Digitale Zwillinge auf Städteebene für Hochwasserbeständigkeit

Extreme Wetterereignisse und steigende Bevölkerungszahlen belasten die bestehende (und oft unzureichende) Entwässerungsinfrastruktur in Städten auf der ganzen Welt und führen zu Überschwemmungen, die Eigentum und Infrastruktur beschädigen, die Sicherheit von Menschen beeinträchtigen und die Wirtschaft schwächen.

Im Jahr 2015 berichteten die Vereinten Nationen, dass im vergangenen Jahrzehnt Überschwemmungen 43 Prozent aller dokumentierten Naturkatastrophen auf der ganzen Welt ausmachten, von denen 2,3 Milliarden Menschen betroffen waren und Schäden in Höhe von 662 Milliarden US-Dollar verursachten. Und diese Zahl steigt. Die Organisation für wirtschaftliche Zusammenarbeit und Entwicklung (OECD) berichtet, dass sich die Zahl der Hochwasserkatastrophen weltweit von 2000 bis 2009 im Vergleich zum vorherigen Jahrzehnt fast verdoppelt habe.

Der Klimawandel – aufgrund seiner Rolle bei extremen Wetterereignissen und steigenden Meeren – verschärft die Hochwasserrisiken, insbesondere in Küsten- und tief liegenden Gebieten. Gleichzeitig nimmt die Bevölkerung in den Hochwasserzonen und den Küstenregionen weiter zu und verschärft die bereits tödliche und kostspielige Situation. Es gibt Prognosen, dass bis 2030 etwa die Hälfte der Menschen auf der Welt in 100 Kilometern Entfernung zu einer Küste leben wird.

Als Reaktion auf diese Bedrohungen bemühen sich die Städte, ihre Hochwasserbeständigkeit durch datengesteuerte Planung, Entwicklung und Betrieb zu verbessern. Einige Städte erreichen dies durch den Einsatz digitaler Zwillinge, um die Widerstandsfähigkeit der aktuellen Infrastruktur zu verbessern und die laufende Entwicklung sowie die zukünftige Planung zu unterstützen.

Digitale Zwillinge

Ein digitaler Zwilling ist eine virtuelle Darstellung einer physischen Anlage, eines Ablaufs oder eines Systems. Digitale Zwillinge von Städten liefern genaue und zuverlässige Daten für Stadtbehörden, die an der Bewertung des Hochwasserrisikos, der Vorbereitung, Reaktion, Wiederherstellung und Schadensbegrenzung beteiligt sind. Sie enthalten Informationen, mit denen Benutzer Analysen durchführen und fundierte Entscheidungen für eine Reihe von Handlungen treffen können, von der langfristigen Stadtplanung bis hin zu zeitkritischen Notfallmaßnahmen.

Digitale Zwillinge werden mit Daten aus mehreren Quellen geschaffen (und kontinuierlich aktualisiert), was sie von statischen 3D-Modellen unterscheidet. Darüber hinaus nutzen Städte nun Cloud-Services, das IoT, Sensoren, RFID und Smartphones, um digitale Zwillinge nahezu in Echtzeit entsprechend des Zustands der Stadt zu aktualisieren. Diese Aktualisierungen ermöglichen es den Städten, digitale Zwillinge zu nutzen, um Infrastrukturanlagen besser zu verwalten und zu optimieren.

Erstellen von Modellen zur Hochwasserbeständigkeit

Die Schaffung eines digitalen Zwillings für Hochwasserbeständigkeit erfordert die Integration von Reality Modeling auf Städteebene, 3D-Vermessung und Hochwassermodellierung. Das Hochwasserbeständigkeitsmodell kann zur Analyse, Simulation, Visualisierung und Kommunikation verwendet werden.

Zunächst werden Reality Modeling- und 3D-Vermessungs-Software verwendet, um ein hochauflösendes 3D-Realitätsraster im Stadtmaßstab zu erzeugen, indem überlappende Fotos von Drohnen sowie Fotos auf Bodenebene verwendet werden, die bei Bedarf durch Laserscans ergänzt werden. Das Realitätsmodell/-raster ist räumlich klassifiziert, d. h. die einzelnen Gebäude, Parzellen und andere Elemente des gerasterten Stadtbildes sind mit ihren zugrunde liegenden entsprechenden GIS-Daten verknüpft. Das Realitätsmodell ist auch nativ planungsfertig und besitzt eine ausreichende Auflösung und Skalierbarkeit, um in einen Bereich zu zoomen und Entwicklungsarbeiten direkt vom Raster aus auszuführen. Vor allem aber enthält das Realitätsmodell digitale Geländedaten, die für jede hydrologische Simulation von grundlegender Bedeutung sind.

Als Nächstes wird ein Hochwasserbeständigkeitsmodell erstellt, indem ein rechnerisches Raster für das betreffende Gebiet eingerichtet wird, sei es für die ganze Stadt oder für nur einen kleinen Teil davon. Dieses rechnerische Raster wird dann mit Daten befüllt, die für Hochwasser-Simulationen verwendet werden. Digitale Geländedaten können direkt aus dem Realitätsmodell übernommen werden, um genaue Oberflächendaten für die Software für Hochwassermodellierung sowie einen visuell realistischen Kontext für die Darstellung von Hochwassersimulationen zu liefern. Das Realitätsmodell kann auch zur Identifizierung von Straßen, Gehwegen, Grünflächen, Bäumen und anderen Informationen verwendet werden, die vom Hochwasserbeständigkeitsmodell benötigt werden.  Die Software für Hochwasser verwendet numerische Modelle, um eine Reihe hydraulischer und hydrologischer Abläufe zu simulieren, einschließlich Niederschlag, Versickerung, Oberflächenabfluss, Kanalströmung und Grundwasserströmung. Dieses Hochwasserbeständigkeitsmodell kann in Kanal- und Regenwassernetzmodelle integriert werden, um städtische Regenwasserströmung und Entwässerung sowie Überschwemmungen in Küstengebieten aufgrund von Sturmfluten dynamisch zu simulieren.

