Praxisnahe Hochwasserforschung an der Baufakultät

Seit jeher sind Flüsse - insbesondere in gebirgigen Regionen - Anziehungs-punkte für die menschliche Besiedelung. Die zunehmend intensivere Nutzung der wirtschaftlich attraktiven Standorte in den Flusstälern machte in den letz-ten Jahrhunderten und insbesondere Jahrzehnten großräumige Flussverbau-ungen notwendig.
Verschiedene Strömungszustände.
Bild: Verschiedene Strömungszustände.

Die Hochwasserereignisse der letzten Jahre haben verdeutlicht, dass ein absoluter Schutz vor derartigen Bedrohungen sowohl aus technischer als auch aus finanzieller Sicht weder möglich noch sinnvoll ist. Neue Technologien und Modelle schaffen heute jedoch die Möglichkeit, durch rechtzeitige und zuverlässige Information und Kommunikation die Schadensauswirkungen von Hochwässern durch verschiedenste Maßnahmen weiter zu minimieren. Unterschiedliche Projekte und Forschungsfelder an der Baufakultät der LFU sollen zur Schadensminimierung beitragen.

Hochwasserberechnungen für Tiroler Städte

Das Hochwasser im August 2005 ist allen noch in guter Erinnerung. Große Teile Tirols standen damals unter Wasser und die Schäden waren enorm. Bei diesem Katastrophenereignis konnte die Niederschlagsmenge sehr gut vorausgesagt werden. Was fehlte, waren Prognosen über mögliche Überflutungen in den vom Hochwasser betroffenen Städten. Daher war es für die Bevölkerung und die Einsatzleitung nur möglich auf gerade stattfindende Ereignisse zu reagieren. So wurden z. B. Sandsäcke dort verlegt, wo es den Anschein hatte, dass bei weiterem Ansteigen des Wasserspiegels der Fluss über die Ufer treten könnte. Brücken musste gesperrt werden, da vermutet wurde, dass sie überspült und verklaust werden könnten.

Das Institut für Infrastruktur, Arbeitsbereich für Wasserbau der LFU Innsbruck erstellt nun für einige Tiroler Städte eine Hochwasserberechnung. Bei diesen Berechnungen werden, auf die Bedürfnisse der jeweiligen Stadt abgestimmt, Szenarien am Computer berechnet und ausgewertet. Es werden verschieden hohe Abflüsse gerechnet, damit unterschiedliche Gefahrensituationen abgeklärt werden können. Ein großes Augenmerk wird auf jene Stellen gelegt, wo der Fluss über die Ufer treten kann. Weiters werden Überflutungsflächen ausgewiesen und besonders gefährdete Gebiete bestimmt.

So können im Katastrophenfall die verantwortlichen Einsatzleiter richtig reagieren und dadurch das Schadensausmaß eines Hochwassers reduzieren. Weiters ist die numerische Strömungssimulation geeignet geplante Schutzmaßnahmen auf ihre Wirksamkeit hin zu überprüfen.

Nachweis der Hochwassersicherheit von Talsperren

In bestimmten Zeitabständen wird den Betreibern von Talsperren vorgeschrieben die Hochwassersicherheit ihrer Talsperren nach dem Stand der Technik zu überprüfen. In Österreich ist vor kurzem ein neuer Leitfaden zum Nachweis der Hochwassersicherheit von Talsperren erstellt worden. Am Institut für Infrastruktur wurde dieser Leitfaden angewandt um eine Reihe von Talsperren auf ihre Hochwassersicherheit hin zu überprüfen. Hier wurde neben komplexen dreidimensionalen Berechnungen der Hochwassersicherheitseinrichtungen auch mit Hilfe eines Niederschlags-Abflussmodells die Einzugsgebietseigenschaften, die für die Entstehung eines Hochwasser von fundamentaler Bedeutung sind, nachgebildet. Die Überprüfung einer Talsperrenanlage dient nicht nur dem sicheren Betrieb im Hochwasserfall sondern auch der Sicherheit des menschlichen Siedlungsraumes im Unterliegerbereich einer Talsperre.

Numerische Grundlagenuntersuchungen

Ein Spezialgebiet am Institut für Infrastruktur, Arbeitsbereich für Wasserbau (Vorstand: Prof. DI Peter Rutschmann), ist die numerische Strömungsberechnung (CFD - Computational Fluid Dynamics). Mit dieser ist es möglich komplexe Strömungen dreidimensional zu berechnen und anschließend anschaulich zu visualisieren. Mit Hilfe der Numerik können gezielt Fragestellungen aus dem Bereich der Hydraulik und des Wasserbaus untersucht werden.

Mussten früher viele Berechnungen per Hand durchgeführt werden, erlaubt der Einsatz von Hochleistungsrechnern heute eine viel schnellere und effizientere Auseinandersetzung mit Strömungsvorgängen in Flüssen, Seen, Rohrleitungen usw. Es sind Detailuntersuchungen an einzelnen Bauwerksteilen, wie z.B. Kraftwerkseinläufen oder Hochwasserentlastungen, möglich. Entlang von Flussläufen können Hochwasserszenarien simuliert und Überflutungsflächen ausgewiesen werden. Am Institut für Infrastruktur werden numerische Berechungen in der Grundlagen- sowie Auftragsforschung angewendet und deren Möglichkeiten der geeigneten Visualisierung auch in der Ausbildung von zukünftigen Wasserbauern eingesetzt.

