Simulation gegen die Flut - Ein Forschungsprojekt bei der Bayerischen Forschungsstiftung

So abstrakt diese Thematik für den Laien auch klingen mag, das Ergebnis dieses Projekts zwischen öffentlicher Hand und Industrie kommt uns allen zugute. Denn wer kennt sie nicht, die Bilder von überfluteten Straßen, Überschwemmungen, voll gelaufenen Kellern oder gar der Evakuierung einzelner Gebäude oder ganzer Stadtteile. Von Extrembeispielen wie etwa dem Hochwasser vom 23. Februar 2007 in Jakarta hört und liest man immer öfter in den Medien, doch kleinere, vielleicht weniger spektakuläre aber dennoch nicht ohne Folgen verbleibende Überflutungsereignisse sind auch hierzulande an der Tagesordnung.

Dem vorzubeugen ist Ziel dieses Forschungsvorhabens. Um also künftig noch mehr zur Gesundheit von Mensch und Natur beitragen zu können, reichen sich im Rahmen dieses Projektes zwei Wissensgebiete die Hand, um Synergieeffekte optimal nutzen zu können: die Informatik und die Siedlungswasserwirtschaft. Denn zum oben genannten Zwecke wird es zunehmend unerlässlich, alle städtischen Abflussvorgänge simulieren zu können, was in diesem Projekt mit dem hoch entwickelten, komplexen Parallelschrittverfahren  bewerkstelligt werden soll, daher auch der Titel: 'GeoCPM' (Geo Scientific Parallel Step Method), der aus computergestützten Berechnungsverfahren mit modernster Multiprozessortechnologie herrührt. Die Relevanz dieses Vorhabens stellt die Förderung durch die Bayerische Forschungsstiftung (BFS) unter Beweis. Der Antragsteller für das Projekt ist die mittelständische, international agierende Softwarefirma tandler.com aus dem niederbayerischen Buch am Erlbach, die sich seit Jahren dem Design und der Realisation von Software für alle Belange der Siedlungswasserwirtschaft widmet. Dort, im Haus für Umweltinformatik, soll das Projekt realisiert werden.

Sicher ist: Hochwasserschutz muss beginnen, lange bevor Flüsse über die Ufer treten. Noch ehe es zu starken Niederschlägen kommt, müssen Städte und Gemeinden vorbeugende Maßnahmen ergreifen. Eine wesentliche Aufgabe städtischer Entwässerungssysteme ist die Gewährleistung ausreichender Überflutungssicherheit für private, gewerbliche und öffentliche Bauten und zugeordnetem Eigentum im städtischen Raum. Um nun die erforderlichen Schutzmaßnahmen effektiv an den wirklichen Gegebenheiten orientieren und präventiv ergreifen zu können, liegt der Focus dieses Forschungsprojekts darauf, alle städtischen Abflussvorgänge in einer geowissenschaftlichen Simulation mithilfe eines hydrodynamischen Berechnungsverfahrens abbilden zu können.

Bei der immer größer werdenden Flut an geographischen und geometrischen Daten ist es dabei unerlässlich, auf neueste Errungenschaften auf dem Gebiet der IT-Technologie zurückzugreifen. Für die quantitative, bidirektionale Berechnung, d. h. unter Berücksichtigung der Rückwirkungen des aus dem Kanal überstauenden Wassers auf das Oberflächenabflussgeschehen, bietet sich die Arbeit mit Multi-Core-Prozessoren an, welche eine der wichtigsten Entwicklungen auf dem Gebiet der Computertechnologie darstellt. Durch das "Verschmelzen" von zwei leistungsstarken Kernen in einem Prozessor werden zahlreiche wichtige und neue Möglichkeiten eröffnet: Nur durch den Einsatz dieser modernsten Multiprozessor-Technologien kann die stets wachsende Menge an Daten bewältigt werden.

Nach jahrelanger Pionierarbeit der Antragsteller beim Einsatz von Multiprozessor-Technologien im Bereich der Kanalnetzberechnung ist es nunmehr ihr Ziel, diese in den Dienst der Umwelt im Sinne eines quantitativen Überflutungsnachweises in städtischen Einzugsgebieten zu stellen. Aufgrund des lauesten Winters seit Beginn der Wetteraufzeichnungen war das Fortschreiten des Klimawandels beständig Thema in der Tagespresse. Dies wird zahlreiche Veränderungen für Menschheit und Natur mit sich bringen und führt unter anderem zu gehäuft auftretenden Überflutungen durch sehr starke Regenereignisse oder über die Ufer tretende Flüsse, wodurch die nationalen wie internationalen Ansprüche auf diesem Gebiet beständig steigen. Das Problem an herkömmlichen Verfahren liegt darin, dass sie auf vereinfachten hydrologischen Ansätzen beruhen.