Es kann auch Feeds in Echtzeit mit neuen meteorologischen Daten, aktuellen hydrologischen Bedingungen und Betriebszustände aus vorhandenen Infrastrukturanlagen einbinden. Diese Feeds können die jüngsten Niederschlagsmengen, die aktuellen Strömungsraten, den Betriebszustand der Pumpen usw. umfassen. Angesichts der allgegenwärtigen Präsenz von Mobiltelefonen und sozialen Medien könnte es sogar Live-Feeds geben, die lokale Straßenüberschwemmungen und Gezeitenhochwasser dokumentieren, um das Krisenmanagement bei Hochwasser zu unterstützen. Das Modell wird laufend aus mehreren Quellen aktualisiert, z. B. Sensoren, kontinuierlichen Vermessungen oder GIS-Aktualisierungen, um den aktuellen Zustand widerzuspiegeln.

Verwenden von Modellen zur Hochwasserbeständigkeit

Modelle zur Hochwasserbeständigkeit unterstützen eine Vielzahl von Aktivitäten in Bezug auf die Bewertung und Vorbeugung von Überschwemmungen sowie die Reaktion auf Überschwemmungen. Die Modelle können verwendet werden, um das Ausmaß von Fluss- oder Küstenüberschwemmungen auszuwerten, Aufnahmekapazitäten von Flüssen zu berechnen, die Widerstandsfähigkeit der Infrastruktur zu testen oder aktuelle Landnutzungsstrategien in Hochwasserzonen zu beurteilen.

Eines der Hauptanwendungsgebiete von Hochwassermodellen ist die Simulation von potenziellen Szenarien, die die Auswirkungen von Überschwemmungen auf Wohnungen, Immobilien, Straßen und Infrastruktur zeigen. Mit diesen Simulationen können Überflutungsrisiken für bestehende Bedingungen ermittelt und vorgeschlagene Strategien zur Risikominderung bewertet werden.

So können Städte beispielsweise die Flussströmung während eines Hochwassers simulieren und Verluste auf Basis des Ausmaßes der Überschwemmung anhand vorliegender Gebäudedaten wie Sachwerten analysieren. Mit diesem Feedback können Planer die integrierten Modellierungswerkzeuge der Software nutzen, um Maßnahmen zur Risikominderung zu entwickeln (z. B. höhere Deiche, höhere Kapazität eines Regenwassersystems oder größere Nutzung von Gründächern und durchlässiges Pflaster) und die Simulation erneut ausführen, um die Wirksamkeit der vorgeschlagenen Maßnahmen zur Risikominderung zu testen.

Für den laufenden Betrieb und den Notfalleinsatz können die Behörden betriebliche Hochwassermodelle nutzen, die kontinuierlich ausgeführt werden, um die Auswirkungen von Überschwemmungen im Voraus abzuschätzen und zu mildern. Diese betrieblichen Modelle werden mit den neuesten Informationen aus gemessenen und prognostizierten Wetterbedingungen, Wasserständen in Reservoirs, Daten von hydrologischen Stationen sowie Radar- und Satellitenbildern aktualisiert. Durch die Bündelung dieser Informationen in einem einzigen System und die Verwendung der Hochwasserbeständigkeitsmodelle können Städte die Bedingungen in den kommenden Stunden oder Tagen genau abschätzen. Die Risikominderung kann dann mithilfe der von diesen betrieblichen Systemen erstellten Informationen erreicht werden und ermöglicht:

• Das Ergreifen proaktiver Maßnahmen wie die Erhöhung der Speicherkapazität in Reservoirs, indem sie vor dem Eintreffen der Flutwelle abgelassen werden.
• Das Ergreifen vorbeugender Maßnahmen, wie z. B. die Einrichtung provisorischer Hochwasserschutzvorrichtungen.
• Das Senden von Frühwarnmeldungen.

Hochwasserbeständigkeitsmodelle, die Simulationen im Kontext der Stadtumgebung zeigen, helfen auch, Informationen besser zu vermitteln. Die Kommunikation und visuelle Präsentation dieser Informationen auf leicht verständliche Weise kann den Beteiligten helfen, Entscheidungen in Bezug auf Stadtplanung und Infrastrukturvorschläge zu treffen und auch Bürger für Öffentlichkeitsarbeit anzusprechen.

Fazit

Digitale Zwillinge sind eine umfassende Umgebung, die die Planung der Hochwasserbeständigkeit sowie die laufende Verwaltung und den Betrieb der städtischen Infrastruktur unterstützt. Durch die visuelle Kommunikation nutzbarer Informationen können Beteiligte fundierte Entscheidungen treffen, bevor kostspielige Planungs- oder Bauarbeiten durchgeführt werden. Digitale Zwillinge sind eine große Chance für Städte, die Leistung der städtischen Infrastrukturanlagen zu optimieren und proaktive Schritte für die Planung der Hochwasserbeständigkeit zu unternehmen.

Weitere Informationen zu Lösungen zur Implementierung digitaler Zwillinge von Bentley und zur Entwicklung der Hochwasserbeständigkeit finden Sie unter www.bentley.com/de/campaigns/digital-cities/flood-resilience-digital-twin.