Aufsatz veröffentlicht in: "Wasserbau-Symposium 2021: Wasserbau in Zeiten von Energiewende, Gewässerschutz und Klimawandel, Zurich, Switzerland, September 15-17, 2021, Band 2" veröffentlicht unter: https://doi.org/10.3929/ethz-b-00049975

Corbe, Steffen

Hauser, Marc

Kuhlmann, Michel

Oplatka, Matthias

Vonwiller, Lukas

Hydraulic Engineering Repository

Conference Paper, Published VersionVonwiller, Lukas; Kuhlmann, Michel; Corbe, Steffen; Oplatka, Matthias;Hauser, Marc2D Simulation von Hochwasserszenarien an der Sihl in derStadt ZürichVAW MitteilungenZur Verfügung gestellt in Kooperation mit/Provided in Cooperation with:ETH Zürich, Versuchsanstalt für Wasserbau, Hydrologie und Glaziologie (VAW)Verfügbar unter/Available at: https://hdl.handle.net/20.500.11970/108425Vorgeschlagene Zitierweise/Suggested citation:Vonwiller, Lukas; Kuhlmann, Michel; Corbe, Steffen; Oplatka, Matthias; Hauser, Marc (2021):2D Simulation von Hochwasserszenarien an der Sihl in der Stadt Zürich. In: Boes, Robert(Hg.): Wasserbau-Symposium 2021. Wasserbau in Zeiten von Energiewende,Gewässerschutz und Klimawandel. Band 2. VAW Mitteilungen 263. Zürich: ETH Zürich,Versuchsanstalt für Wasserbau, Hydrologie und Glaziologie. S. 361-369.Standardnutzungsbedingungen/Terms of Use:Die Dokumente in HENRY stehen unter der Creative Commons Lizenz CC BY 4.0, sofern keine abweichendenNutzungsbedingungen getroffen wurden. Damit ist sowohl die kommerzielle Nutzung als auch das Teilen, dieWeiterbearbeitung und Speicherung erlaubt. Das Verwenden und das Bearbeiten stehen unter der Bedingung derNamensnennung. Im Einzelfall kann eine restriktivere Lizenz gelten; dann gelten abweichend von den obigenNutzungsbedingungen die in der dort genannten Lizenz gewährten Nutzungsrechte.Documents in HENRY are made available under the Creative Commons License CC BY 4.0, if no other license isapplicable. Under CC BY 4.0 commercial use and sharing, remixing, transforming, and building upon the materialof the work is permitted. In some cases a different, more restrictive license may apply; if applicable the terms ofthe restrictive license will be binding.Verwertungsrechte: CC BY 4.0 2D Simulation von Hochwasserszenarien an der Sihl in der Stadt Zürich  2D Simulations of Flood Scenarios at the Sihl River in the City of Zurich Lukas Vonwiller, Michel Kuhlmann, Steffen Corbe,  Matthias Oplatka, Marc Hauser Kurzfassung Die Sihl mündet auf ihrem Schwemmkegel in der Stadt Zürich in die Limmat. Kurz vor der Mündung unterquert die Sihl in fünf Durchlässen den Hauptbahnhof Zü-rich. Die TK CONSULT AG hat im Auftrag des Amtes für Abfall, Wasser, Energie und Luft des Kantons Zürich (AWEL) und der Schweizerischen Bundesbahn AG (SBB) numerische 2D Simulationen auf dem Schwemmkegel der Sihl durchge-führt. Es wurden verschiedene Hochwasserszenarien bei den Sihldurchlässen (Auflandung, Verklausung), die Wirkung des Hochwasserentlastungsstollens und lokale Schutzmassnahmen beim Hauptbahnhof Zürich bis zur Inbetriebnahme des Entlastungsstollens untersucht. Die Sihldurchlässe beim Hauptbahnhof Zürich werden im 2D Modell mit einer Pegel-Abfluss Beziehung als innere Randbedingung abgebildet, welche sowohl Freispiegel als auch Druckabfluss berücksichtigt. Für den Freispiegelabfluss wurde ein lokales hochaufgelöstes 2D Modell verwendet. Zudem wurde der An-satz für den Druckabfluss mittels hydraulischen 3D-CFD Simulationen und den Resultaten der Laborversuche an der VAW (ETH Zürich) für den Überlastfall va-lidiert. Für die Brücken, welche ab einem gewissen Abfluss zuschlagen, wurden