Alpenrheintal vor Überschwemmungen schützen

Autor: Renata Barradas Gutiérrez

Der Rhein, einer der wichtigsten Flüsse Europas, entspringt in den Schweizer Alpen im Kanton Graubünden. Das Alpenrheintal erstreckt sich über 90 km entlang des Rheins von seiner Quelle in der Schweiz über Liechtenstein bis nach Österreich. Das Tal kann auf eine Geschichte verheerender Überschwemmungen zurückblicken, die bis ins 11. Jahrhundert zurückreicht. Heute leben rund 300.000 Menschen im Alpenrheintal und zahlreiche Unternehmen, darunter Leica Geosystems, sind in dieser Region angesiedelt. Aufgrund der Bevölkerungsdichte und der wirtschaftlichen Aktivitäten im Rheintal wird das Schadenspotenzial durch Überschwemmungen auf 10 Mrd. Euro geschätzt.

Um Menschen，Siedlungen和Unternehmen Im TalZuSchützen，Muss Dem Alpenrhein MehrRaumfürHochwasserabfluss和WasserrückhaltungGegeben Werden。MIT DEM HOCHWASSERSCHUTZPROJEKT“ RHEIN - ERHOLUNG和SICHERHEIT” - Kurz若美– soll daher die Durchflusskapazität des Alpenrheins im internationale Flussbereich zwischen Flusskilometer 65 am Zufluss des Nebenflusses Ill und Flusskilometer 91, wo der Alpenrhein in den Bodensee mündet, von 3.100 Kubikmetern pro Sekunde auf mindestens 4.300 Kubikmeter pro Sekunde erhöht werden. Die Projektkosten, die zu gleichen Teilen von Österreich und der Schweiz finanziert werden, werden derzeit auf 1 Mrd. Euro geschätzt.

„Um das gewünschte Hochwasserschutzniveau zu erreichen, muss die Kanalgeometrie des Alpenrheins geändert und so der Hochwasserschutz im Projektbereich verbessert werden. Im Rahmen des Rhesi-Projekts wurde ein sehr moderner Ansatz gewählt: Anstatt die Deiche des Flusses zu erhöhen, um den erhöhten Abfluss von 4.300 Kubikmetern pro Sekunde zu ermöglichen, wird im Flussabschnitt die Flussbreite von derzeit 60 Metern auf zunächst 70 Meter bis zu mehreren hundert Metern in der Zukunft erweitert.Der Flusskanal, der derzeit aufgrund verschiedener Flussbegradigungsmaßnahmen der letzten 150 Jahren eine sehr technische Form hat, wird auf diese Weise wieder in einen naturnahen Zustand versetzt, mit Bedingungen, die den Zustand des Flusssystems vor dem menschlichem Eingreifen entsprechen“,erklärt Florian Hinkelammert-Zens, Umweltingenieur der Versuchsanstalt für Wasserbau, Hydrologie und Glaziologie (VAW) der Eidgenössischen Technischen Hochschule Zürich (ETH).

Um Die Auswirkungen der geplantenmaßnahmenzu bewerten und die hydraulischen berechnungen und annahmen des rhesi-projektszuberprüfen，wurde vaw der eth der eth eth eth die die diezürichvon deZürichvon deren deren deren rheinrenregulierung（irrigulierung（Irr）paefiftrixten mitbrixperten mitbrixten。diese unteruchungen bestehen aus zwei hauptteilen：（1）Einem physikalischen hydraulikmodell und（2）Begleitende numerische simulationen中的实验。

„ umfangreichen hydraulikmodellen nacheinander immaßstab的Zwei Wichtige Projektabschnitte Werden 1:50 Dargestellt。FürJedenabschnitt wird eineFlusslängevon ca。5公里（约110 m immodellmaßstab）MIT WASSERLAUFBREITEN ZWISCHEN 250 m und 350 m（约8 mmodellmaßstab）nachgebildet”，erklärt Hinkelammert-Zens.. „Gleichzeitig wurden numerische Computermodelle des Projekts erstellt, um die Randbedingungen der Hydraulikmodelle bereitzustellen und zu bewerten, die Ergebnisse zu validieren und Sensitivitätsanalysen durchzuführen.“

