Ruiz Rodriguez, ErnestoDavid, Amrei GesineAmrei GesineDavidSchlamann, SebastianSebastianSchlamann2024-01-312024-01-312023https://int.tuspace-test.ulb.tu-darmstadt.de/handle/tuprints-int/1032The model-based, spatially distributed determination of storm hazards is important for a variety of planning tasks in the field of water resource management. On the basis of flood maps, protective measures can be planned, storm risk management plans can be drawn up, emergency plans and evacuation strategies can be developed, or urban and spatial planning decisions can be made. Especially for small, upstream catchments, there is no standardized method for locating areas at risk from heavy rainfall (storm hazard maps). The scientific investigations presented herein address the question of whether the Direct Rainfall Method (‘DRM’) is a suitable methodological approach for identifying inundation areas in small, rural catchments. For this purpose, a case study is conducted using the internationally applied 2d model HEC-RAS as a Hydrological-Hydrodynamic Rainfall-Runoff Model (‘HHDRRM’). The study area is the Fischbach catchment (38 km²) in Hesse (Germany), a subcatchment of the Gersprenz river system (485 km²). The catchment is part of the field laboratory of the Chair of Engineering Hydrology and Water Management (Fachgebiet Ingenieurhydrologie und Wasserbewirtschaftung – ‘IHWB’) at TU Darmstadt. In addition to addressing the general applicability of HEC-RAS as a HHDRRM, the conducted research focuses on examining the representation of hydrological components and topographic data in the model. To this end, the study is divided into three research questions (sub-questions) concerning the 1. General Applicability, 2. Spatial Resolution, Topography and Sensitivity and 3. Catchment Hydrological Processes and Calibration. These questions are addressed in separate methodological approaches developed in sub-studies. The results of the sub-studies formed the basis for addressing the main objective of the study, namely the applicability of the DRM in the identification of storm hazards. The results obtained with this approach demonstrate that watershed-wide floodplain identification is possible by using the DRM in conjunction with HEC-RAS. It is shown that the proposed method offers great potential for storm hazard analysis in small rural catchments. The model results display good to very good agreements with the hydrological measurements, depending on the event. Through a detailed analysis of the sensitivity of the model, recommendations for the spatial discretization of the topography are derived. Based on an observed storm event it is shown which influence the integration and resolution of catchment hydrological processes (‘CaHyPro’) into the model domain has on the model results. It was shown that a higher spatiotemporal resolution of CaHyPro led to an improvement of the modeling results, independent of a model calibration. At the same time, model limitations and challenges of the DRM in the context of event-dependent hydrological-hydrodynamic modeling are identified. These arise mainly from the computationally intensive application of the DRM compared to conventional rainfall-runoff models, the implemented equation approaches for surface roughness coming from channel hydraulics, and the integration of further runoff-relevant hydrological components. The dissertation iteratively develops modeling solutions to address the identified model deficiencies and identifies further research needs in the application of the DRM.enHydrologyDirect Rainfall ModelingFlood Inundation ModelingStorm HazardsHEC-RASOpen Channel FlowOverland FlowRadar Data300 SozialwissenschaftenPh.D. ThesisDie modelltechnische, flächenhafte Ermittlung von Starkregengefahren ist für eine Vielzahl von planerischen wasserwirtschaftlichen Aufgaben von Bedeutung. Auf Basis von Überflutungskarten können Maßnahmen zum Überflutungsschutz geplant, Starkregenrisikomanagementpläne erstellt, Einsatzpläne und Evakuierungsstrategien entworfen oder stadt- und raumordnungsplanerische Entscheidungen getroffen werden. Vor allem für kleine, oberstrom gelegene Einzugsgebiete gibt es bisher noch keine einheitliche Methode zur Lokalisierung von durch Starkregen gefährdeter Gebiete (Starkregengefahrenkarten). Die vorliegende Doktorarbeit beschäftigt sich mit der Fragestellung, ob die Methode der direkten Beregnung (Direct Rainfall Method – DRM) einen geeigneten methodischen Ansatz darstellt, um Überflutungsbereiche in kleinen, ländlichen Einzugsgebieten flächenhaft zu ermitteln. Als Modellsystem wird das international weit verbreitete 2d Modell HEC-RAS als hydrologisch hydrodynamisches Niederschlags-Abflussmodell (Hydrological-Hydrodynamic Rainfall-Runoff Modell – HHDRRM) angewendet. Das Untersuchungsgebiet ist das Fischbach Einzugsgebiet (38 km²), ein Teileinzugsgebiet des Gewässersystems der Gersprenz (485 km²). Das Einzugsgebiet ist Teil des Feldlabors des Lehrstuhls für Ingenieurhydrologie und Wasserbewirtschaftung (IHWB) an der TU Darmstadt. In der Arbeit wird neben der Frage der generellen Anwendbarkeit von HEC-RAS als HHDRRM der Schwerpunkt auf die Abbildung der hydrologischen Komponenten im Modell und der flächenhaften Prozesse im Einzugsgebiet gelegt. Dabei wird die Forschungsfrage in drei Teilfragen mit folgenden Inhalten untergliedert: 1. Generelle Anwendbarkeit der Methode, 2. Räumliche Auflösung, Topographie und Modellsensitivität und 3. Flächenhafte, hydrologische Prozesse und Kalibrierung. Zur Beantwortung der drei Teilfragen wird jeweils eine eigene methodische Vorgehensweise innerhalb von drei Teilstudien entwickelt. Die Beantwortung der übergeordneten Forschungsfrage wird aus den Ergebnissen dieser drei Teilstudien abgeleitet. Durch diese Herangehensweise wird gezeigt, dass eine flächenhafte Ermittlung von Überflutungsbereichen mittels der DRM zusammen mit HEC-RAS im Untersuchungsgebiet möglich ist. Die Methode bietet ein großes Potenzial für die Starkregengefahrenanalyse in kleinen, ländlichen Einzugsgebieten. Die Modellergebnisse zeigen, ereignisabhängig gute bis sehr gute Übereinstimmungen mit den vorhandenen hydrologischen Messdaten. Auf Grundlage der durchgeführten Detailstudie zur Modellsensitivität können Empfehlungen zur räumlichen Auflösung der Topographie im Einzugsgebiet abgeleitet werden. Für ein aufgetretenes Starkregenereignis wird gezeigt, welchen Einfluss die Integration und Auflösung von flächenhaften, hydrologischen Prozessen (Catchment Hydrological Processes – CaHyPro) in das Modellgebiet auf die Modellergebnisse hat. Diese führen, unabhängig von einer Modellkalibrierung, zu einer deutlichen Verbesserung der Berechnungsergebnisse. Gleichzeitig werden Modelllimitationen und Verbesserungspotenziale von der DRM im Kontext der ereignisabhängigen, hydrologisch-hydrodynamischen Modellierung identifiziert. Diese zeigen sich in der im Vergleich zu herkömmlichen Niederschlags-Abflussmodellen rechenzeitintensiven Anwendung, in den implementierten, aus der Gerinnehydraulik kommenden Gleichungsansätzen zur Oberflächenrauheit und in der Frage nach der Integration von weiteren abflussrelevanten, hydrologischen Komponenten. In der Thesis werden modelltechnische Lösungen zum Umgang der identifizierten Modelldefizite im Modellaufbau iterativ erarbeitet und abschließend der weitere Forschungsbedarf in der Anwendung von der DRM festgestellt.urn:nbn:de:tuda-tuprints-2023-10325