Institut für Wasserbau

Deutsch:

Deiche sind Erddämme, die häufig aus lokal verfügbarem Bodenmaterial errichtet werden
und dazu dienen, Hochwasser von Flüssen zurückzuhalten. Die Baunormen für Deiche
haben sich im Laufe der Zeit verbessert, was zu ihrer Zuverlässigkeit beim
Hochwasserschutz beigetragen hat. Deiche bieten jedoch keinen absoluten
Hochwasserschutz. Die Erstellung von Hochwassergefahrenkarten für Gebiete hinter
Deichen ist daher unerlässlich. Hochwassergefahrenkarten können mit Hilfe von
hydrodynamischen numerischen Modellen erstellt werden, die die Überflutung simulieren.
Bei der Modellierung von Überflutungen infolge eines Deichbruchs werden zwei Prozesse
modelliert: (i) der Deichbruch und (ii) die Ausbreitung des Hochwassers durch die
entstandene Öffnung ins Hinterland.
In dieser Arbeit wird die Modellierung von Überflutungen infolge von Deichbrüchen mit
einem 2D-hydrodynamischen numerischen Modell mit einem integrierten parametrischen
Deichbruchmodell vorgeschlagen. Für die Modellierung von Deichbrüchen wird ein
parametrisches Deichbruchmodell entwickelt, das auf der Analyse von physikalischen
Deichbruchexperimenten und realen Deichbrüchen basiert. Das Bruchmodell wird dann in
das hydrodynamische numerische Modell Telemac-2D integriert. Telemac-2D ist ein frei
verfügbarer Code zur Modellierung der Hochwasserausbreitung.
Im Rahmen dieser Arbeit wurden auch Methoden zur Schätzung der Parameter des
parametrischen Bruchmodells auf der Grundlage historischer (verfügbarer)
Deichbruchdaten entwickelt. Insbesondere wurde eine Regressionsanpassung für die
finale Durchbruchsbreite mittels multipler linearer Regression, multipler nichtlinearer
Regression und künstlicher neuronaler Netze durchgeführt. Darüber hinaus wird ein Ansatz
entwickelt, um eine mögliche Bruchstelle auf der Grundlage von Hochwassereigenschaften
(Wasserstand und Hochwasserdauer), geometrischen und geologischen Eigenschaften
des betroffenen Deichs und seines Fundaments, der Ursache des Bruchs und
Informationen aus historischen Deichbrüchen über deren Bruchstelle zu schätzen.
Durch die Nachbildung physikalischer Laborexperimente, in denen ein Deichbruch
simuliert wurde, konnte in dieser Arbeit gezeigt werden, dass das hydrodynamische
numerische Modell Telemac-2D ein geeignetes Modell für die Modellierung von
Überflutungen infolge von Deichbrüchen ist. Die durch den Deichbruch am Awash River in
Wonji, Äthiopien, im August 1996 verursachte Überschwemmung konnte mit dem
vorgeschlagenen integrierten Ansatz reproduziert werden. Darüber hinaus wurde mit dem
in dieser Arbeit vorgeschlagenen Ansatz zur Bestimmung der Bruchstelle die tatsächliche
Bruchstelle am Awash River bestimmt, was die allgemeine Anwendbarkeit des Ansatzes
untermauert.
Die mit den verwendeten Modellen verbundenen Unsicherheiten werden ebenfalls
diskutiert. Um die Unsicherheiten des Durchbruchmodells zu demonstrieren, wird die
Sensitivität der Deichdurchbruchparameter auf die Berechnung der Überflutungstiefe und
des Durchbruchabflusses anhand des Hochwasserereignisses vom August 1996 am
Awash River in Wonji, Äthiopien, systematisch analysiert.

Englisch:

Levees are earthen embankments, often constructed from locally available soil material,
used to contain floodwaters in rivers. Levee design standards have improved over time,
contributing to their reliability in providing flood protection. However, levees never provide
absolute flood protection. The preparation of flood hazard maps for areas behind levees is
therefore indispensable. Flood hazard maps can be produced using hydrodynamic
numerical models that simulate flood inundation. The modelling of flood inundation due to
levee breaching involves the modelling of two processes: i) the breaching of the levee and
ii) the propagation of the flood through the resulting opening into the hinterland.
This thesis proposes the modelling of flood inundation due to levee breach with a 2D
hydrodynamic numerical model with an integrated parametric levee breach model. To
model levee breaching, a parametric levee breach model is developed, which is based on
analyses of physical levee breaching experiments and of real levee breaches. The breach
model is then integrated into the hydrodynamic numerical model Telemac-2D, a publicly
available code for modelling flood propagation.
The thesis also developed methods for estimating the parameters of the parametric breach
model based on historical (available) levee breach data. Regression fitting for the final
breach width is performed using multiple linear regression, multiple non-linear regression
and artificial neural networks. In addition, an approach is developed to estimate a possible
breach location based on flood characteristics (water level and flood duration), geometric
and geological characteristics of the levee in question and its foundation, the cause of the
breach, and information from historical levee breaches on their breach location.
By re-modelling physical laboratory tests simulating levee breaching, this work has
demonstrated that the hydrodynamic numerical model, Telemac-2D, is a suitable tool for
modelling flood inundation due to levee breaching. The flood inundation caused by the
levee breach on the Awash River at Wonji, Ethiopia in August 1996 could be reproduced
using the proposed integrated approach. Furthermore, the determination of the breach
location for this levee breach case using the approach proposed in this thesis resulted in
the same location as the actual breach location, demonstrating the general applicability of
the approach.
The uncertainties associated with the models used are also discussed. To demonstrate the
uncertainty associated with the breach model, the sensitivity of flood inundation depth and
breach discharge to variation of the levee breach parameters is systematically analysed
using the August 1996 Awash River levee breach flood event at Wonji, Ethiopia.