Band 13: Hydrological Impacts of Climate Change on Flood Probability in Small Urban Catchments and Possibilities of Flood Risk Mitigation
Master's Thesis by Sandra Hellmers
2010 (ISBN 978-3-937693-13-2)
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Abstract
Impacts of climate change on the ecology, the human and the economy are already apparent and probably increase significantly in future. The magnitude and frequency of extreme rainfall is thereby assumed to change, which could affect the flood regime in river catchments substantially. Especially flooding in small urban catchments (SUCAs) is strongly dependent on intensive rainfall events which cause exceeding flow from small rivers, streams and storm water sewer systems. Developing a detailed and comprehensive methodology to quantify the hydrological impacts of climate change on flood probability in SUCAs is a required and forwardlooking task, which has been worked out and described in this thesis.
To cope with the impacts on flood risk in SUCAs, it is emergent to introduce and implement effective, flexible as well as adaptable possibilities of flood probability reduction, whereas sustainable drainage systems (SUDSs) have been identified as appropriate measures. To assess the effectiveness of these techniques, a software tool for simulating SUDS elements (namely: green roofs) on a catchment level has been programmed.
The developed methodology in this thesis comprises the pre-processing of climate model as well as climate scenario data series, the processing of climate scenario results, the post-processing of calculated climate change impacts including the computation of climate change factors and the assessment of the effectiveness of SUDSs in post-impact studies.
This methodology has been applied for climate change impact studies in one of the catchments in the region of the KLIMZUG-Nord project. An increase of the frequency and magnitude of extreme events has been calculated especially for summer periods, whereas for winter periods the average precipitation is computed to increase significantly. With the IPCC scenario A1B, in the climate period from 2040 to 2070, an increase of 13.3% for 100year summer rainfall intensities with durations of 1hour, as well as an increase of 22.5% for 100year peak discharges in summer periods has been calculated. Additionally, simulations for the IPCC scenarios B1 and A2 have been performed, but the results display lower changes in extreme events for the time period around 2050.
The new developed software tool for simulating green roofs has been tested in adaptation scenario studies, along with the simulation of swales and swale-filterdrain systems. The appropriateness of the simulation results of hydrological processes in each SUDS element and the effectiveness of SUDSs on a catchment level has been verified. The compensation of climate change impacts on the flood probability in SUCAs has been achieved with the combination of different SUDS measures, which display larger effectiveness for events with higher probabilities of occurrence.
Hydrologische Auswirkungen des Klimawandels auf die Hochwasserwahrscheinlichkeit und Maßnahmen zu deren Kompensation in kleinen städtischen Einzugsgebieten
Die Auswirkungen des Klimawandels auf die Ökologie, den Menschen und die Ökonomie sind bereits spürbar und werden voraussichtlich in Zukunft erheblich zunehmen. Veränderungen der Häufigkeit und Intensität von Starkniederschlägen sind dabei zu erwarten, die wiederum erhebliche Auswirkungen auf die Hochwasserverhältnisse in Flusseinzugsgebieten zur Folge haben können. Insbesondere Überschwemmungen von kleinen Einzugsgebieten in urbanen Räumen durch Gewässer und Entwässerungsnetze werden durch Starkniederschläge verursacht. Die Entwicklung einer umfassenden und detaillierten Methodik zur Quantifizierung der hydrologischen Auswirkungen des Klimawandels auf die Hochwasserwahrscheinlichkeit in kleinen städtischen Einzugsgebieten ist eine erforderliche und zukunftsweisende Aufgabe, die in dieser Arbeit erläutert und ausgearbeitet wurde.
Um den Einflüssen des Klimawandels auf Hochwasser in städtischen Einzugsgebieten zu begegnen, ist es notwendig effektive und flexibel anpassbare Maßnahmen zur Reduktion der Hochwasserwahrscheinlichkeit zu ergreifen und umzusetzen. Nachhaltige Regenwasserbewirtschaftung (RWB) wurde hierfür als geeignete Vorgehensweise erkannt und für den Nachweis der Effektivität von diesen Maßnahmen wurde ein Software-Tool für die Simulation von RWB-Elementen (hier: Gründächer) auf Einzugsgebietsebene programmiert.
Die entwickelte Methodik umfasst die Aufbereitung der Daten von Klimamodellen (Pre-Processing), die Berechnung sowie Analyse der Klimaszenarienergebnisse (Processing), die Nachbereitung der berechneten Auswirkungen (Post-Processing) einschließlich der Berechnung von Klimawandelfaktoren und den Nachweis der Effektivität von RWB-Maßnahmen.
Für Studien über die Folgen des Klimawandels in einem der Einzugsgebiete des KLIMZUG-Nord Projektes wurde diese Methodik angewendet. Für das IPCC Szenario A1B der Klimaperiode von 2040 bis 2070 wurde eine Zunahme von 13,3% für 100jährliche Starkniederschläge im Sommer, sowie eine Erhöhung von 22,5% für 100jährliche Sommerhochwasserereignisse berechnet. Zusätzlich wurden Berechnungen der IPCC Szenarien B1 und A2 ausgeführt, die jedoch geringere Auswirkungen des Klimawandels für den Zeitraum um 2050 aufzeigen. Das entwickelte Software-Tool für die Simulation von Gründächern wurde zusammen mit der Modellierung von Mulden und Mulden-Filter-Rigolen Systemen getestet. Die Genauigkeit der Simulation der hydrologischen Prozesse in den jeweiligen RWBElementen und die Berechnung deren Effektivität auf Einzugsgebietsebene wurden nachgewiesen. Durch die Kombination von mehreren RWB-Maßnahmen wurde sogar eine Kompensation der Auswirkungen des Klimawandels auf die Hochwasserwahrscheinlichkeit erreicht.
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