockenen Flusseinzugsgebieten, so genannten Wadi-Systemen, ein hohes Risiko für Infrastruktur, Städte und Gemeinden dar. Trotz laufender Fortschritte in den Wettervorhersagesystemen ist es immer noch eine große Herausforderung, Starkniederschläge mit ausreichender Vorlaufzeit und räumlicher Genauigkeit vorherzusagen, um effektive Frühwarnsysteme zu ermöglichen. Darüber hinaus fehlt es der Bevölkerung und den zuständigen Behörden oft noch an Bewusstsein für das Risiko von Sturzfluten, was ein effektives Risikomanagement von Sturzfluten ebenfalls erschwert.
Die Sturzfluten-Modellierung unterstützt die Planung und Umsetzung verschiedener Arten von Maßnahmen des Sturzflutrisikomanagements. Dazu gehören einerseits nicht-strukturelle Maßnahmen wie Frühwarnsysteme und Gefahren- und Risikokarten, die für die Stadt- und Landschaftsplanung sowie die Risikokommunikation eingesetzt werden können, und andererseits bauliche Maßnahmen wie Rückhaltebecken und Umleitungskanäle. Die Kombination von hydrologischen und hydrodynamischen Modellen ist vorteilhaft, da somit die kurzen Rechenzeiten hydrologischer Modelle zur Erstellung von Abflussganglinien aus größeren Einzugsgebieten mit der hohen räumlichen Auflösung hydrodynamischer Modelle und den sich hieraus ergebenen detaillierten Informationen zu Überschwemmungsgebieten für bestimmte (beispielsweise städtische) Gebiete, verbunden werden können. Für ländliche Einzugsgebiete sollten die Modelle Infiltration berücksichtigen, da diese einen erheblichen Einfluss auf Sturzfluten haben kann, insbesondere in ariden Gebieten, deren Böden typischerweise eine sehr geringe Anfangssättigung aufweisen. Darüber hinaus ist die Berücksichtigung der Infiltration notwendig, wenn die Wirksamkeit nachhaltiger städtischer Entwässerungssysteme in Form von bespielsweise Versickerungsbecken und -gräben mit dem Modell untersucht werden soll.
Ziel dieser Arbeit ist es, verschiedene Methoden und Anwendungen der Sturzflutmodellierung mit Schwerpunkt auf aride Gebiete und Infiltration zu untersuchen. Das Hauptuntersuchungsgebiet ist die Stadt El Gouna im Einzugsgebiet des Wadi Bili an der Küste des Roten Meeres in Ägypten. Es wird eine Kombination aus einem kalibrierten hydrologischen Modell für das Wadi Bili Einzugsgebiet und einem robusten 2D-Flachwassermodell für El Gouna erstellt und angewendet, um die Auswirkungen verschiedener Niederschlagsszenarien auf die Überschwemmungsflächen in und um El Gouna zu untersuchen. Die Simulationsergebnisse zeigen einen stark nicht-linearen Zusammenhang zwischen Niederschlag und Abflussverhalten im Einzugsgebiet.
Verschiedene bauliche Schutzmaßnahmen im stromaufwärts gelegenen Wadi-Einzugsgebiet und direkt um El Gouna werden auf ihre Wirksamkeit hin untersucht. Den Simulationsergebnissen zufolge können Rückhaltebecken im stromaufwärts gelegenen Wadi-Einzugsgebiet, die so ausgelegt sind, dass sie das im März 2014 beobachtete Ereignis vollständig abfangen, die stromabwärts gerichtete Hochwasserwelle des 100-jährlichen Ereignisses erfolgreich reduzieren und verzögern, haben jedoch keinen Einfluss auf den Spitzenabfluss des angenommenen Worst-Case-Szenarios. Zusätzlich zur Verringerung der Überschwemmungen können solche Becken das Süßwasser im stromaufwärts gelegenen Einzugsgebiet zurückhalten und speichern, so dass es für die Beduinen in diesem Gebiet nutzbar ist. Die Verringerung des Abflusses durch Rückhaltebecken im stromaufwärts gelegenen Wadi-Einzugsgebiet hat laut der Simulationsergebnisse nur eine geringe Auswirkung auf die Überschwemmungen in El Gouna, da der lokal fallende Niederschlag deutlich mehr zu den Überschwemmungen in El Gouna beiträgt als die Flutwelle aus dem Wadi, außer im angenommenen Worst-Case-Szenario. Rückhaltebecken und Entwässerungskanäle in der direkten Umgebung von El Gouna können die Wassertiefen in dem betrachteten Gebiet hingegen selbst in dem angenommenen Worst-Case-Szenario erheblich verringern. Andererseits können überlastete bauliche Maßnahmen wie überlaufende Rückhaltebecken oder Kanäle die Überschwemmungen an anderen Stellen sogar verstärken.
Der Green-Ampt-Ansatz, der im robusten 2D-Flachwassermodell zur Berücksichtigung von Infiltration integriert ist, wird für das Modellgebiet von El Gouna verwendet, da dieses hauptsächlich aus natürlichen Flächen mit überwiegend sandigem Boden besteht. Literaturwerte für die Green-Ampt-Parameter der gegebenen Bodentypen führen zu einer starken Überschätzung der Infiltration. Verschiedene Niederschlags-Abfluss-Experimente mit beobachteten Abflussdaten aus der Literatur werden simuliert, um die Anwendbarkeit und die Grenzen der Literaturwerte für die Green-Ampt-Parameter aufzuzeigen. Schließlich dienen verschiedene Quellen in Form von Satellitenbildern und Befragungen und Fotos von Anwohner*innen dazu, das digitale Oberflächenmodell des Untersuchungsgebiets zu verbessern und die Simulationsergebnisse für El Gouna zu validieren.