Damit gehören diese beiden Hydraulikmodelle mit durchschnittlichen Abmessungen von 110 x 9 m zu den größten jemals gebauten Modellen von Alpenflüssen. Beide befinden sich in einem alten Fabrikgebäude im österreichischen Dornbirn, wo die ETH Zürich einen Wasserkreislauf mit einer Leistung von 400 Litern pro Sekunde gebaut hat. Das System besteht aus einem erhöhten Wassertank, Einlass- und Auslassbecken, einer Wasserrücklaufleitung im Keller und einem tiefen Tank, aus dem das Wasser in den Wassertank zurückgepumpt wird (max. 400 Liter pro Sekunde).

3d-geländemodellierungfür模Modellierungvonüberschwemmungen

“当进行Hochwasserereignisses unterliegt ein Flussbett aufgrund hoher Wassereinleitungen und Strömungsgeschwindigkeiten erheblichen Veränderungen. Daher kann Sediment an mehreren Stellen abgelagert werden, was zu steigenden Wasserspiegeln führt, oder aber erodiert werden, z. B. bei Brückenpfeilern oder an den Flussufern. Beide Situationen können gefährlich sein und sich negativ auf den Hochwasserschutz auswirken. Um diese morphologischen Veränderungen nachzubilden, sind die Hydraulikmodelle mit beweglichen Flussbetten ausgestattet“, so Hinkelammert-Zens.

Um die Auswirkungen unterschiedlicher Sedimentfrachten und verschiedener Szenarien zu beobachten, wird eine große Anzahl wissenschaftlicher Experimente mit unterschiedlichen Parametern (z. B. Wasserabfluss und Sedimentfracht) durchgeführt. Mit einem Laserscanner wird die Modelltopographie vor und nach jedem einzelnen Experiment gemessen. Die erfassten Daten werden dann genutzt, um Geländemodelle zu erstellen, die als Grundlage für die Bestimmung von Gebieten dienen, in denen Sedimentationen und Erosionen im Flussbett auftreten.

Von der Datenerfassung zu verwertbaren Daten

Rechts: 3D-Geländemodell eines Abschnitts des Alpenrheins (in Strömungsrichtung gesehen) /Links Bewegliches Flussbett im Hydraulikmodell nach Abschluss eines Experiments

Um die topografischen Daten vor und nach jedem Experiment zu erfassen, stützt sich das Forschungsteam der ETH Zürich auf eineLeica ScanStation P20, Leica Geosystems Ziele und eine Leica TS02Totalstation, um die Laserscans mit 15 Referenzpunkten georeferenzieren zu können. Die ScanStation P20 ist auf einem mobilen Stativ montiert und wird an vier Scanpositionen eingesetzt, um das gesamte Modell zu erfassen. Mit einer Scanhöhe von ca. 2,7 m – um Schatteneffekte bei zu steilen Betrachtungswinkeln zu minimieren und tote Winkel zu vermeiden – und einer Auflösung von 3 x 3 mm in einem radialen Abstand von 10 m zum Gerät werden qualitativ hochwertige Daten mit sehr geringem Rauschen gewonnen.

Nach jedem Experiment werden die Daten in die 3D-Punktwolken-VerarbeitungssoftwareLeica Cycloneimportiert, um sie aufzuzeichnen und die Punktwolken zusammenzuführen. Zu diesem Zeitpunkt ist eine Fläche von 4.000 Quadratmetern mit ungefähr 250 Millionen Punkten erfasst worden.Die Punktwolke wird dann mithilfe von Polygonen „zugeschnitten“, um Datenpunkte außerhalb der Modellgrenzen zu beseitigen. Die verbleibenden Datenpunkte werden dann in Gitterzellen umgewandelt, denen in der Realität eine Zellengröße von 50 cm x 50 cm entspricht. Schließlich werden die topografischen Daten in das Schweizer Koordinatensystem konvertiert.

