Teilprojekte

In einem detaillierten Stakeholder-Dialog mit Vertretern aus der Verwaltung werden Szenarien für eine zukünftige informationsgestützte Wasserbewirtschaftung Bayerns entwickelt. Diese Szenarien führen zur Entwicklung von Drehbüchern über eine mögliche Wasserzukunft Bayerns. Durch die Visualisierungskapazitäten des LRZ, z. B. virtuelle Realität, sollen wissenschaftliche Ergebnisse in zugänglicher Weise im sogenannten virtuellen Wasserraum Bayern auch öffentlich verfügbar gemacht werden.

Arbeitsgebiete

Die Arbeitsgruppe von Professor Mauser an der LMU München simuliert Landoberflächenprozesse inklusive der hydrologischen Parameter für den gesamten Raum Bayern in stündlicher Auflösung mit einem räumlichen Detailgrad von 10m bis 100m.

Ein Teilaspekt der hydrologischen Modellierung stellt die Simulation des Bewässerungsbedarfs auf landwirtschaftlichen Flächen dar. Durch den Vergleich von Modellergebnissen und aktuellen Sentinel-Beobachtungszeitreihen soll eine Identifikation der bewässerten landwirtschaftlichen Flächen in Bayern erfolgen.

Projektsteckbriefe

Im Rahmen des Projekts „Virtueller Wasserraum Bayern“ (VieWBay) wird das Teilprojekt 3 (TP3) hochaufgelöste Simulationen der hydrologischen Landoberflächenprozesse für den Zeitraum 10/2014-12/2020 und für im Verlauf des Projekts noch zu definierende Szenarien zur Verfügung stellen.

Forschungsgegenstand/Zielsetzung

Räumlich und zeitlich hochaufgelöste (1 h, 10-100 m) Simulation der hydrologischen Landoberflächenprozesse im Untersuchungsgebiet des hydrologischen Raumes Bayern (= Landesfläche inklusive der nach Bayern entwässernden Einzugsgebiete) mit dem Landoberflächenmodell PROMET.
Assimilation von hochaufgelösten Fernerkundungs-Zeitreihen vornehmlich der EU-COPERNICUS Satelliten in PROMET.
Integration von bisher nicht bestimmbaren Managementeinflüssen (z.B. Landnutzungsänderungen, Fruchtfolgen, Biomassezuwachs durch Düngung) in die PROMET-Simulationen.
Berechnung, Dokumentation und Bereitstellung der Simulationen für den Ist-Zustand und für Szenarien zur weiteren Nutzung in den anderen Teilprojekten.

Durchführung/Ergebnisse

Vorbereitung und Weiterentwicklung von PROMET:
Entwicklung und ggf. Modifikation der PROMET MPI-Parallelisierung für die Nutzung von PROMET in HPC-Systemen (SuperMUC). Erweiterung von PROMET um ein multi-resolution Modul zur ressourceneffizienten Modellierung landwirtschaftlicher und natürlicher Vegetation. Modifikation vorhandener Schnittstellen und Downscaling-Verfahren zur bestmöglichen Nutzung meteorologischer Antriebsdaten verschiedener Herkunft. Aufsetzen von PROMET in variabler Auflösung für den hydrologischen Raum Bayern unter Einbezug der bestmöglichen verfügbaren Geodaten.
Kontinuierliche, hochaufgelöste Simulation der hydrologischen Landoberflächenprozesse:
Kontinuierliche und räumlich explizite Simulation von über 300 verschiedenen Modellvariablen unter Integration geeigneter Fernerkundungsinformation für den gesamten Projektzeitraum. Validierung der Modellergebnisse mit Hilfe von Abflussdaten sowie über ausgewählte Pflanzenwachstumsparameter.
Simulation der Abflussbildung für ein breites Ensemble extremer hydrologischer Situationen:
Nutzung aller verfügbaren historischen Daten und Vorhersagen zur Simulation extremer hydrologischer Situationen (reale und konstruierte Niederschlagsperioden). Systematische Variation der Anfangsparameter (z.B. Schneespeicher, Bodenfeuchte) und meteorlogischer Parameter entsprechend den Fehlerbandbreiten der Messungen bzw. Vorhersagen.