ebenfalls Pegel-Abfluss Beziehungen definiert unter Einbezug des Freispiegel-abflusses, Druckabflusses und Überströmens der Brücke. Die Ergebnisse zei-gen, dass der Abbildung von hydraulischen Bauwerken mit inneren Randbedin-gungen eine wichtige Rolle zukommt. Im urbanen Raum spielen insbesondere Durchlässe, Tunnel und Brücken eine wichtige Rolle. Zudem kann mit dem Mo-dell die Wirkung des geplanten Hochwasser-entlastungsstollens aufgezeigt wer-den. Dieser spielt eine zentrale Rolle, um den Hochwasserschutz auf dem Schwemmkegel der Sihl in Zukunft zu gewährleisten. Abstract The Sihl River flows through the city of Zurich on its alluvial fan. Just before the confluence with the Limmat River, the Sihl passes under the main railway station 361of Zurich in five culverts. TK CONSULT AG has carried out numerical 2D simula-tions on flooding of the Sihl River on behalf of the Office for Waste, Water, Energy and Air of the Canton of Zurich (AWEL) and the Swiss Federal Railways (SBB). Various flood scenarios were tested to investigate the influence of deposition, backwater effects of the Limmat River, the effect of the flood relief tunnel and local protection measures at the main station until the flood relief tunnel is put into operation.  The culverts of the Sihl River at the main station are considered as inner bound-ary condition in the numerical 2D model using a level-discharge relationship for both free surface and pressure flow. The approach for the pressure flow was val-idated using 3D-CFD simulations and results of laboratory tests at VAW (ETH Zurich). In general, the representation of hydraulic structures using inner bound-ary conditions plays an important role in hydraulic 2D modelling. In particular, bridges and tunnels must be considered in urban areas. The simulation results show that the planned flood relief tunnel plays a key role for flood safety in the city of Zurich. 1 Einleitung 1.1 Ausgangslage Die Stadt Zürich liegt zu einem Teil auf dem natürlichen Schwemmkegel der Sihl. Der Schwemmkegel wurde über die Jahre praktisch vollständig überbaut. Bereits 1910 richtete ein Hochwasserereignis in der stark gewachsenen Stadt grosse Schäden an und hat weite Teile der Stadt bis nach Altstetten überflutet. Während dem Hochwasserereignis vom 21./22. August 2005 betrug der Spitzenabfluss rund 280 m3/s, was einer Wiederkehrperiode von weniger als 30 Jahren ent-spricht. Dennoch war die Sihl teilweise bordvoll und hat kleine Hochwasserschä-den verursacht. Die Sihl unterquert den Hauptbahnhof Zürich (HB Zürich) durch 5 Durchlässe. Das Schadenspotential wird allein in der Stadt Zürich auf rund 6.7 Mrd. Schweizer Franken geschätzt. Dabei sind volkswirtschaftliche Folgekos-ten wie z.B. Betriebsstörungen und Ausfall von Verkehrs- und Energieinfrastruk-tur nicht miteingerechnet.  Der Regierungsrat des Kantons Zürich hat im Jahre 2017 beschlossen einen Ent-lastungsstollen in Thalwil – von der Sihl in den Zürichsee – zu projektieren. Damit sollen zukünftig die Hochwasserspitzen von Extremereignissen in den Zürichsee umgeleitet werden. Die Baukosten betragen rund 170 Mio. Schweizer Franken und stehen somit in einem sehr guten Verhältnis zum Schadenspotential. Bei ei-nem planmässigen Verlauf könnte der Entlastungsstollen ab Ende 2025 zur Ver-fügung stehen.  