Virtuelles Wasserbaulabor

Das Institut für Infrastruktur ist bemüht Methoden aus aktueller Forschung und praxistaugliche Anwendung auch in die Lehre einfließen zu lassen. In Zusammenarbeit mit Studierenden wird ein „Virtuelles Wasserbaulabor“ aufgebaut. Dabei werden klassische Standardexperimente der Hydraulik und des Wasserbaus mittels eines dreidimensionalen Strömungsprogramms berechnet und visualisiert. Die Ergebnisse dieser Rechenläufe sollen nun in einem weiteren Schritt den Studierenden zum Selbststudium zur Verfügung gestellt werden und auch in den Vorlesungen Verwendung finden. Es werden dabei Szenarien berechnet, deren Theorie in der Vorlesung bzw. Übung erklärt wird.

Visualisierung

Die Aufbereitung für die Lehre erfolgt in einer Art und Weise, die es den Studierenden ermöglicht, das Ergebnis eines hydraulischen Experiments mit unterschiedlichen Randbedingungen zu beobachten. Auch sehr aktuelle Fragestellungen der Hochwassersicherheit fließen dabei in die Berechnungen ein. So werden z.B. Hochwasserentlastungen, Überfälle und Wehre nachgebildet, an denen die hydraulischen sowie wasserbaulichen Grundlagen sehr anschaulich gezeigt und untersucht werden können. In den Rechenexperimenten ist es möglich Strömungsparameter darzustellen, die im physikalischen Experiment nicht direkt sichtbar gemacht werden können, z.B. Geschwindigkeitsverhältnisse an der Sohle. Die in der Vorlesung gelernte Theorie kann so an virtuellen Beispielen sehr anschaulich beobachtet werden. Die Studierenden können selbst einfache, vorgegebene Parameter-Variationen vornehmen und deren Auswirkung sofort am Bildschirm online betrachten.

Einsatzmöglichkeit

Wirft man einen Stein in einen See, so breiten sich Wellen von der Störungszone in alle Richtungen auf der Wasseroberfläche aus. Wirft man einen Stein hingegen in einen Fluss, so kann man feststellen, dass sich die Wellen nicht gleichmäßig ausbreiten. Man unterscheidet dabei im Wasserbau und der Hydraulik verschiedene Strömungszustände - siehe Abbildung: In der ersten Rinne können sich die Wellen in alle Richtungen hin ausbreiten (entspricht einem stehenden Gewässer wie z.B. einem See). In der letzten Rinne werden die Wellen nur stromabwärts mitgerissen (entspricht z.B. einem Gebirgsfluss). In den Rinnen dazwischen sind Übergangszustände dargestellt.

Lehre mit Praxisbezug

Die verwendeten Modelle sind selbstverständlich auch in der Praxis einsetzbar. Durch Variationen der Abmessungen bzw. Randbedingungen können mit Hilfe der Numerik sehr schnell Resultate erzielt werden, die eine Voroptimierung von Bauwerken ermöglichen. Ein eventuell im Anschluss stattfindender physikalischer Modellversuch zur weiteren Optimierung und zum Validieren des numerischen Modells kann somit effizienter und einfacher durchgeführt werden. Die Erfahrungen und Ergebnisse aus der Grundlagenforschung fließen beim Institut für Infrastruktur direkt in die Auftragsforschung mit ein. So kann z. B. die Ausbreitung des Wassers im Hochwasserfall mit Hilfe der numerischen Strömungssimulation anschaulich dargestellt werden.

Zu den Personen

DI Johannes Nemmert kommt aus Thurn/Osttirol. Nemmert studierte Bauingenieurwesen an der LFU und arbeitet derzeit am Institut für Infrastruktur, Arbeitsbereich für Wasserbau der LFU. Während seines Studiums hat er neben einem Auslandsaufenthalt an der NTNU Trondheim (Norwegen) Praxis bei mehreren Firmen gesammelt. Im Arbeitsbereich für Wasserbau betreut Nemmert die Bereiche Hochwassermodellierung und Numerische Berechnung von Überflutungsgebieten. Bei seiner Dissertation wird er durch ein Doktoratsstipendium der Nachwuchsförderung der LFU unterstützt.

DI Stefan Walder kommt aus Hall in Tirol. Walder studierte Bauingenieurwesen an der LFU und arbeitet derzeit am Institut für Infrastruktur, Arbeitsbereich für Wasserbau der LFU als wissenschaftlicher Mitarbeiter. Während seines Studiums konnte er Praxis bei mehreren Planungsbüros sammeln. Im Arbeitsbereich Wasserbau betreut Walder die Bereiche Hydraulik und Numerische Strömungsmechanik. Weiters ist er im Lehrbetrieb des Institutes tätig. Bei seiner Dissertation beschäftigt sich Walder mit der num erischen Simulation von Murgangereignissen.