Allgemeine Relevanz

Hochaufgelöste Simulation der Hydrologie Bayerns mit komplexen, physikalisch basierten Modellierungsansätzen und unter Einbezug der aktuellsten Fernerkundungsdaten mit dem Ziel eine verbesserte Datengrundlage für die Bayerische Umweltverwaltung in den Bereichen Hochwasserschutz und Niedrigwassermanagement bereitzustellen.
Bereitstellung der hydrologischen Simulationsergebnisse als Datengrundlage für TP5 (Bewässerung) und TP10 (Visualisierung/Stakeholderdialog) sowie TP1 (Prof. Rutschmann) zur hydraulischen Untersuchung und zur Visualisierung aktuellster wissenschaftlicher Ergebnisse für Entscheidungsträger sowie schlussendlich für eine breite Öffentlichkeit.
Nutzung von HPC-Ressourcen des Leibniz-Rechenzentrums (LRZ) für die Kopplung hydrologischer und hydraulischer Modelle, die einen neuen Detailgrad in der Umweltmodellierung und der Hochwasservorhersage erreichen.

Praxisbezogenheit/Anwendbarkeit/Umsetzbarkeit

Die zur Verfügung stehenden Fernerkundungsdatenströme haben durch das COPERNICUS-Programm eine neue Dimension erreicht. Flächenhafte Information steht nahezu unbegrenzt zur Verfügung. In dem Vorhaben sollen bereits vorhandene wissenschaftliche Instrumente aus den Bereichen Hydrologie (PROMET TP3), Management (PROMET TP5) und Hydraulik (TELEMAC TP1) miteinander auf neuartige Weise verknüpft werden, um diesen Datenstrom für die Bayerische Umweltverwaltung zugänglich zu machen und in praxisrelevante Datenprodukte zu übersetzen.

Perspektiven/Handlungsbedarf

Visualisierungskapazitäten des LRZ können wissenschaftliche Ergebnisse im sogenannten virtuellen Wasserraum Bayern den Entscheidungsträgern und Stakeholdern zugänglich machen. Dadurch wird ein engerer Einbezug der beteiligten Akteure auf allen Ebenen (Umweltverwaltung, Verbraucher) erreicht.
Integration von hochaufgelösten Monitoring- (EU Copernicus) und Modellierungskapazitäten (PROMET) als Grundlage für die Entwicklung nachhaltiger Strategien für Umwelt und Gesellschaft.

Ausführender/Auftraggeber

Auftraggeber: Bayerisches Staatsministerium für Umwelt und Verbraucherschutz; Bayerisches Landesamt für Umwelt.
Auftragnehmer: Ludwig-Maximilians-Universität München.
Ausführende Stelle: Dr. Wolfram Mauser, Lehrstuhl für Geographie und Geographische Fernerkundung, Department für Geographie, Ludwig-Maximilians-Universität München.
Projektpartner: Lehrstuhl für Hydraulik und Wasserbau, TU München. Leibniz-Rechenzentrum der Bayerischen Akademie der Wissenschaften.
Unterauftragnehmer: Die Firma VISTA GmbH stellt als Unterauftragnehmer dafür aus ESA-COPERNICUS-Fernerkundungsdaten abgeleitete Landoberflächenparameter zur Verfügung, die in das Modellsystem assimiliert werden.

Im Rahmen des Projektes „Virtueller Wasser Raum Bayern“ (VieWBay) wird das Teilprojekt 5 (TP5) eine Methode entwickeln, die bewässerte landwirtschaftliche Flächen in Bayern detektiert und die bewässerte Menge Wasser modellbasiert abschätzt. Forschungsgegenstand sind alle landwirtschaftlich genutzten Felder in Bayern. Die Analysen decken den Zeitraum der Jahre 2015-2018 ab.