3621.2 Auftrag und Ziele Die TK CONSULT AG hat im Auftrag des Amtes für Abfall, Wasser, Energie und Luft des Kantons Zürich (AWEL) und den Schweizerischen Bundesbahnen AG (SBB) numerische 2D Überflutungssimulationen auf dem Schwemmkegel der Sihl durchgeführt. Im Vergleich zur bestehenden Gefahrenkarte wurden aktuali-sierte Grundlagen verwendet, wie z. B. Hydrologie (Scherrer, 2013), Abfluss-ganglinien (Pöyry et al., 2014), topographische Vermessungen der Sihl beim HB Zürich (Meisser, 2018) und neue Erkenntnisse aus Laborversuchen zu den Sihl-durchlässen beim HB Zürich (VAW, 2015).  Anhand einer Sensitivitätsanalyse basierend auf dem Nettoprinzip soll das Pro-zessverständnis bei Hochwasser auf dem Schwemmkegel der Sihl verbessert werden. Beim Nettoprinzip steht die ausgeuferte Wassermenge dem Hauptge-rinne unterhalb der Ausuferungsstelle nicht mehr zur Verfügung. Im Rahmen der Sensitivitätsanalyse werden Szenarien für die Sihldurchlässe (Auflandungen, Verklausung, Rückstaueffekt Limmat), der Einfluss von Brücken, das Retentions-volumen des Zimmerbergtunnels, die Wirkung mobiler Schutzmassnahmen der SBB beim HB und nicht zuletzt die Wirkung des Entlastungsstollens untersucht. In einem nächsten Schritt werden basierend auf dem Bruttoprinzip die Grundla-gen für die Risikobeurteilung und die Revision der Gefahrenkartierung Hochwas-ser für die Gefahrenquelle Sihl in der Stadt Zürich geschaffen. Beim Bruttoprinzip steht die ausgeuferte Wassermenge dem Hauptgerinne unterhalb der Schwach-stelle wieder zur Verfügung. Im vorliegenden Beitrag wird jedoch ausschliesslich auf Simulationsergebnisse nach dem Nettoprinzip eingegangen. Damit kann die Sensitivität der Szenarien aufgezeigt und das Prozessverständnis entsprechend verbessert werden. Der Fokus liegt dabei vor allem auf dem Einfluss von inneren hydraulischen Randbedingungen wie z.B. die Sihldurchlässe und Brücken. 1.3 Software und Numerisches Modell Für die hydraulische 2D Modellierung wird die Software BASEMENT (2019) ver-wendet. Die 2D Flachwassergleichungen werden mit einer Finite-Volumen-Me-thode numerisch gelöst. Die Rauigkeit wird mit dem Potenzansatz nach Strickler abgebildet, wobei die Rauigkeitsbeiwerte anhand von Hochwasserspuren aus dem Jahre 2005 kalibriert wurden. 1.4 Sihldurchlässe Die Sihl unterquert den HB Zürich in fünf Durchlässen (je 12 m Breite) über eine Länge von 190 m. Die Hydraulik und die Kapazität der Sihldurchlässe wurde an der Versuchsanstalt für Wasserbau, Hydrologie und Glaziologie (VAW) der ETH Zürich in Laborversuchen untersucht (VAW, 2015). Für den Zustand 2014 wurde bei einem Abfluss der Sihl QSihl = 490 m3/s (Abfluss Limmat QLimmat = 190 m3/s) 363ein erstes Anschlagen des Wasserspiegels an der Decke im unteren Drittel der Sihldurchlässe beobachtet.  Im vorliegenden Projekt wurde für die Sihldurchlässe ein lokales hoch aufgelös-tes 2D Modell erstellt. Mit typischen Rauigkeitsbeiwerten nach Strickler (Sohle Durchlass kst = 35 m1/3/s, Sohle Sihl kst = 32 m1/3/s) konnte mit den entsprechen-den Abflüssen (QSihl = 490 m3/s, QLimmat = 190 m3/s) ein Anschlagen des Wasser-spiegels an der Durchlassdecke im unteren Drittel reproduziert werden. Der ent-sprechende Wasserspiegel beim Durchlasseingang wurde als Pegel definiert, ab welchem der Durchlass zuschlägt. Basierend darauf wurden mit dem lokalen Mo-dell verschiedene Szenarien für Auflandungen (20 cm, 40 cm, 60 cm), Verklau-sung (mittlerer Durchlass geschlossen) und Einfluss des Limmatabflusses unter-sucht. Je nach Szenario wird der Pegel für das Zuschlagen des Durchlasses für kleinere oder grössere Abflüsse erreicht. Daraus konnten verschiedene P-Q Be-ziehungen erstellt werden, welche sowohl den Freispiegelabfluss (lokales 2-D Modell) sowie den Druckabfluss (bei Zuschlagen des Durchlasses) mit der Bernoulli-Gleichung berücksichtigen. Für den Druckabfluss wurden lokale Ein- und Auslaufverluste, Reibungsverluste und die P-Q Beziehung am Ende des Durchlasses berücksichtigt. Basierend auf Anhaltspunkten aus den Überlastfall-versuchen der Laborversuche der VAW (VAW, 2015) und zusätzlichen hydrauli-schen 3D-CFD Simulationen konnten die P-Q Beziehungen für den Druckabfluss kalibriert werden.  