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Dam break analysis under uncertainty
Peter, Samuel; Boes, Robert M. (Herausgeber)
Quelle: Mitteilungen der Versuchsanstalt für Wasserbau, Hydrologie und Glaziologie -VAW-
Zürich (Schweiz)
Selbstverlag
2017, 170 S., Abb., Tab., Lit.
Serie: Mitteilungen der Versuchsanstalt für Wasserbau, Hydrologie und Glaziologie -VAW-, Nr.241
Sprache: Englisch

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[Quelle: https://ethz.ch]
Erddämme werden weltweit seit Jahrtausenden zu verschiedenen Zwecken gebaut. Im Falle eines Dammbruchs kann das aufgestaute Wasser unkontrolliert abfliessen, wobei Personen, Eigentum und die Umwelt unterhalb des Dammes gefährdet sind. Die Landesbehörden wollen gut auf eine solch ausserordentliche Situation vorbereitet sein. Um geeignete Vorsichtsmassnahmen zu treffen, Frühwarnsysteme zu installieren und Evakuierungspläne aufzustellen, sind Kenntnisse über die Auswirkungen eines Dammversagens unumgänglich. Diesbezügliche Untersuchungen werden Dammbruch-Analyse genannt. Dammbruchmodelle werden gewöhnlich für die Voraussage des Ausflusshydrographen eines hypothetisch brechenden Dammes eingesetzt. Sie sind ein zentraler Bestandteil bei der Evaluierung des Risikos einer Flutwelle. Es herrscht weitgehend Übereinstimmung, dass die Dammbruchmodelle grosse Unsicherheiten aus mehreren Gründen beinhalten: ungenügende Kenntnis der physikalischen Dammbruchprozesse, mindere Datenqualität bei der Kalibrierung der Modelle, die Einzigartigkeit der Dammbauwerke und die von Natur aus unterschiedliche Erodierbarkeit des Dammmaterials. In dieser Arbeit wird eine probabilistische Modellierungsumgebung eingeführt, welche zuverlässige Prognosen von Dammbruchhydrographen homogener Schüttdämme zulassen. Weiter werden die vom Dammbruchmodell herrührenden Unsicherheiten in das unterliegende Überflutungsgebiet übertragen. Letztlich erlauben die stochastisch definierten Überflutungsvariablen eine auf dem Stand der Technik und risikobasierte Folgenabschätzung. Es wurde ein vereinfachtes und physikalisch basiertes Dammbruchmodell entwickelt. Die Prozesse eines brechenden Schüttdammes werden dabei in Form der Breschenentwicklung beschrieben. Die kleine Anzahl an Modellparametern und die gleichzeitige Mitberücksichtigung der physikalischen Verhaltensweise hat die Wahl dieses Modellierungsansatzes geprägt. Die Erosionsrate des Dammmaterials ist dabei durch empirische Sedimenttransportformeln beschrieben. Durch die Einbindung des Modells in eine mehrstufige Bayesianische Umbegung ist eine quantitative Analyse von Unsicherheiten unterschiedlicher Kategorien möglich. Dazu wurden Daten von beobachteten Spitzenabflüssen und Breschen-Endgrössen historischer Dammbruchereignisse aus der Literatur herangezogen. Die Modellinversion ist durch die Markov Chain Monte Carlo Methode vorgenommen. Die resultierenden A-posteriori Wahrscheinlichkeitsverteilungen der Modellparameter zeigen, dass die epistemisch definierte Erosionsrate der grösste Unsicherheitsfaktor ist. Das Prognoseintervall des Spitzenabflusses und der Breschen-Endgrösse ist vergleichbar mit Daten aus der Literatur. Schlussendlich sagt das vorgeschlagene Dammbruchmodell den Ausflusshydrograph in einer vollständig probabilistischen Art und Weise voraus. Die im prognostizierten Hydrograph enthaltene stochastische Information wird mit der Monte Carlo Methode ins Überflutungsgebiet verbreitet. Die dazu benötigten tausenden Modellevaluationen sind durch ein leistungsstarkes Werkzeug zur Berechnung der Flutwellenfortpflanzung erfolgt, welches die Flachwassergleichungen auf exakte Weise auf unstrukturierten Gitter löst. Unter der Verwendung von massiver Parallelisierung durch Grafikprozessoren und Open-Source Bibliothek OP2 konnte die Rechenzeit einer Modellevaluation bis um zwei Grössenordnungen reduziert werden. Die entwickelte Modellierungsumgebung wurde erfolgreich auf eine Fallstudie angewendet. Die resultierenden probabilistischen Überflutungskarten stellen die Grundlage für eine risikobasierte Beurteilung dar und haben das Potential zur Verbesserung eines angemessenen Risiko-Managements.
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