Forschungsgegenstand/Zielsetzung

Der Witterungsverlauf des Sommers 2015 war im Freistaat Bayern durch außergewöhnlich hohe Temperaturen und ein geographisch stark variierendes Niederschlagsdefizit gekennzeichnet. Dies führte zum Teil zu beträchtlichem Bodenfeuchtedefizit und resultierendem Wasserstress vor allem der Spätkulturen (z.B. Mais, Kartoffeln, Rüben) in verschiedenen Regionen Bayerns. Durch den relativ feuchten und warmen Frühling waren die Frühkulturen (z.B. Winter- und Sommergetreide, Raps) weniger stark betroffen.

Es liegen bisher keine Daten darüber vor, in welchem Umfang die betroffene Landwirtschaft zur Abmilderung des verbreiteten Wasserstresses über das übliche Maß zusätzliche Bewässerung eingesetzt hat und welche Wassermengen dadurch dem lokalen Wasserkreislauf durch Verdunstung entnommen wurden.

Innerhalb des Teilprojekts 5 (TP5) des Forschungsprojekts „VieWBay“ wird eine Methodik zur hochaufgelösten schlaggenauen Bestimmung von Bewässerungsflächen in Bayern entwickelt. Hierzu werden Zeitreihen über den Wachstumsverlauf von Pflanzen aus Satellitendaten abgeleitet und mit Ergebnissen des Pflanzenwachstumsmodells PROMET verglichen.

Durchführung/Ergebnisse

Die flächendeckende Bestimmung von bewässerten landwirtschaftlichen Flächen im Freistaat Bayern ist mit vertretbarem Aufwand nur über die Auswertung der in Zeitreihen von Satellitenbildern enthaltenen Informationen möglich. Dies gilt vor allem, wenn dies, wie im Fall des Ausnahmejahres 2015, im Nachhinein geschehen soll. Zeitreihen von Satellitenbildern liegen inzwischen in hoher räumlicher Auflösung von 10-30 m vor. Sie enthalten Informationen über den Wachstumsverlauf der landwirtschaftlichen Vegetation für jeden Schlag – ausgehend von den InVeKoS-Landnutzungs-Daten. Da Bewässerung zum Ziel hat, den Einfluss von Wasserstress auf das Wachstum der Pflanzen zu reduzieren, sollte das durch Bewässerung veränderte Wachstum in den Zeitreihen der Satellitenbilder dokumentiert sein. Diese Information gilt es zu nutzen, um bewässerte Flächen von nicht-bewässerten Flächen zu unterscheiden und damit zu identifizieren.

Eine eingehende Recherche bisheriger Ansätze zur Bestimmung bewässerter Flächen mit Hilfe der Fernerkundung im Vorfeld der Erarbeitung des Angebots hat ergeben, dass diese rein fernerkundungsbasierten Verfahren sich ausschließlich auf aride Gebiete beschränken. In diesen Gebieten ist ein erfolgreicher Anbau landwirtschaftlicher Kulturpflanzen ohne regelmäßige Bewässerung nicht möglich. Damit ergeben sich dort einfache Verhältnisse, da alle landwirtschaftlich genutzten Schläge grundsätzlich bewässert werden müssen. Standardverfahren der Fernerkundungsdatenklassifikation reichen in diesen ariden Gebieten aus, um die Bewässerungsfläche aus Fernerkundungsdaten abzuleiten.

