GIS: Mit 3D-Simulationen Hochwasser besser vorhersagen

Ein verheerendes Hochwasser ereilte im Jahre 2008 den US-Gliedstaat Iowa und verursachte Schäden im Milliardenausmaß. Daraufhin wurde das Iowa Flood Center (IFC) an der University of Iowa (UI) für hochwasserbezogene Forschung und Lehre gegründet. Dessen Forscher haben nun, auf der Grundlage von High Performance Computing, einer hochauflösenden RANS-Simulation und Standard-CFD-Programmen, ein 3D-Flutmodell für bessere Vorhersagen und wirksameren Hochwasserschutz entwickelt.

Heute setzt man auf vereinfachte 2D-Flutmodelle, um die Fortpflanzung der Flutwellen und ihre Ausbreitung über Landgebiete vorherzusagen. Ein Team am IFC unter der Leitung von UI-Professor George Constantinescu entwickelt ein nichthydrostatisches 3D-Flutmodell, das die Ausbreitung der Flutwellen genauer simulieren kann und auch die Interaktion zwischen den Wellen und größeren Hindernissen wie Dämmen und natürlichen Überschwemmungsgebieten. Diese 3D-Modelle lassen sich außerdem nutzen, um die Vorhersagequalität der von Behörden und Beratungsunternehmen genutzten 2D-Modelle zu verbessern, um einschätzen zu können, wie sich die Fluten ausbreiten und welche Gefahren sie mit sich bringen.

Mit einem der weltweit leistungsfähigsten Rechner, dem Titan, einer 27-Petaflop Cray XK7 an der Oak Ridge Leadership Computing Facility (OLCF) hat das Team von Constaninescu eine der ersten, hochauflösenden, 3D-Volume-of-Fluid (VoF) Reynolds-gemittelten Navier-Stokes-Simulationen (RANS) eines Dammbruchs in einer natürlichen Umgebung gefahren. RANS kommt vielfach für die Berechnung turbulenter Strömungen zum Einsatz. Die Simulation ermöglichte es den Forschern, die Wasserpegel für tatsächliche Hochwasser präzise über die Zeit zu kartieren.

Überschwemmungen, wie jene, die Dämme brechen ließen, erforderten eine enorme Rechenleistung, um sie zu simulieren. Mit Hilfe des High Performance Computing und des Titan-Supercomputers habe man nun mehr erreicht, als man früher für möglich gehalten habe, so Constantinescu. Das Projekt wurde 2015 und 2016 im Rahmen des Director’s Discretionary user program von OLCF unterstützt-. OLCF, eine Einrichtung des US Department of Energy, stellt HPC-Ressourcen für Forschungs- und Entwicklungsprojekte für wissenschaftliche Entdeckungen bereit.

2D-Modelle schätzen Pegel und Scheitel der Welle nicht immer richtig ein

Die 3D-Simulationen konnten zeigen, dass die üblicherweise verwendeten 2D-Modelle einige Aspekte eines Hochwasser nicht akkurat wiedergeben. Das betrifft etwa die Zeit, in der gefährlich hohe Wasserpegel in einer bestimmten Region vorherrschen oder die überflutete Fläche. Zudem könnten die 2D-Modelle das Tempo, in dem sich die Wassermassen ausbreiten, unterschätzen, die Zeit bis zum Scheitelpunkt der Flut dagegen überschätzen.

Wenn die Zuflüsse eines Flusses gleichzeitig anschwellen, können sie eine oder mehrere aufeinander folgenden Flutwellen auslösen. Die Genauigkeit der 1D-, 2D- und 3D-Flutmodelle, welche die Wellenbewegung nachbilden, ist entscheidend für die Vorhersage von Fluthöhe, Gefahrensituationen und anderen Variablen. Es sei wichtig zu wissen, was in Situationen passiere, in denen ein Damm breche, so Constantinescu: Wer davon betroffen sei, wieviel Zeit zur Evakuierung bereitstünde und welche Folgen außerdem für die Umwelt auftreten könnten. Weil 2D-Modelle vereinfachte Annahmen über einige Gesichtspunkte eines Hochwassers treffen, können sie mit Strömungsänderungen schlecht umgehen, etwa wenn die Welle große Hindernisse umfließt, rasch die Richtung wechselt oder Brücken vollständig unter Wasser setzt.

Mit Titan die Strömung ändern

Mit einem voll nicht-hydrostatischen 3D-RANS-Solver hat die Forschergruppe die ersten Simulationen eines hypothetischen Versagens zweier Dämme in Iowa durchgerechnet: den Coralville-Damm in Iowa City und den Saylorville Damm in Des Moines. Für jede der Simulationen, die eine Fläche von 20 mal 5 Meilen überdeckten, brauchte es ein Netz aus 30 bis 50 Millionen Einheiten.

Man verwendete die STAR-CCM+, eine Software für Strömungssimulation. Sie nutzt eine Volume-of-Fluid-Methode, um die Position der freien Wasseroberfläche nachzubilden, also den Kontaktpunkt zwischen Wasser und Luft. Um die Skalierbarkeit zu prüfen, haben die Forscher die Maximalperformance für die Dammbruchsimulationen ermittelt und 2‘500 der CPUs von Titan in jeder Simulation eingesetzt. Außerdem haben sie dieselben Dammbruchsituationen mit einem üblicherweise vom IFC verwendeten Standard-2D-Modell durchgerechnet. Mit ihm wurden das Tempo der Fluten unterschätzt und das Eintreffen der Scheitelwelle zu spät gerechnet.

Constantinescu ist überzeugt, dass die vorgenommenen 3D-Simulationen mit ihren riesigen Datensätzen die Genauigkeit bestehender Modelle verbessern könnten. Man könne auch die Wirksamkeit des Hochwasserschutzes für verschiedene Flutszenarien untersuchen. Die Wissenschaftler konnten erfolgreich demonstrieren, wie HPC hilft, konstruktionsbezogene Fragen im Hinblick auf die Folgen des Versagens von Dämmen und der begleitenden Gefahren zu beantworten. Mit Summit, einem Supercomputer der nächsten Generation am OLCF, der 2018 seinen Dienst antreten soll, eröffnen sich weitere Möglichkeiten für die Arbeit von Constaninescu. Und nicht nur das. „Letztlich werden Dinge, die wir von Hand vornehmen mussten, wie die Erstellung eines hochwertigen Berechnungsnetzes, Teil des typischen Softwarepakets werden“, sagt Constantinescu.

Die Forscher um Constantinescu haben mit Professor  Witold Krajewski, Leiter des IFC und Forschungsingenieur am Iowa Institute of Hydraulic Research (IIHR)–Hydroscience and Engineering, zusammengearbeitet.  IIHR PhD Student Daniel Horna-Munoz, dessen Arbeit vom IFC unterstützt wurde, zeichnete für die Entwicklung und Tests des 3D-Modells, die Durchführung der Simulation und die Datenanalyse verantwortlich.

Bild oben: Visualisierung der Flutwellen-Simulation für den Fall eines Dammbruchs in Saylorville, bei 9‘000 Sekunden. Die blauen Linien zeigen den Hauptstrom des Des Moines-Flusses, die schwarzen und grünen Linien die Positionen der beiden wichtigsten Zuflüsse: Beaver Creek und Raccoon River. Quelle: Oak Ridge National Laboratory