Modelle im Einzugsgebiet

Allgemeine Hinweise

Im Aktionsplangebiet wurden in den letzten Jahren verschiedene hydraulische und hydrologische Untersuchungen durchgeführt. Die "Übersichtskarte Gebietsmodelle" gibt einen Überblick über die z. Z. vorliegenden Informationen.

Die Beschreibung der Methodik findet sich in zusammengefasster Form im Kapitel "Veranlassung und Projektorganisation". Eine Erläuterung der wichtigsten hier verwendeten Begriffe findet sich im Glossar dieses Berichtes.

Die hydraulischen Modelle der Emscher werden unter "Hydraulische Modelle" beschrieben.

Hydraulische Modellierung mit Jabron

Die hydraulischen Berechnungen an der Emscher wurden mit dem Programmsystem Jabron, Version 6.3, durchgeführt.

Jabron ist ein Programmsystem, das für die Berechnung natürlicher bzw. naturnah ausgebauter Gewässer konzipiert worden ist.
Es ermöglicht:

  • die Berechnung der lokalen Wasserspiegellagen mit einem stationär gleichförmigen Berechnungsansatz,

  • Wasserspiegellagenberechnungen für stationär ungleichförmigen Abfluss,

  • die Berechnung von mittleren Abflusskurven für die NASIM-Transportstrecken (TAPE18),

  • Berechnung der Sohlschubspannungen zur ökologischen Bewertung des Gewässers,

  • die Kapazitätsberechnung der Profile für stationär ungleichförmigen Abfluss, wobei die Profile beliebig gegliedert sein können,

  • die lagegetreue Berechnung von Überflutungsgebietsgrenzen durch Verwaltung geo-referenzierter Daten und Koppelung an ArcView und

  • die redundanzfreie Datenhaltung in einer Datenbank (Berechnungsdaten und Ergeb-nisse, strukturiert nach Varianten und Rechenläufen).

2D-Strömungsmodellierung mit Hydro_AS-2D und SMS

Ein Teil der potenziellen Überflutungsgebiete (Polderflächen) wurde über eine 2D-Strömungsmodellierung ermittelt. Hier wurden Deichversagensstellen und eine davon ausgehende Einströmung in die potenziellen Überflutungsgebiete angenommen.

Bei den über eine 2D-Strömungsmodellierung ermittelten potenziellen Überflutungsgebieten handelt es sich um die Polderflächen Herne Nord/Schalke, Karnap, Boye und Alte/Kleine Emscher. Sie erhalten bei der 1D-Verschneidungstechnik deutlich zu große Einstauvolumina.

Die hydraulischen 2D-Berechnungen der potenziellen Überflutungsgebiete Herne Nord/Schalke, Karnap, Boye und Alte/Kleine Emscher wurden mit dem 2-D Strömungsmodell Hydro_AS-2D (Nujic', 2002) durchgeführt. Das numerische Verfahren basiert auf der diskreten Lösung der 2-D-tiefengemittelten Strömungsgleichungen, auch als Flachwassergleichung bekannt, mit dem Finite-Volumen Ansatz. In Hydro_AS-2D werden folgende, für die Modellierung von Strömungs- und Abflussvorgängen wesentliche Eigenschaften berücksichtigt:

  • Massen und Impulserhaltung,

  • hohe Stabilität und Genauigkeit für ein breites Spektrum an Fließverhältnissen und

  • zeitgenaue Simulation des Wellenablaufs.

Bei der 2-D-Simulation wird die Fließgeschwindigkeit über die Wassertiefe gemittelt, d. h. in jedem Berechnungsknoten ist die Geschwindigkeit über die Tiefe konstant, es herrscht hydrostatische Druckverteilung. Im Gleichungssystem werden drei Unbekannte, die Wassertiefe und die Fließgeschwindigkeit in zwei Komponenten gelöst.

Das Programm Hydro_AS-2D arbeitet mit einem aus Vierecks- und Dreieckselementen bestehenden Berechnungsnetz. Der Aufbau des Berechnungsnetzes wurde mit dem Programm SMS (Surface Water Modeling System) Version 7.0 der Firma BOSS International, USA, durchgeführt. Neben dem Aufbau des Berechnungsnetzes werden hier auch alle anderen Bedingungen, die für die hydraulische Berechnung notwendig sind, angegeben. Die Ausgabe-Dateien aus SMS dienen Hydro_AS-2D als Eingangs-Dateien. Die Berechnungsergebnisse werden von Hydro_AS-2D als ASCII-Dateien abgelegt und können zur Betrachtung wieder in SMS eingelesen werden.

Über verschiedene Hilfsprogramme (scripte) können die Ergebnisse im geografischen Informationssystem ArcView angesehen und ausgewertet werden.