Für humide Regionen wie den Freistaat Bayern, in denen der natürliche Niederschlag üblicherweise für eine erfolgreiche Landwirtschaft ausreicht, liegen bisher keine Ansätze zur Bestimmung der bewässerten Kulturen und Flächen vor. Dies liegt an der Komplexität der Fragestellung. Sie ergibt sich daraus, dass Bewässerung hier zur Ertragssteigerung bzw. zur Qualitätssteigerung genutzt wird und aufgrund unterschiedlicher landwirtschaftlicher Standorteigenschaften der natürliche Niederschlag für eine breite Palette von Wachstumsverläufen auf kleinem Raum sorgen kann. Damit kann das bei der Beobachtung der Wachstumsverläufe verschiedener Schläge mit der Fernerkundung gemessene Signal nicht mehr, wie in Trockengebieten, eindeutig der Bewässerung zugeordnet werden.

Allgemeine Relevanz

Im Zuge des Klimawandels wird sich die Temperatur durchschnittlich erhöhen und Extremwetterereignisse wie Starkniederschläge und anhaltende Hitzewellen und Dürreperioden werden auch Bayern betreffen. Das Jahr 2018 kann hier als Ausblick in die zukünftigen Sommer dienen. Veränderungen im Niederschlagsregime und hohe Temperaturen werden in der Landwirtschaft ohne Bewässerung zu Ernteausfällen führen. Eine flächendeckende Bewässerung ist - vor allem im deutlich trockeneren nördlichen Teil von Bayern – nicht möglich und würde zu Nutzungskonflikten mit Schifffahrt, Wasserkraft oder Naturschutz führen. Eine genaue Abschätzung des Status quo der bewässerten Gebiete und die Quantifizierung des aus dem Wasserkreislauf entnommenen und in die Atmosphäre verdunsteten Wassers bietet eine Entscheidungsgrundlage für zukünftige Umweltverwaltungsmaßnahmen, wie z.B. Genehmigungen zur Bewässerungsentnahme, sowie zur Lösung potenzieller Nutzungskonflikte.

Praxisbezogenheit/Anwendbarkeit/Umsetzbarkeit

Zur Umsetzung des Projekts werden alle wolkenfreien Regionen in allen Satellitenbilder (Sentinel-2) und räumlich hochaufgelöste Inputdaten (Informationen über Feldgrenzen, Landnutzung, Boden, Meteorologie) für das Landoberflächenmodell PROMET benötigt. Aus ihnen werden agrarspezifisch die Wachstumsverläufe extrahiert. Gleichzeitig ist aufgrund der Kleinräumigkeit der betrachteten Gebiete und der Komplexität der betrachteten Prozesse enorme Rechenleistung erforderlich. Der allgemeine Anstieg in der Verfügbarkeit digitaler Umweltdaten und vor allem die Verfügbarkeit kontinuierlicher Fernerkundungsdatenströme aus dem COPERNICUS-Programm sowie die Verfügbarkeit von Hochleistungsrechensystemen am Wissenschaftsstandort München sind Voraussetzung für die Umsetzung des Vorhabens. Durch das Projekt werden auf eine Weise, die unabhängig von einer aufwändigen Erhebung von Feldkartierungen ist, Beobachtungslücken (Bewässerungsflächen) in flächenhaften Umweltdatensätzen geschlossen, die für ein nachhaltiges Umweltmanagement unabdingbar sind. Aus der kostenlosen und operationellen Verfügbarkeit der verwendeten Datenquellen und der zukünftig absehbaren Vergrößerung der Rechenleistung ergibt sich eine hohe Praxisrelevanz des Vorhabens.

Perspektiven/Handlungsbedarf

Der Klimawandel stellt die Gesellschaft vor neue Herausforderungen. Als landwirtschaftlich geprägtes Bundesland wird Bayern von den klimatischen Veränderungen besonders betroffen sein. Die Möglichkeit Bewässerungsmengen zu quantifizieren und über effizientere Bewässerungsmethoden Wasser einzusparen, birgt das Potenzial Nutzungskonflikte zu entschärfen und die Verteilung von Wasser besser zu moderieren.