Abb. 1: P-Q Beziehung Sihldurchlässe beim Hauptbahnhof Zürich mit (1) Freispiegelabfluss   und (2) Druckabfluss mit der Bernoulli-Gleichung 3641.5 Brücken An der Sihl wurden 14 Brücken identifiziert, bei welchen die Kapazitätsgrenze bis zum EHQ erreicht oder überschritten wird. Das Zuschlagen einer Brücke wird definiert, wenn der Wasserspiegel die Brückenunterkante erreicht. Für jede Brü-cke wird basierend auf dem Lichtraumprofil eine flächenäquivalente Ersatz-Tra-pezfläche bestimmt (Abb. 2). Daraus kann eine Brückenunterkante (UK) abgelei-tet werden. Bis zum Erreichen der UK des Wasserspiegels liegt Freispiegelab-fluss vor. Im vorliegenden Fall wurde die P-Q Beziehung für den Freispiegelab-fluss anhand einer treppenförmigen Abflussganglinie im 2D Modell bestimmt. Wenn der Wasserspiegel die UK erreicht, gilt ein Abfluss unter einem Schütz. Der Ausflussbeiwert für das Schütz (μA) wurde mit 0.3 berücksichtigt. Dieser Wert wurde konservativ gewählt, da es sich um breite Brücken handelt, welche nicht als scharfkantige Schützen betrachtet werden können. Beim Zuschlagen einer Brücke können sich instabile pulsartige Abflusszustände und turbulente Strö-mungsablösungen einstellen, welche zusätzliche Energieverluste verursachen. Steigt der Wasserspiegel weiter an und erreicht die Brückenoberkante (OK) wirkt zusätzlich ein Wehrabfluss. Es wird davon ausgegangen, dass die Geländer mit Feinmaterial verstopfen und nicht abflusswirksam sind. Für den Überfallbeiwert für das Wehr (μ) wird ein Wert von 0.5 angesetzt. Die Flusssohle wird als stabil angenommen. Abb. 2: Schematische Darstellung der P-Q Beziehung für Brücken mit Freispiegelabfluss bis zur Brückenunterkante (UK), Abfluss unter einem Schütz bis Brückenoberkante (OK) und ei-nem zusätzlichen Wehrabfluss für Wasserpegel > OK. Beim Schütz bezeichnet μA den Ausflussbeiwert, A die Fläche des Lichtraumprofils, g die Erdbeschleunigung und h0 die Wassertiefe vor der Brücke. Für den Wehrüberfall bezeichnet μ den Überfallbeiwert, B die Breite der Brücke und h die Überstauhöhe vor der Brücke. 3651.6 Tunnel und Unterführungen Die Hauptproblematik bei Tunnel und Unterführungen (TU) liegt darin, dass bei einer hydraulischen 2D Modellierung am selben Ort nicht gleichzeitig ein unterir-discher und ein oberirdischer Abfluss (z.B. über die Strasse) abgebildet werden können. Für die Berücksichtigung von TUs können drei Modellkonzepte unter-schieden werden: (i) Direkte Verlinkung des Ein- und Auslaufs über Innere Rand-bedingungen im Hauptgitter (z.B. P-Q Beziehung mit Normalabfluss), falls das aufzunehmende Wasservolumen im TU vernachlässigbar ist, (ii) Verlinkung über ein zusätzliches Berechnungsgitter an das Hauptberechnungsgitter über innere Randbedingungen (z.B. P-Q Beziehung), (iii) Direktes Einbauen in das Hauptgit-ter, falls kein zusätzlicher oberirdischer Abfluss stattfindet und die Berücksichti-gung des Retentionsvolumens wichtig ist (z.B. Zimmerbergtunnel).  