RISIKOBEWERTUNG und KARTIERUNG

Informationen für Experten

In diesem Abschnitt werden die verschiedenen Elemente und Schritte erläutert, aus denen eine Risikoabschätzung für durch Starkregen verursachte Überflutungen aufgebaut sein könnte. Verschiedene methodische Ansätze für diese Schritte werden vorgestellt und deren Vor- und Nachteile sowie der Bedarf an Daten und Ressourcen beschrieben. Vertieftes Wissen und Erfahrungen aus der Umsetzung unterschiedlicher Methoden in verschiedenen Bereichen werden durch Erfahrungen aus RAINMAN sowie durch herunterladbare wissenschaftliche Berichte aus dem RAINMAN-Projekt vermittelt.

Lerne das Source-Pathway-Receptor-Consequence-Konzept kennen

Die Analyse des Starkregenrisikos besteht aus zwei Hauptanalyseschritten, die jeweils zwei Unteranalyseschritte umfassen:

Die GEFAHRENANALYSE zeigt, welche Art von Niederschlagsereignissen in Bezug auf Menge, Dauer und Intensität zu erwarten sind und wo Oberflächenwasser im Verlauf eines Starkregenereignisses fließen und sich ansammeln könnte. Diese beiden Aspekte werden in den Unteranalyseschritten Quellenanalyse (source analysis) und Pfadanalyse (pathway analysis) behandelt.

Die VULNERABILITÄTSANALYSE lokalisiert und quantifiziert Subjekte und Objekte, die dem Überflutungswasser ausgesetzt und dadurch einen Schaden erleiden könnten. Solche Subjekte und Objekte können Menschen, (Nutz)-Tiere, Gebäude, Straßen usw. sein. Ihre detaillierten Eigenschaften werden in der Rezeptoranalyse (receptor analysis) untersucht. In der Auswirkungsanalyse (consequences analysis) wird die Anfälligkeit für die negativen Auswirkungen der Gefahr eingeschätzt.

Gefahrenanalyse

Die Quellenanalyse gibt Antworten auf Fragen, die sich mit der Entstehung des Oberflächenabflusses in Abhängigkeit vom Niederschlagsereignis und den an der Oberfläche ablaufenden Prozessen, wie z.B. der Versickerung befassen. Aus diesem Grund unterscheiden wir die Teilschritte “Niederschlagsanalyse“ und “Analyse der Abflussbildung“. Sie geben Antworten auf die folgenden Fragen: Mit welcher Art von Niederschlagsereignissen muss ich in meiner Region in Bezug auf Menge, Dauer und Intensität rechnen und was sind typische jährliche Eintrittswahrscheinlichkeiten oder statistische Wiederkehrperioden, z.B. die Intensität eines Regenereignisses, das innerhalb einer Zeitspanne von 100 Jahren einmal zu erwarten ist? Wie und wo kommt es zur Entstehung von Oberflächenabfluss, z.B. differenziert nach Landbedeckung/Landnutzung sowie Bodeneigenschaften, die einen Einfluss auf die Versickerung des Regenwassers haben?

Die Pfadanalyse beschreibt die Prozesse der Oberflächenabflusskonzentration und der Abflusslenkung, d.h. die Strömungsdynamik des Wassers. Sie gibt Antworten auf Fragen wie: Welche Fließwege nimmt das Wasser? Welche Höhen erreicht das fließende oder aufgestaute Wasser? Wie ist die Verteilung der Fließgeschwindigkeiten?

KARTENERSTELLUNG​

und der Umgang mit Unsicherheiten

Vulnerabilitätsanalyse

Die Rezeptoranalyse identifiziert/kartiert und charakterisiert Subjekte und Objekte, die durch das Überflutungswasser beeinträchtigt oder geschädigt werden könnten. Typische Fragestellungen sind: Wo sind gefährdete Subjekte und Objekte? Wie viele befinden sich in dem betroffenen Areal, z.B. die Anzahl der Einwohner in einem bestimmten Gebiet, Häuser, Straßen, anfällige Infrastrukturelemente?