Ausführender/Auftraggeber

Auftraggeber: Bayerisches Staatsministerium für Umwelt und Verbraucherschutz; Bayerisches Landesamt für Umwelt.
Auftragnehmer: Ludwig-Maximilians-Universität München.
Ausführende Stelle: Prof. Dr. Wolfram Mauser, Lehrstuhl für Geographie und Geographische Fernerkundung, Department für Geographie, Ludwig-Maximilians-Universität München.
Projektpartner: Lehrstuhl für Hydraulik und Wasserbau, TU München. Leibniz-Rechenzentrum der Bayerischen Akademie der Wissenschaften.

Von TP10 werden sowohl auf externer und auf interner Projektebene Stakeholder- bzw. Kommunikationsprozesse und Dialoggespräche mit der Steuerungsgruppe, den Referaten am LfU und den TP-Projektpartnern organisiert und durchgeführt.

Forschungsgegenstand/Zielsetzung

TP10 stellt die Schnittstelle zwischen Auftraggeber, Stakeholder, Steuerungsgruppe und Teilprojekten dar. Dabei sollen Synergien erkannt und genutzt sowie Ergebnisse integriert und visualisiert werden. Die Teilprojekte werden anhand von Szenarien, die in Absprache mit den Stakeholdern und Auftraggebern gebildet werden, bei der Umsetzung unterstützt. Die gemeinsame Definition der Szenarien dient der koordinierten Umsetzung, sodass innerhalb der WaZuBay einheitliche Storylines beibehalten werden, die in Workshops und Plattformen vermittelt und überwacht werden.

Durchführung/Ergebnisse

Die praktische Durchführung von TP10 erfolgt durch das Entwickeln von Szenarios, das Design geeigneter Visualisierungsformen und -inhalte der Ergebnisse und durch die Koordinierung der einzelnen TPs unter Berücksichtigung der Projektziele. Zur Definition der praxisrelevanten Anforderungen der WaZuBay, aus denen sich die Szenarios ergeben sollen, werden Stakeholder-Workshops zu verschiedenen Themenbereichen organisiert und durchgeführt.

Allgemeine Relevanz

Die einheitliche Darstellung und Visualisierung wissenschaftlicher Ergebnisse ist vor allem für wissenschaftliche Projekte, die verschiedene Fragestellungen aus verschiedenen Fachrichtungen bearbeiten, von hoher Relevanz. Die Entwicklung von Hochleistungsrechnern ermöglicht die Forschung an immer komplexer werdenden Umwelt-Fragestellungen. Diese nutzen und führen zu immer größer werdenden Datenmengen, was auch die Komplexität der Auswertung der Ergebnisse erhöht. Die Visualisierung in einer einheitlichen Story aller Teilprojekte soll sicherstellen, dass die praxisrelevanten Ergebnisse schnell und einfach für die Stakeholder und schlussendlich auch für die Öffentlichkeit verständlich und zugänglich werden.

Praxisbezogenheit/Anwendbarkeit/Umsetzbarkeit

Die Ergebnisse sollen zunächst der Wasserwirtschaftsverwaltung und der Umweltpolitik und schlussendlich einer beteiligten Öffentlichkeit zugänglich gemacht werden und in einer einfach und ansprechenden Art und Weise visualisiert werden. Durch die intuitive Zugänglichkeit der visualisierten Daten und die Hervorhebung der praxisrelevanten Inhalte durch ausgewählte Szenarien, entsteht eine enge Praxisbezogenheit. Zusammen mit dem LRZ werden hierfür die Ergebnisse z.B. von Abflussentwicklungen, Hochwasserereignissen und Pflanzenwachstum in einer virtuellen Umgebung sichtbar gemacht. Das LRZ verfügt bereits über Erfahrung in der Visualisierung von wissenschaftlichen Fachdaten mit Hilfe virtueller Realität sowie über Hochleistungsrechenressourcen, die eine komplexe Prozessierung umfangreicher räumlicher Ergebnisse erlauben. Durch die enge Vernetzung zwischen Steuerungsgruppe, Universität und LRZ wird die Umsetzbarkeit des Vorhabens garantiert.

