Hochwasserhydrologie

Hochwasserhydrologie ist die Untersuchung und Schätzung von Hochwasserabflüssen, einschließlich ihrer physikalischen Entstehung und der statistischen Analyse ihrer Größe und Wahrscheinlichkeit für die Planung und Risikobewertung.

Definition

Hochwasserhydrologie ist der Zweig der Oberflächenwasserhydrologie, der sich mit dem Auftreten, der Größe, der Häufigkeit und der Schätzung von Hochwassern befasst, d.h. den hohen Abflüssen, die die normale Gerinnekapazität überschreiten, einschließlich der statistischen Charakterisierung, die bei der Planung und im Risikomanagement verwendet wird.

Scope

Dieses Thema behandelt die Entstehung von Hochwasser, die statistische Schätzung von Hochwassergrößen und Wiederkehrperioden (Hochwasserfrequenzanalyse) sowie das Konzept des Bemessungshochwassers, das im Ingenieurwesen verwendet wird. Es greift auf Hydrographen- und Niederschlags-Abfluss-Prozesse zurück, die an anderer Stelle behandelt werden, und konzentriert sich auf das Extrem der hohen Abflüsse des Regimes.

Core questions

• Wie werden Hochwassergrößen und ihre Wahrscheinlichkeiten aus Aufzeichnungen geschätzt?
• Was ist eine Wiederkehrperiode und wie ist sie zu interpretieren?
• Wie werden Bemessungshochwasser für Infrastrukturen ausgewählt?
• Wie können Hochwasserschätzungen an nicht gemessenen Standorten vorgenommen werden?

Key concepts

• Jährliche Maximalwerte
• Hochwasserfrequenzverteilungen
• Wiederkehrperiode und Überschreitungswahrscheinlichkeit
• Bemessungshochwasser
• Regionale Hochwasserfrequenz
• Hochwasserquantile

Key theories

Hochwasserfrequenzanalyse

Jährliche Spitzenabflüsse werden als Zufallsvariablen behandelt und mit Wahrscheinlichkeitsverteilungen angepasst, um Hochwasserquantile und Wiederkehrperioden zu schätzen, was die statistische Grundlage für die Planung und die Kartierung von Überschwemmungsgebieten bildet.

Standardisierte Richtlinien zur Hochwasserfrequenz

Offizielle Richtlinien, wie das US-Bulletin 17C, schreiben konsistente Methoden (Wahl der Verteilung, Parameterschätzung, Behandlung von niedrigen Ausreißern und historischen Hochwassern) zur Berechnung von Hochwasserfrequenzen in der behördlichen Praxis vor.

Clinical relevance

Die Hochwasserhydrologie liefert die Bemessungsabflüsse für Dämme, Brücken, Deiche und Entwässerungssysteme, die Hochwasserkarten, die in der Landnutzungsplanung und bei Versicherungen verwendet werden, sowie die Schätzungen, die Hochwasserwarnungen und Risikominderungsmaßnahmen zugrunde liegen; eine Fehleinschätzung der Hochwasserhäufigkeit kann zu unter- oder überdimensionierten und unsicheren Infrastrukturen führen.

Evidence & guidelines

Die behördliche Hochwasserschätzung folgt häufig nationalen Richtlinien, wie dem Bulletin 17C in den Vereinigten Staaten, das die verwendete Verteilung, Parameterschätzung und Datenbehandlung standardisiert, sodass Hochwasserfrequenzschätzungen konsistent und nachvollziehbar sind.

History

Die statistische Hochwasserfrequenzanalyse entwickelte sich im Laufe des 20. Jahrhunderts mit der Verlängerung der Abflussaufzeichnungen und stützte sich auf die Extremwerttheorie; nationale Richtlinien (zum Beispiel die Bulletin 17-Reihe der Vereinigten Staaten, aktualisiert auf 17C im Jahr 2019) standardisierten die Methoden, während die Regionalisierung die Schätzungen auf nicht gemessene Einzugsgebiete ausdehnte.

Debates

Stationarität in der Hochwasserfrequenz

Die konventionelle Hochwasserfrequenzanalyse geht von einem stationären Klima aus, aber Landnutzungs- und Klimawandel können Hochwasserstatistiken nicht-stationär machen, was zu Debatten darüber führt, ob und wie Trends und nicht-stationäre Methoden in die Bemessungsschätzungen einbezogen werden sollten.

Key figures

• Jery R. Stedinger
• Ven Te Chow

Seminal works

• chow1988
• stedinger1993
• england2019

Frequently asked questions

Können zwei 100-jährige Hochwasser in aufeinanderfolgenden Jahren auftreten?

Ja. Ein 100-jähriges Hochwasser hat in jedem Jahr unabhängig von den Vorjahren eine Wahrscheinlichkeit von etwa einem Prozent, sodass aufeinanderfolgende große Hochwasser möglich sind; die Wiederkehrperiode beschreibt die langfristige durchschnittliche Häufigkeit, nicht einen festen Zeitplan.

Warum ist die Hochwasserfrequenzanalyse unsicher?

Aufzeichnungen sind in der Regel kurz im Verhältnis zu den seltenen Ereignissen, die geschätzt werden, die Wahl der Wahrscheinlichkeitsverteilung beeinflusst die Ergebnisse, und Annahmen der Stationarität können unter sich änderndem Klima und Landnutzung nicht zutreffen, sodass Hochwasserschätzungen erhebliche Unsicherheiten aufweisen.