Rechts: Visualisierung der beobachteten Veränderungen im Flussbett im Hydraulikmodell nach Auswertung des Laserscans (rot: Erosion an der Außenseite der Kurve, blau: Sedimentation an der Innenseite der Kurve, gesehen in Strömungsrichtung)/Links: Laserscan in der Experimentierhalle (in Strömungsrichtung gesehen)

„Mit den 3D-Punktwolken werden Gitterdatensätze mit ungefähr 15 Millionen Gitterzellen mit einer Auflösung von 0,5 x 0,5 m erstellt, von denen jede einen bestimmten Zeitpunkt während der Experimente darstellt. Diese Daten werden dann in Geoinformationssystemen weiterverarbeitet, um Oberflächenansichten sowie Längs- und Querprofile des mobilen Flussbettes zu erstellen. Dadurch können wir verschiedene Zeitpunkte des Experiments miteinander vergleichen“,erklärt Hinkelammert-Zens.

Das referenzierte Raster-Dataset菅直人n in GIS-Anwendungen für verschiedene Auswertungen verwendet werden, darunter:

• Oberflächenansichten: Die zu Beginn des Experiments durchgeführten Rasterwerte des Scans werden von den am Ende des Experiments durchgeführten Werten abgezogen. Auf diese Weise erstellt dasTeam der ETHeine Ansicht, in der die relativen Höhenunterschiede des Modellflussbettes sichtbar sind.

• Querprofile: Das Team erstellt an bestimmten Positionen Querprofile und extrahiert Gitterwerte, um Seitenprofile zu erstellen. Mithilfe der Scans vor und nach den Experimenten können die Wissenschaftler die beobachteten Änderungen visualisieren und mit den Projektzielen vergleichen.

• LängsProfile：Die die die die fulahierten querprofile werdenfürdasLängsprofilgemittelt。Durch vergleich der gemitteltenflussbetthöhenvor und nach den pasterimenten und durch beobachtung derveränderungen在der naturkönnendie die wissenschaftler das hydraulikmodellieren。

Bisherige Ergebnisse和Weitere Schritte

die untersuchungen der der derZürichFührtenbereits Zu Wesentlichen Inputsfürdie weiterentwicklung des rhesi-projekts。zunächstwurde das modell durch eine eine eine vergangenerüberschwemmungenkalibriert。Dabei Wurden der Wastersand und Die Flussbett-Topographie，Die Im Hydraulikmodell Erhalten Wurden，Mit Daten Verglichen，Diewährenddieser dieser ereignisse inderRealitäterfasstwurden。Nach Erfolgreichem Abschluss Dieses schritts wurde das hydraulikmodell an diekünftigedes flusses angepasst，wie im projekt rhesi vorgesehen。Seitdem Wurden verschiedene langzeitszenarien und hochwasserreeignisse simuliert，um die auswirkungen des rhesi-projekts auf auf die die die flussmorphologie und den wasserstand den wasserstand zu untersuchen untersuchen。

Da死Untersuchungen还有andauern,信德bislangnur Zwischenergebnisse vorhanden. Die bisherigen Ergebnisse zeigen jedoch, dass die Annahmen und Projektierungen des Rhesi-Projekts korrekt waren und eine solide Grundlage für die detailliertere Ausarbeitung der weiteren Projektphasen bilden. Die Hybridmodellexperimente werden bis zum Sommer 2022 fortgesetzt und sollen Antworten auf die folgenden technischen Fragen geben:

• Wo sollen Kiesbänke positioniert werden?
• Wo Werden Dewingen BZW。Auskolkungen Auftreten und Wie Tief Werden Sie Maximal Sein？
• Wie tief müssen die Flussufer vor Erosion und Auskolken geschützt werden?
• Wie können Brückenpfeiler gegen Erosion und Auskolken gesichert werden?
• Wie viel Treibholz sammelt sich bei Hochwasserereignissen an Brücken an? Wie wird sich das auf den Wasserstand auswirken?

Die Ergebnisse dieser wissenschaftlichen Experimente, die von der Umgebungserfassungstechnologie von Leica Geosystems unterstützt werden, bilden die Grundlage für eine nachhaltige Flussplanung und stellen sicher, dass das Hochwasserschutzprojekt Rhesi technisch und wirtschaftlich rentabel ist. Dieser integrierte Ansatz für das den Hochwasserschutz wird das Überschwemmungsrisiko erheblich verringern sowie den ökologischen und den Erholungswert des Alpenrheins auf internationaler Ebene verbessern.