Perspektiven/Handlungsbedarf

Durch die zunehmende Digitalisierung von Umweltdaten und die explosionsartige Entwicklung der Verfügbarkeit digitaler Erdbeobachtungsdaten entstehen derzeit neue Herausforderungen und Chancen im Bereich der Umweltverwaltung. Das Projekt VieWBay trägt dazu bei, die Möglichkeiten, die sich aus der neuen Datenverfügbarkeit ergeben, für eine nachhaltige Umweltverwaltung in Bayern zu identifizieren. Die daraus entstehenden wissenschaftlichen Ergebnisse, deren Aussage in praxisrelevanten Szenarien verdichtet wurde, können im sogenannten virtuellen Wasserraum Bayern öffentlich zugänglich gemacht werden. Dadurch wird ein engerer Einbezug der beteiligten Akteure auf allen Ebenen (Umweltverwaltung, Verbraucher) erreicht.

Ausführender/Auftraggeber

Auftraggeber: Bayerisches Staatsministerium für Umwelt und Verbraucherschutz; Bayerisches Landesamt für Umwelt.
Auftragnehmer: Ludwig-Maximilians-Universität München.
Ausführende Stelle: Prof. Dr. Wolfram Mauser, Lehrstuhl für Geographie und Geographische Fernerkundung, Department für Geographie, Ludwig-Maximilians-Universität München.
Projektpartner: Lehrstuhl für Hydraulik und Wasserbau, TU München. Leibniz-Rechenzentrum der Bayerischen Akademie der Wissenschaften.

Die Ergebnisse der hydrologischen Modellierung an der LMU werden von der Arbeitsgruppe Professor Rutschmann an der TU München dazu benutzt, um hydromorphologische Prozesse in den Fließgerinnen Bayerns hochpräzise zu berechnen. Durch die Kopplung mit dem hydrologischen Modell wird ein konsistenter und ganzheitlicher Modellansatz kreiert, ohne künstliche, unsichere Randbedingungen. Dadurch werden präzisere präzise Ergebnisse bei der Hochwassersimulation erwartet. Ferner werden die morphologischen Prozesse, die einen großen Anteil auf das Schadenspotential bei Überschwemmungen haben können, im Modell berücksichtigt.

Final werden mittels innovativer Visualisierungstools die Ergebnisse dargestellt, um den Entscheidungsträgern ein Werkzeug für zukünftige Entscheidungen bereitzustellen.

Projektsteckbrief

Hydromorphologische Gerinneprozesse (TP1)

Forschungsgegenstand/Zielsetzung

Flussgebietsweise Betrachtung der hydro-morphologischen Gerinneprozesse mit einem adaptiven Modellumgriff
Kopplung der hydrologischen Landoberflächenprozesse (TP3) mit den hydrodynamischen und morphologischen Gerinneprozessen
Konzeptionierung einer Modellierungsumgebung zur schnellen und einfachen Erstellung adaptiver Berechnungsmodelle
Berechnung, Dokumentation und Bereitstellung von Simulationen für vergangene Extremereignisse und möglicher Szenarien zu Schulungs- und Vorhersagezwecken.

