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Alarmmodelle

Ansprechpartner: Dr. habil. Ulrich Barjenbruch

Operationelle Vorhersage des Schadstofftransports in Fließgewässern : Alarmmodell Elbe

Nach dem Sandoz-Unfall im Jahr 1986, dei dem durch einen Brand in einem chemischen Werk nahe Basel große Mengen giftiger Substanzen in den Rhein gelangten, entwickelten die Rheinanliegerstaaten ein Warn- und Alarmmodell, um bei unfallbedingten Schadstoffeinleitungen die unterhalb gelegenen Rheinanlieger rechtzeitig warnen zu können. Im Auftrag des BMUB wurden großräumige Traceruntersuchungen zwischen Basel und Rotterdam organisiert und durchgeführt. Die damit ermittelten Stofftransportzeiten und -konzentrationen dienen zur Kalibrierung und Verifizierung der Stofftransportmodellierung. Ziel war es, bei künftigen Unfällen zur Alarmierung der Unterlieger sowohl Schadstoffkonzentrationen als auch Durchgangs- und Eintreffzeiten möglichst genau vorhersagen zu können.

Da auch für die Elbe Bedarf an einem Warn- und Alarmmodell bestand, hat die BfG, unterstützt durch das BMUB und in Kooperation mit deutschen und tschechischen Partnern, in den Jahren 1997 bis 2004 das Modell ALAMO entwickelt (s.u.). Auch hier kamen Traceruntersuchungen zum Einsatz, um z.B. eine genaue Transportmodellierung für die Dispersions- und Stillwasserzoneneinflüsse zu ermöglichen. Das neu entwickelte Alarmmodell ALAMO basiert auf einer verbesserten Stofftransportberechnung, die mit Hilfe der bei den Tracerversuchen gewonnenen Daten kalibriert und verifiziert werden soll. Der Geltungsbereich des Modells zwischen Nemcice (CZ) und Geesthacht (D) umfasst bis zu 800 Flusskilometer. Die in Erprobung befindliche Modelloberfläche ist zweisprachig angelegt und lässt sich in deutscher und tschechischer Sprache bedienen. Für die Erweiterung und Anpassung des Alarmmodells auf die tschechische Elbe unterstützen wir die tschechischen Dienststellen bei den Tracerversuchen und der Modellerprobung.

Ablauf-Schema: von der Unfallmeldung bis zur Berechnung der Schadstoffkonzentrationen und Eintreffzeiten mit dem AlarmmodellAblauf-Schema: von der Unfallmeldung bis zur Berechnung der Schadstoffkonzentrationen und Eintreffzeiten mit dem Alarmmodell

Sollten durch eine Schiffshavarie oder einen industriellen Störfall Schadstoffe ins Oberflächengewässer gelangt sein, erfordert dies eine schnelle und zuverlässige Prognose des Schadstofftransports. Bei der Vorhersage des Schadstofftransports wird die Bewegung der Schadstoffwolke flussabwärts simuliert. Mit diesen Informationen ist eine Alarmierung der Wassernutzer und die Einleitung von Abwerhrmaßnahmen, z.B. bei Wasserwerken möglich. Das zur Alarmierung eingesetzte Prognosemodell entwickelte sich zum wichtigen Bestandteil in den Warn- und Alarmplänen der Flussgebiets- Kommissionen des Rheins, der Oder, der Donau und der Elbe.

Für die Entwicklung des Modells waren umfangreiche Arbeiten durchzuführen:

  • Erarbeitung einer genauen hydraulischen Datenbasis
  • Entwicklung eines stabilen Lösungsverfahren für die verwendete eindimensionale Transportgleichung
  • Durchführung der Modellkalibrierung und -Verifizierung durch mehrere Tracerversuche als Modellbasis für die verwendete eindimensionale Transportgleichung des Alarmmodells
  • Erstellung einer Programmoberfläche zur Vorhersage der Schadstoffwelle in der Zeit und Konzentration

Modellansatz und Programmoberfläche

Zur Beschreibung der Stofftransport- und Vermischungsvorgänge für wasserlösliche Stoffe wird ein um Abbau- und Stillwasserzonenterm erweitertes Taylormodell als sogenanntes Stillwasserzonenmodell eingesetzt. Die Lösung der Transportgleichung erfolgt durch ein numerisches Verfahren. Das Stillwasserzonenmodell gewährleistet eine genaue Beschreibung der Transportprozesse in der staugeregelten Oberelbe und in der weitgehend durch Buhnen verbauten Mittelelbe.

Die Programmoberfläche ist die Schnittstelle zwischen Lösungsverfahren (Rechenkern) und Benutzer. Eine Datenbank für die beiden wesentlichen Eingangsgrößen, Fließgeschwindigkeit und Durchfluss (aus Wasserstand abgeleitet), stellt die Eingangsdateien bereit und enthält auch Informationen über Schadstoffe und potentielle Gefahrenstellen. Die Berechnungsergebnisse liegen zunächst als Schadstoffkonzentrationen nach Ort und Zeit vor und lassen sich in vielfältiger Form als Tabelle und Grafik zur Interpretation eines Schadstoffereignisses ausgeben.

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