Simulierte Überflutung

Hochwasser und Überflutungen zu simulieren und weiterführend unterschiedliche Maßnahmen zur Umleitung des Wassers oder zur Sicherung von Bereichen darzustellen, ist Forschungsgegenstand von Daniel Winkler vom Institut für Infrastruktur am Arbeitsbereich Umwelttechnik, der für seine Arbeiten bereits mehrfach ausgezeichnet wurde.

Unter der Leitung von Wolfgang Rauch, Professor im Bereich der Siedlungswasserwirtschaft, forscht ein Team an Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern an der Entwicklung und Anwendung von Fluiddynamik, insbesondere an Partikelmethoden wie Smoothed Particle Hydrodynamics. Im Rahmen dieses Forschungsansatzes hat Daniel Winkler es sich zur Aufgabe gemacht, realitätsnahe Wasserberechnungen und Darstellungen zu simulieren, um Überflutungsszenarien zukünftig noch besser begegnen zu können.

In Echtzeit errechnete Bilder sind mittlerweile bereits täuschend echt und werden in Virtual Reality erlebbar. Die Entwicklung der Software zur Darstellung der Strömungen im Überflutungsbereich ist an eine Plattform zur Programmierung von Spielen gekoppelt“, erläutert Daniel Winkler, der für seine Arbeit den begehrten Poul Harremoës Award auf der diesjährigen ICUD-Conference in Prag gewonnen hat. Mit der entwickelten Software wird es möglich, unterschiedliche Szenarien für Überflutungen eines Bereiches virtuell zu testen und verschiedene Maßnahmen zur Sicherung des Ortes und Umleitungen des Wassers zu erarbeiten. „Ziel ist es, in einem virtuellen Umfeld auszuprobieren, wie sich das Wasser verhält wenn ein Auto durchfährt oder Sandsäcke aufgestellt werden“, erklärt Winkler die wissenschaftliche Intention zur Programmierung der Software. Vor allem ist für Winkler das Verhalten von Wasser im Fall von Überflutungen interessant: „Wir wollen herausfinden, wie viel Wasser ein Kanal abtransportieren kann und wie viel auf der Straße bleibt. Dies ist zwar lokal sehr unterschiedlich, jedoch können wir Daten über das Kanalsystem und über den Niederschlag punktgenau in die Simulation miteinberechnen. So können dann auch Verbesserungen des bestehenden Systems durchgeführt werden, um die Effizienz von Kanälen zu erhöhen.“ Ein weiterer Anwendungsfall wäre die Simulation von Überflutungen von unterirdischen Gängen wie beispielsweise einer U-Bahn.

In den entsprechenden Einrichtungen gibt es Personal, die auf den Umgang mit solchen Extremsituationen geschult sind. Mithilfe des Programms könnten mögliche Evakuierungen gezielter vorbereitet werden, wenn man weiß, wie das Wasser bei unterschiedlich starken Regenfällen reagiert“, so der Informatiker der betont, dass es sich bei dem Programm vorrangig um ein Kommunikationstool handelt, um Entscheidungsträger, Ersthelfer und die Bevölkerung über mögliche Szenarien aufzuklären. „Eine dreidimensionale Darstellung ist auf jeden Fall eindrücklicher als die bisher bestehenden Überflutungskarten mit roten, gelben oder grünen Zonen“, so Winkler.

Fließende Berechnungen

Höhenmodelle und Open Street Map Daten bilden die Grundlagen, um eine Landschaft dreidimensional nachzubilden. Zusätzliche Satellitenbilder von Häusern finalisieren die realistische Darstellung eines Ortes oder einer Landschaft. „Im präsentierten Beispiel simulieren wir die Überflutung im Ortskern von Aldrans im Jahr 2016. Das virtuelle Aufstellen von Sandsäcken veranschaulicht, wie sich dies auf den Fluss des Wassers auswirkt und wie sich der Verlauf verändert. Mit der programmierten Software können wir sehr interaktiv umgehen. Zwar ist es bis zu einem gewissen Grad Spielerei, soll aber vorrangig ein Training zur Ergreifung von Maßnahmen sein“, so Winkler der betont, dass Virtual Reality Darstellungen in Kombination mit detaillierter Wasserberechnung erst mit den technischen Verbesserungen der benötigten Grafikkarten funktionieren.

Die bisher verwendete Methode um Wasser anhand von bewegten Partikeln zu simulieren, war für die Darstellung eines Ereignisses in Echtzeit zu detailliert und damit zu langsam. „Mit der gängigen Methode können problemlos kurzfristige Begebenheiten wie etwa eine Welle die über ein Boot schlägt oder eine Aquaplaning-Situation, simuliert werden. Diese Ereignisse passieren in wenigen Sekunden, brauchen aber aufgrund der detaillierten Berechnungen enorm viel Rechenzeit“, veranschaulicht der Wissenschaftler. Wichtig war für Winkler auch die Möglichkeit, die Echtzeitberechnungen ohne Supercomputer durchführen zu können. „Die größte Herausforderung war es, die richtige Methode zu finden. Es musste ein Kompromiss zwischen einer effizienten und doch physikalisch plausiblen Simulation realistischen Darstellungsmöglichkeit sein“, erläutert der Preisträger. Weitere methodische Entwicklungen sollen die Software noch verbessern, um sie schließlich als Open Source zur Verfügung stellen zu können.

Daniel Winkler hat für seine Arbeiten den Poul Harremoës Award auf der diesjährigen ICUD-Conference in Prag, den Best Student Paper Award der Uni Innsbruck sowie den Euregio-JungforscherInnenpreis gewonnen.

*Source: Universität Innsbruck

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