Abbildung der Rauheitswirkung von Vorlandvegetation in der ingenieurtechnischen Anwendung

Natürliche Ufer und Vorländer zeichnen sich durch eine artenreiche Vegetation aus, die einen wichtigen Lebensraum für Flora und Fauna darstellt. Bei Durch- und Überströmung kann die Vegetation aber auch einen erheblichen Einfluss auf das Strömungsfeld haben und bei Hochwasserereignissen zu einer Erhöhung der Wasserstände führen. Für die Planung und Umsetzung wichtiger naturnaher Lösungen sind daher Werkzeuge zur Abbildung der Interaktion zwischen Strömung und Vegetation in hydrodynamisch-numerischen Modellen unerlässlich. Trotz zahlreicher Entwicklungen auf diesem Gebiet bestehen derzeit noch Defizite. Dies betrifft insbesondere die Abbildung flexibler überströmter Vegetation sowie die Modellierung natürlicher Vegetationsbestände, die sich aus unterschiedlichen Vegetationstypen mit heterogenen Eigenschaften (z. B. hinsichtlich Flexibilität, Dichte und Höhe) zusammensetzen.

Ziel dieser Arbeit ist es diese Lücken zu schließen und die Möglichkeiten, aber auch die Grenzen von Vegetationsansätzen für großflächige Anwendungen aufzuzeigen. Es werden ein erweiterter Vegetationsansatz für durch- und überströmte flexible Vegetation sowie zwei Methoden zur Berücksichtigung von Mischbewuchs eingeführt. Der neue Vegetationsansatz sowie mehrere bestehende Ansätze wurden in die Open-Source Simulationssoftware Telemac-2D implementiert. Die Untersuchungen wurden auf verschiedenen Skalen – von Laboruntersuchungen bis hin zu einer großflächigen Anwendungsstudie – durchgeführt und umfassen neben einer Unsicherheitsanalyse auch eine Validierungsstudie im Naturmaßstab für naturnahe Bedingungen. Die Ergebnisse zeigen, dass bei der Modellierung von Vegetation neben der Dichte insbesondere die Höhe im überströmten Fall einen signifikanten Einfluss auf die Rauheitswirkung haben kann. Der Einfluss der Flexibilität hängt stark von den Eigenschaften der Vegetation ab, kann aber zu einer deutlichen Reduzierung des Widerstandes führen. Einen großen Einfluss auf die Ergebnisse hat zudem die Unsicherheit auf Grund der natürlichen Variabilität der Vegetationsparameter.

Im Rahmen einer Anwendungsstudie wurden relevante Vegetationsparameter großflächig aus vorhandenen Airborne-Laserscanning Daten abgeleitet. Bei diesen Daten handelt es sich um klassifizierte 3D-Punktwolken, die originär zur Erstellung eines digitalen Geländemodells erfasst wurden. Es konnte gezeigt werden, dass im Vergleich zu in der Fläche aufgelösten Vegetationsparametern auch mit statistisch ermittelten charakteristischen Vegetationsparametern sehr gute Ergebnisse erzielt werden. Dabei wird die Vegetation über repräsentative Vegetationsklassen abgebildet, um die unterschiedlichen physikalischen Mechanismen im Modell zu berücksichtigen.

Diese Arbeit leistet einen wesentlichen Beitrag zum Wissenstransfer von der Wissenschaft in die Praxis. Bestehende Wissenslücken hinsichtlich der großflächigen Bewertung des hydraulischen Widerstandes von Vorlandvegetation konnten geschlossen werden. Das entwickelte Verfahren stellt einen deutlichen Mehrwert bei der Abbildung von Vorlandrauheiten in 2D-HN-Modellen dar. Die Verwendung von Vegetationsansätzen und die Ableitung von Vegetationsparametern aus Fernerkundungsdaten ermöglichen eine detaillierte, objektive und reproduzierbare Abschätzung des Einflusses von Vegetation auf die hydrodynamischen Verhältnisse auf überströmten Vorländern.