保护高山莱茵河谷免受洪水

作者：Renata BarradasGutiérrez

莱茵河是欧洲的主要河流之一，来自格里斯森广州瑞士阿尔卑斯山的来源。高山莱茵河谷（Alpine Rhine Valley）沿着莱茵河（Rhine）从瑞士的来源延伸到90公里，并通过列支敦士登（Liechtenstein）到奥地利。山谷有毁灭性洪水事件的历史，可以追溯到11世纪。如今，大约30万人居住在莱茵河下部和许多公司，包括Leica Geosystems，在该地区蓬勃发展。由于莱茵河谷的强烈人口和重大经济活动，重大洪水事件的破坏潜力估计为100亿欧元。

为了保护人们，定居点和作为山谷中的经济活动，需要给高山莱茵河的洪水径流和保留水。因此，洪水保护项目“莱茵 - erholung und sicherheit”（“莱茵河 - 娱乐与安全”）或简短若美- 试图将高山莱茵河的流量从3,100立方米/s增加到至少4,300立方米/s，在国际延伸之间，在65公里的65公里处，在支流河Ill和km 91的交界处，阿尔卑斯rhine rhine rhine rhine rhine rhine将其排放到康斯坦斯湖中。该项目成本由奥地利和瑞士同样资助，目前估计为10亿欧元。

“为了达到要求的洪水保护水平，需要更改高山莱茵河的通道几何形状，以增强沿项目周边的防洪。在Rhesi项目中，选择了一种非常现代的方法：而不是增加河水的堤防，以考虑到4,300 m的排放量增加³/s, the required flow section will be created by increasing the river width from currently 60 – 70 m up to several hundred meters in the future. The river channel, which has at present a very technical shape due to diverse river restoration measures during the last 150 years, will by this means retrieve a near-natural state with conditions that mimic the state of the river system before human intervention,”瑞士联邦技术研究院（ETH）的液压，水文学和冰川学实验室（VAW）的环境工程师Florian Hinkelammert-Zens解释说。

为了评估预计措施的效果，并检查了恒河部项目的液压计算和假设，苏黎世Eth的VAW已代表国际莱茵河调节（IRR）机构进行了混合模型实验。这些研究由两个主要部分组成：1）在物理液压模型中进行实验和2）伴随的数值模拟。

“两个关键项目部分consecuti复制vely at a scale of 1:50 in extensive hydraulic models. For each section, a flow length of approximately 5 km is replicated (around 110 m in model scale) with watercourse widths ranging from 250 m to 350 m (around 8 m in model scale),”Hinkelammert-Zens说。“同时，创建了项目的数值计算机模型，以提供和评估液压模型的边界条件，以验证结果并进行灵敏度分析。”

结果，这两种液压模型是有史以来最大的高山河流模型之一，平均尺寸为110 x 9 m。两者都位于奥地利Dornbirn的一栋古老的工厂建筑中，苏黎世Eth设计了一个排放400 l/s的水路。该系统由一个高级水箱，入口和出口盆地，地下室中的水流线和一个深水箱组成，从中，水从中泵回高级水箱（最多400 L/s）。

3D terrain modelling for flood modelling

“During a flood event, a riverbed is subject to significant changes due to high water discharges and flow velocities. Hence, sediment can be deposited at several locations, leading to rising water levels, or can be eroded, e.g. around bridge piers or along the river banks. Both scenarios can be dangerous and have a negative effect on flood protection. To replicate these morphological changes, the hydraulic models are equipped with movable riverbeds.” says Hinkelammert-Zens.

为了观察不同的沉积物负荷和各种情况的影响，进行了大量具有不同参数（例如水排出和沉积物负荷）的科学实验。通过激光扫描仪，在每个实验之前和之后都测量模型地形。然后，获得的数据用于创建地形模型，以确定河床中沉积和侵蚀的区域的基础。

From data capture to actionable data

Right: 3D terrain model of a section of the Alpine Rhine (viewed in flow direction) /Left: Movable riverbed in the hydraulic model after the conclusion of an experiment

To capture the topographical data before and after each experiment, the research team of ETH Zurich relies on aLeica Scanstation P20，Leica Geosystems目标和Leica TS02总站为了地理参考，激光扫描15个参考点。扫描仪P20安装在移动三脚架上，并部署在四个扫描位置上以捕获整个型号。扫描高度约为2.7 m-如果观看角度太陡并避免死角，则最大程度地减少阴影效果 - 在与设备的径向距离为10 m的径向距离下，分辨率为3 x 3 mm，可以获得具有非常低噪声的高质量数据。

每个实验后，数据将导入到狮子旋风3D点云处理软件以注册数据并合并点云。此时，面积为4000 m²is represented with approximately 250 million points. The point cloud is then ‘trimmed’ using polygons to cut-off the data points outside of the model boundaries. The remaining data points are then transformed into grid cells with a cell size representing 50 cm x 50 cm in real life. Finally, the topographical data is converted into the Swiss National Coordinate System.

右：评估激光扫描后，液压模型中观察到的变化的可视化（红色：曲线外部侵蚀，蓝色：曲线内部的沉积物，在流动方向上观察）/左：激光扫描在实验大厅（以流向查看）

“ 3D点云用于创建大约1500万个网格单元的网格数据集，分辨率为0.5 x 0.5 m，每个分辨率为0.5 x 0.5 m，在实验过程中代表一个不同的时间点。然后，在地理信息系统中进一步处理该数据，以创建表面视图以及移动河床的纵向和横向轮廓。这使我们能够在实验的时间内比较不同的点，”explains Hinkelammert-Zens。

引用的网格数据集可以在GIS应用程序中用于各种评估，包括：

• 表面视图：在实验开始时进行的扫描的网格值是从实验结束时扣除的。这样，ETH团队creates a view where the relative differences in the height of the model riverbed are visible.

• 横向剖面：团队在某些位置创建交叉配置文件，从而提取网格值以创建侧向剖面。使用测试前后的扫描，专家可以可视化观察到的更改并将其与项目目标进行比较。

• Longitudinal profiles: The extracted cross profiles are averaged for the longitudinal profile. By comparing the averaged riverbed elevations before and after the experiments and by observing the changes in nature, the team of experts can validate the hydraulic model.

中级结果和未来步骤

苏黎世Eth的VAW的调查已经为进一步发展的Rhesi项目提供了重要的投入。首先，通过复制过去的洪水事件对模型进行了校准。在此过程中，将液压模型中获得的水位和河床地形与全面的事件中捕获的数据进行了比较。成功完成此步骤后，液压模型适应了Rhesi预测的河流的未来形状。从那时起，已经模拟了各种长期情景和高洪水事件，以研究Rhesi项目对河流形态和水位的影响。

As the investigations are still ongoing, only intermediate results can be cited. Up to today, the results show that the assumptions and projections of the Rhesi project were correct and are a solid basis for the elaboration of future project stages with greater detail. The hybrid model experiments will continue until summer 2022, exploring answers to the following technical questions:

• Where will gravel banks be positioned?
• 抑郁症将在哪里分解。发生冲突，它们的最大深度将是多少？
• 必须保护河岸的深度，以防止侵蚀和搜查？
• 如何保护桥梁免受侵蚀和冲洗的侵害？
• What is the amount of driftwood clocked at bridges during flood events? What will be the effect on the water levels?

这些科学实验的发现得到了Leica Geosystems的现实捕获技术的支持，是确保可持续的河流规划并确保Rhesi防亚博ag真人规律洪项目在技术上和经济上可行的基础。这种综合的洪水风险管理方法将大大降低洪水风险，并改善国际高山莱茵河的生态和娱乐价值。