Durchführung/Ergebnisse

Benchmarking der Softwares HYDRO_AS und TELEMAC:
Evaluierung der Modellierungssoftware hinsichtlich ihrer hydromorphologischer Modellqualität und Einsatzfähigkeit für überregionale Betrachtungen, mit der Entscheidung für TELEMAC
Vorbereitung und Weiterentwicklung von TELEMAC:
Anpassung und Optimierung von TELEMAC für effizienten Einsatz auf der HPC- Recheninfrastruktur am Leibniz Rechenzentrum. Erweiterung und Ergänzungen der morphologischen Funktionalitäten, die zur Modellierung der Szenarien notwendig werden, z.B. Sedimentdurchgängigkeit bei Wehren und die Entwicklung einer Schnittstelle zur Hydrologie.
Szenarien Kalibrierung
Hydrodynamische Modellkalibrierung für ausgewählte Hochwasserereignisse. Gekoppelte hydromorphologische Kalibrierung der Modelle mittels sohltopographischer Veränderung und gemessener Transportfrachten.
Simulation des Abflussgeschehens für ein breites Ensemble extremer hydrologischer Situationen unter Berücksichtigung morphologischer Prozesse:
Die adaptive Modellkonzeption erlaubt in Kombination mit TP3 die dynamische Simulation von Extremereignissen unter verschiedenen Sohllagen sowie veränderbaren Hochwassermanagementstrategien. Dieses integrative Konzept fördert das Prozessverständnis, bietet ein Prognosetool für das Hochwassermanagement und unterstützt durch Visualisierung z.B. den Stakeholderprozess bei der Planung von Hochwasserschutzmaßnahmen.

Allgemeine Relevanz

Innovative, schnittstellenübergreifende Methodik zur Simulation von extremen Abflussereignissen mit dynamischen Sohllagen und flächenhaften Seitenzuflüssen (TP3) unter Nutzung der Hochleistungsrechner des LRZ.
Prozesse im Fließgewässer und deren Auswirkungen werden durch den Einsatz von virtueller Realität sowohl für Entscheidungsträger als auch eine breite Öffentlichkeit erlebbar und somit auch begreifbarer.
Verbesserte Entscheidungsgrundlagen für einen nachhaltigen und robusten Hochwasserschutz. Verbesserung der Hochwassermodellierung und Gefahrenabschätzung durch Hinzuziehung von morphologischen Prozessen.

Praxisbezogenheit/Anwendbarkeit/Umsetzbarkeit

Zur Erstellung von hydromorphologischen Modellen sind eine Vielzahl von Eingangsdaten notwendig, die in unterschiedlichster Struktur und Güte in den Datenbanken der bayerischen Wasserwirtschaftsverwaltung abgelegt sind. Die Vision ist es, die Daten in einem virtuellen Raum zu bündeln, so dass das Erstellen von Berechnungsnetzen zukünftig teil-automatisiert vonstattengehen kann. In Kombination mit den hydrologischen Seitenzuflüssen und unter Nutzung eines Höchstleistungsrechners ließen sich so schnell überregionale Szenarien simulieren.

Perspektiven/Handlungsbedarf

Nachhaltiges Hochwassermanagement muss die Minimierung des Eingriffs und die Maximierung von Schutz und Nutzen in Einklang bringen. Stetig sich ändernde Randbedingungen, die auch durch den Klimawandel bedingt sind, erfordern Planungs- und Managementwerkzeuge, die diese Dynamik erfassen und deren Auswirkung darstellen können, um Grundlagen für sachbezogene und transparente Entscheidungs- und Planungsprozesse zu liefern oder um daraus Orientierungs- und Handlungswissen für operationelle Managementstrategien abzuleiten.

Ausführender/Auftraggeber

Auftraggeber: Bayerisches Staatsministerium für Umwelt und Verbraucherschutz; Bayerisches Landesamt für Umwelt.
Auftragnehmer: Technische Universität München.
Ausführende Stelle: Prof. Dr. Peter Rutschmann, Lehrstuhl für Wasserbau und Wasserwirtschaft, Ingenieurfakultät Bau Geo Umwelt , Technische Universität München.
Projektpartner: Lehrstuhl für Geographie und Geographische Fernerkundung, LMU (Prof. Mauser), Leibniz-Rechenzentrum der Bayerischen Akademie der Wissenschaften

Im Teilprojekt „HydroBits“ werden die existierenden IT-Strukturen der Wasserwirtschaft sowie der Projekte der Wasser-Zukunft Bayern vom Leibniz-Rechenzentrum in Garching sowie von der Arbeitsgruppe von Professor Bungartz an der TU München analysiert und der Aufbau einer modernen, robusten und zukunftsfähigen informationstechnischen Basis vorbereitet.

