Unsere Hochwasservorhersagen werden mit dem Klimawandel immer schlechter. Wir müssen verstehen, wie Hügel Überschwemmungen formen

Der Schutz der Menschen vor Überschwemmungen erfordert von vielen technischen Fachleuten gute Vorhersagen und Entscheidungen.

Meteorologen prognostizieren die Gefahr extremer Regenfälle. Hydrologen übersetzen diese Niederschläge in Vorhersagen darüber, wie die Flut in Bezug auf Tiefe, Strömung und Geschwindigkeit aussehen wird. Ingenieure entwerfen Straßen, Brücken und Gebäude, um den wahrscheinlichen Bedingungen gerecht zu werden, während Planer sicherstellen, dass neue Entwicklungen mit Hochwasserrisiken vereinbar sind.

Kein Schritt in diesem Prozess ist einfach – und die meisten werden immer schwieriger. Der Klimawandel verschlimmert Überschwemmungen, weil eine heißere Atmosphäre mehr Wasserdampf aufnehmen kann, der die Wolken auflädt. Ein heißeres Klima liefert mehr Energie, um feuchte Luft hoch in die Atmosphäre zu heben, wo sie abkühlt, flüssig wird und extreme Niederschläge bildet. In Australiens Norden hat die Intensität der Starkregenereignisse bereits zugenommen um 10% erhöht seit 1979.

Es ist zwar schwierig, sich an unvorhersehbare Niederschlagsereignisse anzupassen, aber wir können unsere Hochwasservorhersagen verbessern. Wir auf Verbesserung konzentriert eine gängige Hochwasservorhersagetechnik namens Rational Method.

Obwohl es einfach zu verwenden ist, kann es auch einige Dinge sehr falsch machen – wie z. B. die Unterschätzung von Hochwasserspitzen um 200 %. Um dies zu beheben, haben wir mit den Entwicklern von Arc Hydro zusammengearbeitet, einem beliebten Softwarepaket, das von Regenwasser- und Hochwasserplanern verwendet wird besser beschreiben wie sich die Form von Hängen auf Hochwasser auswirkt. Wir hoffen, dass dies den Planern helfen kann, die wahren Hochwasserrisiken in bestimmten Gebieten besser zu verstehen.

Warum brauchen wir bessere Hochwasservorhersagen?

Es ist besonders schwierig, das Risiko von extremen Stürmen vorherzusagen – wie jenen, die Anfang dieses Jahres in Teilen von New South Wales und Queensland zu verheerenden Überschwemmungen geführt haben – denn für diese Stürme ist die Vergangenheit kein guter Anhaltspunkt für die Zukunft. Diese Überschwemmungen kamen von einer „Regenbombe“, die 60 % der normalen jährlichen Niederschläge im Südosten von Queensland abwarf nur drei Tage.

Das Management von Hochwasserrisiken ist angesichts der Kosten für Hochwasserschutz, Evakuierung und Widerstandsfähigkeit in entwickelten Gebieten und der Herausforderungen bei der Einschränkung der Entwicklung in Gebieten mit hohem Risiko schwierig. In den letzten Jahren gab es einen starken Druck auf Planer in australischen Städten, neuen Wohnungsbestand bereitzustellen. Der Landentwicklungssektor macht auch erheblich politische Spenden. Es überrascht nicht, dass dieser Druck zu einer Entwicklung auf überschwemmungsgefährdetem Land geführt hat. Überschwemmungen während der laufenden La Niña-Ereignisse hat pausierte Entwicklung in einigen Gebieten.

Australien verfügt über solide Leitlinien zur Vorhersage des Hochwasserrisikos. Die der Bundesregierung Australischer Niederschlag und Abfluss Führung ist weltweit führend. Um dies richtig zu nutzen, müssen Sie leider qualitativ hochwertige Analysen, detaillierte physikalische Modelle und eine sorgfältige Untersuchung von Unsicherheiten durchführen. Dies kann teuer sein und erfordert spezielle Software, hochqualifizierte Experten sowie genügend Daten und Zeit. Aus diesem Grund wenden sich viele Planer in Australien und weltweit immer noch einfacheren Methoden zur Hochwasserbewertung wie der rationalen Methode zu.

Einfacher ist nicht immer besser

Einfachere Methoden sind zwar ansprechend, aber eher ungenau. Obwohl es seit langem Bedenken gibt die Verlässlichkeitbleibt die Methode hartnäckig beliebt und wird in Designstandards weltweit empfohlen. Anstatt Ingenieure für die Verwendung der rationalen Methode zu schelten, wollten wir sie verbessern.

Um die Einfachheit zu wahren, übersieht die rationale Methode viele Faktoren, die die Entstehung von Überschwemmungen beeinflussen. Wir haben uns einen entscheidenden Faktor angesehen – die Form der Landschaft. Wenn Regen auf abschüssiges Land fällt, fließt er auf den Grund von Tälern, wo sich Bachkanäle bilden. Aber Hügel sind nicht „flach“ wie ein Blatt Pappe – sie krümmen sich auf unterschiedliche Weise.

Wir machten uns Sorgen über divergierende Hügelhänge, die sich von einem kurzen Gratabschnitt zu einem langen Bachabschnitt auffächern. Unter diesen Bedingungen überschätzt die rationale Methode, wie lange es regnen muss, um eine Worst-Case-Überschwemmung zu erzeugen. Indem die Dauer eines Sturms überschätzt wird, unterschätzt die rationale Methode extreme Niederschlagsmengen. Das kann zu sehr erheblichen Fehlern führen, wie z. B. zu einer Unterschätzung der Hochwasserspitze um 200%.

Um dieses Problem zu beheben, haben wir eine mathematische Theorie entwickelt, um Hochwasservorhersagen basierend auf der Form des Hangs zu korrigieren. Wir haben unsere neue Theorie mit Experimenten getestet, die an sorgfältig konstruierten Modellhügeln durchgeführt wurden, und sind fündig geworden funktionierte wie erwartet.

Von der Theorie zur Praxis

Leider sind mathematische Theorien außerhalb akademischer Kreise normalerweise nicht beliebt. Um unseren neuen Ansatz mit den Benutzern zu teilen, haben wir mit Esri zusammengearbeitet, dem Entwickler des weltweit beliebten Arc Hydro GIS-Paket von Regenwasser- und Hochwasserplanern verwendet.

Gemeinsam haben wir gebaut neue Werkzeuge für das Paket, das Hügel kartiert, die Hügelform mathematisch beschreiben und unsere neue Theorie verwenden, um Vorhersagen zu verbessern, die von der rationalen Methode erstellt wurden.

Also funktioniert es? Als wir unser Tool zum Testen von Wassereinzugsgebieten in Kalifornien und New Mexico anwendeten, stellten wir fest, dass etwa 40 % der Hänge unterschiedlich waren – unten breiter als oben. Für diese Gebiete würde der Einsatz unserer neuen Methoden die Hochwasservorhersagen um bis zu 270 % verbessern.

Überschwemmungen sind eine schwierige Herausforderung für Gesellschaften auf der ganzen Welt. Denn die Bewältigung von Überschwemmungen erfordert von uns langfristige Entscheidungen darüber, wo wir leben, wie wir leben und was wir angesichts eines sich schnell verändernden Klimas bauen.

Diese Probleme vollständig anzugehen, ist eine internationale, multidisziplinäre Aufgabe für Wissenschaftler, Ingenieure, Planer, Politiker und Entscheidungsträger. Wir hoffen, dass unsere Verbesserung der Rationalen Methode ein kleiner, aber nützlicher Teil dieses großen Unterfangens sein wird.

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