Die Auswirkungsanalyse beschreibt die Prozesse, die eine Beeinträchtigung und Schädigung der Rezeptoren verursachen, z.B. Ertrinken von Personen,  Feuchteschäden an Gebäudeteilen, Erosion von Straßenbelägen etc. Die folgenden Fragen geben einen Überblick über die zu behandelnden Themen: Was kann mit Subjekten und Objekten geschehen, die dem Hochwasser ausgesetzt sind? Welche Schadensprozesse sind zu erwarten? Welcher Zusammenhang besteht zwischen der Intensität der Überflutung in Bezug auf Wasserstand, Überflutungsdauer und Fließgeschwindigkeit und dem daraus resultierenden Schadenausmaß?

GEFAHRENANALYSE

Die Gefahrenanalyse zeigt, welche Niederschlagsereignisse in Bezug auf Menge, Dauer und Intensität zu erwarten sind und wo Oberflächenwasser im Verlauf eines Starkregenereignisses fließen und sich ansammeln könnte. Diese beiden Punkte werden durch die Unterelemente Quellenanalyse und Pfadanalyse behandelt. Diese werden durch Fragen beschrieben, die eine Vorstellung von den entsprechenden Antworten bzw. Ergebnissen vermitteln, die diese Untersuchungsschritte liefern können. Nachfolgend finden Sie Erläuterungen zum Inhalt der verschiedenen Teilschritte der Gefahrenanalyse.

QUELLENANALYSE

Die Quellenanalyse gibt Antworten auf Fragen, die sich mit der Entstehung des Oberflächenabflusses in Abhängigkeit vom Niederschlagsereignis und den an der Oberfläche ablaufenden Prozessen wie z.B. der Versickerung befassen.

Niederschlagsmessung am Punkt:

Der Niederschlag kann direkt über die Erfassung der gefallenen Wassermenge pro Flächeneinheit (z.B. mm bzw. Liter pro m²) gemessen werden. Für die Messung von Starkregenereignissen werden automatisch erfassende Geräte benötigt, die eine hohe zeitliche Auflösung haben. Das bedeutet, dass sie z.B. minütlich die Niederschlagsmenge erfassen. Solche Stationen werden typischerweise von den nationalen Wetterdiensten sowie von den lokalen Wasser-/Abwasserbehörden betrieben. Für die Analyse der Niederschlagscharakteristika hinsichtlich Intensität und Dauer ist es notwendig, eine Station in der Nähe (einige Kilometer) Ihres Gebietes zu nutzen, im besten Fall mit Niederschlagszeitreihen von einigen Jahrzehnten.

Analyse der Niederschlagsdaten:

Langfristige Zeitreihen von Niederschlagsmessungen an Punkten können für statistische Analysen verwendet werden, um Informationen über die Häufigkeit von Starkregenereignissen, deren Intensität und Dauer zu erhalten. Basierend auf diesen Analysen ist es möglich, Eintrittswahrscheinlichkeiten oder Wiederkehrperioden für definierte Ereignisse zu berechnen, z.B. die Intensität eines Niederschlags von 60 min Dauer, der einmal in 100 Jahren zu erwarten ist. Mit diesen Informationen ist es möglich, a) ein historisches Ereignis auszuwählen oder b) ein Bemessungsregenereignis zu konstruieren und diese Zeitreihe zur Durchführung einer Oberflächenabflussmodellierung im Rahmen der Pfadanalysen zu verwenden.