In der zukünftigen Forschung sollte die Berücksichtigung der Infiltration und damit verbundener Prozesse wie Krustenbildung oder Makroporeninfiltration in hydrodynamischen Modellen verbessert werden. Darüber hinaus sollten die Verkürzung der Rechenzeiten, die Verfügbarkeit und Nutzung hochauflösender Daten sowie die Einrichtung von Messgeräten für direkte Messungen weiter verbessert werden. Der zunehmende Zugang zu Fernerkundungs- und Crowdsourcing-Daten bietet die Möglichkeit, Sturzfluten detaillierter zu untersuchen und Sturzflut-Modelle besser zu validieren. Bei der Untersuchung von urbanen Sturzfluten, sollten die hydrodynamischen Modelle das Entwässerungssystem und städtische Infrastruktur berücksichtigen. Generell müssen das Bewusstsein für das Sturzflutrisiko sowie das Risikomanagement von Sturzfluten weiter verbessert werden.
Flash floods are among the most dangerous natural hazards and can occur everywhere in the world. The ongoing global warming enhances flash flood-inducing heavy rainfalls. Observations have already shown a significant intensification of heavy rainfalls over the last decades. Depending on the scenario of Shared Socio-economic Pathways coming along with different greenhouse gas emissions, climate models projected further significant increases for almost all land areas by the middle and end of this century. Ongoing urbanization enhances the intensity of and exposure to urban flash floods due to increased percentages of sealed surfaces and higher building densities. In arid areas, flash floods in usually dry river basins, so-called wadi systems, pose infrastructure, cities, and communities at high risk. Despite ongoing progress, weather forecasting systems still face challenges in predicting heavy rainfalls with sufficient lead times and spatial accuracy to enable effective early warning systems. In addition, the population and responsible authorities often still lack awareness concerning the risk of flash floods, which also impedes the effective risk management of flash floods.
The modeling of flash floods supports several measures of flash flood risk management. These include, on the one hand, non-structural measures such as early-warning systems as well as hazard and risk maps used for urban and landscape planning and risk communication, and on the other hand, structural measures such as retention basins and diversion channels. The combination of hydrological and hydrodynamic models is beneficial as it combines the advantages of short CPU times of hydrological models to generate runoff hydrographs from larger catchments and the high spatial resolution and detailed information on flooding areas for specific areas of interest (e.g. urban areas) provided by hydrodynamic models. For rural catchments, models should account for infiltration as it can have a significant effect on flash floods, especially in arid areas, whose soils have typically a very low initial saturation. Furthermore, the consideration of infiltration is necessary if the effectiveness of sustainable urban drainage systems in terms of infiltration basins and trenches should be investigated with hydrodynamic models.
This thesis aims to study different techniques for and applications of flash flood modeling focusing on arid areas and infiltration. The main study area is the city of El Gouna, located in the Wadi Bili catchment at the Red Sea coast of Egypt. A combination of a calibrated hydrological model for the Wadi Bili catchment and a robust 2D shallow water model for El Gouna is set up and applied to investigate the impact of different rainfall scenarios on the flooding areas in and around El Gouna. The simulation results show a highly non-linear relation between rainfall and catchment response.
Several structural mitigation measures in the upstream wadi catchment and directly around El Gouna are studied concerning their effectiveness. According to the simulation results, retention basins in the upstream wadi catchment that are designed to completely capture the event that was observed in March 2014 can successfully reduce and lag the downstream flood wave of the 100-year event but do not affect the peak discharge of the assumed worst-case scenario. In addition to reducing the flooding, such basins could retain and store the fresh water in the upstream catchment making it usable for Bedouins living in that area. The reduction of runoff by retention basins in the upstream wadi catchment has only a minor effect on the simulated flooding areas in El Gouna, as in the considered cases, the locally fallen rainfall contributes significantly more to the flooding in El Gouna than the flood wave from the wadi, except for the assumed worst-case scenario. In contrast, retention basins and drainage channels directly around El Gouna could significantly reduce water depths in the area under consideration, even in the assumed worst-case scenario. But one has to be aware that overloaded structural measures such as overflowing retention basins or canals could even increase flooding at other locations.
The Green-Ampt approach, which is incorporated into the robust 2D shallow water model to account for infiltration, is used for the model domain of El Gouna, as the area mainly consists of natural surfaces with mostly sandy soil. Literature values for the Green-Ampt parameters of the given soil types lead to a strong overestimation of infiltration. Different rainfall-runoff experiments from the literature, for which observed runoff data is available, are studied to shed light on the applicability and limitations of literature values for the Green-Ampt parameters. Finally, different sources in terms of satellite images and community-based statements and pictures serve to improve the digital surface model of the study area and validate the simulation results for El Gouna.
In future research, the consideration of infiltration and associated processes such as surface crusting or macropore infiltration should be improved in hydrodynamic models. In addition, the reduction of computational times, the availability and usage of high-resolution data, and the establishment of measuring devices for direct measurements should be further enhanced. The growing access to remote sensing and crowd-sourced data provides the potential to further investigate flash floods and better validate flash flood models, especially for ungauged regions. To study urban flash floods, hydrodynamic models should account for the drainage system and urban structures. In general, risk awareness and risk management for flash floods need further improvement.