Projektsteckbrief

Basis-IT-Struktur (Hydro-BITS)

Forschungsgegenstand/Zielsetzung

Im Rahmen des Vorhabens Wasser Zukunft Bayern (WaZuBay) des Bayerischen Staatsministeriums für Umwelt und Verbraucherschutz (BayStMUV) werden mit diesem Projekt die bestehenden IT-Strukturen analysiert und die Voraussetzungen für deren Modernisierung geschaffen, welche aufgrund der technologischen Entwicklungen notwendig geworden sind. Ziel ist es, eine Bestandsaufnahme der Modelle und Daten zu erstellen, die am Landesamt für Umwelt (LfU) verwendet werden, und daraus Vorschläge für Anpassungen für eine moderne, robuste und zukunftsfähige IT-Basis für das bayerische Wassermanagement zu entwickeln. Basierend darauf werden Prototypen und Demonstratoren für eine moderne Wasserwirtschafts-IT entwickelt und geeignete Visualisierungen erstellt.

Durchführung/Ergebnisse

Aufbau einer zukunftsfähigen IT-Struktur für die Hochwasservorhersage:
Die existierenden operationellen Hochwassermodelle der bayerischen Wasserwirtschaft werden aus informationstechnologischer Sicht evaluiert und auf ihre Zukunftsfähigkeit hin untersucht. Darüber hinaus werden die aktuell genutzten Datenformate erfasst und Datenflüsse und -management analysiert. Daraus werden Vorschläge der Anpassung hin zu einer modernen, robusten und zukunftsfähigen IT-Basis entwickelt.
Code-Optimierung und Simulation:
Ziel ist die Optimierung der Performance der hydrologischen und hydraulischen Modelle auf drei Ebenen: Der Node-Level-Performance, Parallelisierung und Algorithmik. Damit werden räumlich und zeitlich hochaufgelöste Modellrechnungen der Partner ermöglicht.
Softwaretechnik und Visualisierung:
Es werden die notwendigen Infrastrukturen für eine nachhaltige Code-Entwicklung und die Visualisierung der Daten aufgebaut, und Datenanalyse- und Simulationsverfahren innerhalb einer gemeinsamen Arbeitsumgebung integriert.

Allgemeine Relevanz

Die Digitalisierung bringt eine Vielzahl an neuen Möglichkeiten für die Wasserwirtschaft. In Hydro-BITS werden Wege aufgezeigt, welche neue Technologien zur Verfügung stehen und wie diese in bestehende Umgebungen integriert werden können.

Ausführender/Auftraggeber

Auftraggeber: Bayerisches Staatsministerium für Umwelt und Verbraucherschutz; Bayerisches Landesamt für Umwelt.
Auftragnehmer: Technische Universität München, Leibniz-Rechenzentrum der Bayerischen Akademie der Wissenschaften.
Ausführende Stelle: Prof. Dr. Hans-Joachim Bungartz, Lehrstuhl für Wissenschaftliches Rechnen, Fakultät für Informatik, Technische Universität München; Prof. Dr. Dieter Kranzlmüller, Leibniz-Rechenzentrum der Bayerischen Akademie der Wissenschaften
Projektpartner: Lehrstuhl für Geographie und Geographische Fernerkundung, LMU (Prof. Mauser, Prof. Ludwig), Lehrstuhl für Hydraulik und Wasserbau, TU München (Prof. Rutschmann), Bayerisches Landesamt für Umwelt; Kooperationspartner: Lehrstuhl für Hydrologie und Flussgebietsmanagement, TU München (Prof. Disse)