In Konsequenz bedeutet dies, dass das im Kanalnetz überstaute Wasser, welches auf die Oberfläche gelangt, in der Simulation nicht wieder zugeführt wird und damit nicht in die Berechnungen miteinbezogen werden kann. Das bayerische Forschungsprojekt GeoCPM kommt der beständig wachsenden Bedeutung präziserer Abschätzungen von Überflutungssicherheiten im Bereich der Urbanhydrologie entgegen. Es macht die Einbeziehung zunehmend genauerer, multidimensionaler geographischer und meteorologischer Daten zu diesem Zwecke besser oder überhaupt erst möglich. Dies soll nicht nur wegen des zwingenden Einsatzes von Überflutungsnachweisen aufgrund deutscher und europäischer Normen geschehen, sondern vor allem im Rahmen einer notwendigen, sinnvollen und nachhaltigen Ergänzung der praktischen Arbeit von planenden und ausführenden Institutionen wie Ingenieurbüros.

Die vom Antragsteller tandler.com und den Projektpartnern Pecher&Partner GmbH und der Münchner Universität der Bundeswehr unter der Leitung von Prof. Günthert im Forschungsvorhaben zu realisierenden hydrodynamischen Berechnungsverfahren für den Oberflächenabfluss werden es möglich machen, die Veränderung der Wasserstände in großflächigen, fein diskretisierten Berechnungsgebieten sekundengenau zu ermitteln. Anhand Laservermessungsdaten der neuesten Generation werden die Geländedaten der beteiligten Städte Landshut und Nürnberg zu Referenzprojekten aufgebaut, um die Verfahren zu verifizieren. Dabei werden nicht nur flächenhaft gefallene Regen, sondern auch örtlich und zeitlich punktuelle Einspeisung, wie etwa das Austreten von Wasser aus Kanalschächten in den Straßenraum oder auf sonstige befestigte und unbefestigte Flächen, zugelassen. Die Schnittstelle zwischen Oberflächenabfluss und Kanalnetzberechnung wird bidirektional realisiert. Dies ermöglicht sowohl einen Wasserfluss vom Kanalnetz auf die Oberfläche, wie auch einen Zufluss von Oberflächenwasser in das Kanalnetz. Oft sind es linienförmige sowie kleinräumige Objekte, die einen großen Einfluss auf den Abfluss des Wassers haben. Darunter fallen etwa Bordsteine, Straßenbegrenzungen und Böschungen. Diese sind im urbanen Bereich sehr häufig anzutreffen und müssen durch geeignete Strukturen repräsentiert werden. Hier wird auf das hauseigene geographische Informationssystem ++SYSTEMS aufgesetzt. Das GIS System muss eine adäquate Möglichkeit bieten, um all diese Detailinformationen für ausreichend große Gebiete grafisch und vor allem rechnerisch in praktikabler Zeit verarbeiten zu können. Hierfür ist die Übertragung der im Hause tandler.com entwickelten Mehrprozessortechnologie auf die Oberflächenberechnung  unumgänglich.

Somit wird deutlich: Durch das fortschrittliche und immer spezifischere synergetische Zusammenwirken der Informatik und der Siedlungswasserwirtschaft wird es gelingen, auf nationaler als auch auf internationaler Ebene die Gewährung von Überflutungssicherheiten voranzutreiben - ein Meilenstein für den Gewässer- und Umweltschutz, und damit auch für die dauerhafte Wahrung und Verbesserung von Gesundheit und Sicherheit der Menschheit zu tun. Die Förderung dieses Forschungs- und Entwicklungsvorhabens der tandler.com GmbH und seinen Partnern durch die BFS wird ein wesentlicher Schritt in die richtige Richtung sein.

Kontakt:
tandler.com - Gesellschaft für Umweltinformatik mbH
Abteilung Marketing / Kommunikation
Angela Tandler
Am Griesberg 25-27
84172 Buch am Erlbach
Tel: +49 (0) 8709 940 40
Fax: +49 (0) 8709 940 49
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