2 Resultate Basierend auf dem Nettoprinzip konnten wichtige Erkenntnisse zum Systemver-halten gewonnen werden (vgl. Abb. 3). Die Berücksichtigung der Brücken führt dazu, dass Altstetten bereits ab einem HQ300 (540 m3/s) anstatt einem EHQ (750 m3/s) überflutet wird (Abb. 3, B). Der Zimmerbergtunnel mit einem Volumen von ca. 300'000 m3 wirkt als Retentionsspeicher und verhindert beim HQ100 (430 m3/s) eine Flutung von Altstetten (Abb. 3, C). Die Wirkung des Entlastungs-stollens zeigt, dass die Stadt Zürich bis zum HQ500 (600 m3/s) vollständig vor Hochwasser geschützt werden kann (Abb. 3, D). Eine Restgefährdung besteht mit dem Entlastungsstollen noch beim EHQ, wobei noch leichte Ausuferungen in der Brunau zu erwarten sind. Eine Verklausung des mittleren Sihldurchlasses beim HB führt zu Ausuferungen erst beim EHQ. Die Ausuferungen finden zuerst rechtseitig statt und führen zu einer Überflutung des Bahnhofplatzes. Die lokalen Schutzmassnahmen der SBB schützen die Gleisanlagen und Tiefbahnhöfe vor einer Überflutung bis zum EHQ. 3 Zusammenfassung Bei der hydraulischen 2D Modellierung in urbanen Gebieten spielen hydraulische Bauwerke (Brücken, Tunnel, Durchlässe etc.) eine wichtige Rolle. Im vorliegen-den Projekt hatte vor allem die Berücksichtigung von Brücken und Tunnel einen grossen Einfluss auf die Überflutungsflächen. Die Wirkung des Entlastungstol-lens konnte nachgewiesen werden, wobei die Stadt Zürich bis zu einem HQ500 vor Sihlhochwasser geschützt werden kann. In einem nächsten Schritt werden Simulationen nach dem Bruttoprinzip durchgeführt, um einerseits eine Grundlage für die Risikobeurteilung und anderseits eine Gefahrenkartierung Hochwasser für die Gefahrenquelle Sihl in der Stadt Zürich zu erstellen. 366 Abb. 3: Übersicht Modellperimeter und Angaben zu den Spitzenabflüssen der Hydrologie (A), Überflutungsflächen (grün/blau) zur Sensitivität der Brücken beim HQ300 (B), des Zim-merbergtunnels beim HQ100 (C) und des Entlastungsstollens beim HQ500 (D) 367Danksagung Wir danken dem Amt für Abfall, Wasser, Energie und Luft (AWEL) des Kantons Zürich und den Schweizerischen Bundesbahnen AG (SBB) für den interessanten Auftrag zur numerischen 2-D Modellierung der Sihl in der Stadt Zürich. Referenzen BASEMENT (2019). Basic Simulation Environment for Computation of Environmental Flow and Natural Hazard Simulation. Software Version 3.0pre. © ETH Zürich, VAW, 2019 Meisser (2018). Vermessung der Sihldurchlässe und der Sihl im Bereich des Hauptbahnhofs, Meisser Vermessungen AG Scherrer (2013). Hochwasser-Hydrologie der Sihl – Hochwasserabschätzung unterhalb des Sihlsees bis Zürich. Technischer Bericht 12/159, Scherrer AG VAW (2015). Sihldurchlässe Hauptbahnhof Zürich, Hydraulische Modellversuche. Technischer Bericht, VAW Nr. 4308, Versuchsanstalt für Wasserbau, Hydrologie und Glaziologie, ETH VAW (2019). Einlaufbauwerk Entlastungsstollen Thalwil, Hydraulische Modellversuche zur Trenncharakteristik, Technischer Bericht, VAW Nr. 4370-I, Versuchsanstalt für Wasserbau, Hydrologie und Glaziologie, ETH Pöyry, TK CONSULT, WSL (2014). Hochwasserschutz Sihl - Zürichsee - Limmat, Teilprojekt 1: Massnahmen Zürichsee – Limmat. Beilage 2: Hydrologie WSL. Pöyry Schweiz AG, TK CONSULT AG, Eidg. Forschungsinstitut für Wald, Schnee und Landschaft (WSL) 368Adressen der Autoren Dr. Lukas Vonwiller Michel Kuhlmann (korrespondierender Autor), Steffen Corbe TK CONSULT AG CH-8005 Zürich, Neugasse 136 Michel.Kuhlmann@tkconsult.ch Dr. Matthias Oplatka Amt für Abfall, Wasser, Energie und Luft (AWEL), Kanton Zürich, Abteilung Wasserbau CH-8090 Zürich, Walcheplatz 2 Dr. Marc Hauser Schweizerische Bundesbahn AG (SBB AG) Natur und Naturrisiken CH-3000 Bern 369

2D Simulation von Hochwasserszenarien an der Sihl in der Stadt Zürich

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