Niederschlagsmessung flächenhaft:

Ein Problem der punktbasierten Niederschlagsmessungen ist die oft geringe räumliche Dichte dieser Stationen und die fehlende Repräsentativität für weiter entfernt liegende Gebiete zwischen diesen Stationen. Eine sich abzeichnende Lösung für dieses Problem ist das Niederschlagsradar.  Der Niederschlag wird zwar nur indirekt gemessen, aber dafür flächenhaft und mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung (z.B. 1 km, 5 Minuten). Die flächenhaften Messungen können mit punktuellen Stationsmessungen kalibriert und in Volumen oder Intensität umgerechnet werden. Zeitreihen des resultierenden Niederschlagsrasters oder Karten sind bei den nationalen Wetterdiensten erhältlich, aber aufgrund der relativen Neuheit dieser Technologie typischerweise nur für einige Jahre in der Vergangenheit.

Analyse flächenhafter Niederschlagsdaten:

Radarbasierte flächenhafte Niederschlagsdaten werden in Rasterkarten gespeichert. Jede Rasterzelle kann statistisch analysiert werden, als ob sie ein Punkt wäre. Ein großer Vorteil der Niederschlagsstatistik aus Radardaten ist ihre hohe räumliche Auflösung, die auch von Punktstationen weiter entfernte Gebiete abdeckt. Darüber hinaus kann die Raum-Zeit-Dynamik eines Niederschlagsereignisses untersucht werden. Während eines Ereignisses ist es möglich, die Zugbahn eines Gewitters vorauszuberechnen und diese Information zur Frühwarnung zu nutzen. Die gespeicherten Daten der Vergangenheit können verwendet werden, um beobachtete Ereignisse zu modellieren und damit Oberflächenabflussmodelle mit hoher Sicherheit bezüglich des angenommenen Niederschlags als Eingangsgröße  zu betreiben. Solche Ereignisdaten können besonders nützlich sein für die Qualitätssicherung des Modells und für eine detaillierte Analyse des Geschehens in der Vergangenheit als Grundlage für zukünftige Vorsorge- und Schutzmaßnahmen.

Der Niederschlag passiert auf seinem Weg zum Boden und in den Boden verschiedene “Stationen“, die als Speicher oder als Verzögerungselemente wirken. Die Vegetation ist ein solches Element. Je höher die Bedeckung oder Dichte der Vegetation und der Blattfläche, desto höher die Speicher- und Verzögerungswirkung. Im Hinblick auf hochintensive Regenereignisse spielen diese Effekte aber nur eine geringe Rolle bei der Reduktion des Niederschlags. Ein weiterer Bereich, den die Regentropfen passieren, ist die Bodenoberfläche und der darunter liegende Bodenkörper. Es gibt einige allgemeine Regeln bezüglich der Versickerungsgeschwindigkeit oder der Wassermenge, die pro Zeiteinheit versickern kann sowie der Menge des Oberflächenabflusses, die erzeugt wird. Je gröber der Boden, je mehr Wurzeln und Bioporen und je stabiler Bodengefüge und Poren sind, desto höher ist die Geschwindigkeit, mit der das Wasser versickert. Feinkörnige, verdichtete und verkrustete Bodenoberflächen und Bodenkörper weisen geringe Infiltrationsraten auf und führen schnell zu Oberflächenabfluss. Je höher die Intensität eines Regenereignisses ist, desto geringer ist der Effekt der Versickerung in den Boden. Es gibt eine Reihe von Ansätzen zur Berechnung der Infiltrations- und Abflussbildung, die von einfachen empirischen/konzeptionellen Ansätzen (SCS-CN, Green und Ampt, Smith und Parlange) bis zu komplexen physikalisch basierten Ansätzen (Richards-Gleichung) reichen. Der Green & Ampt-Ansatz wird häufig in Modellierungswerkzeugen für die Simulation von Oberflächenabfluss implementiert, z.B. openLISEM, FullSWOF, etc.

  • Bei Simulation von intensiven Starkregenereignissen kann die Versickerung in der Regel ignoriert werden, was der Annahme eines bereits vollständig wassergesättigten oder stark verschlämmten Bodens nahe kommt (durch  vorhergehende Regenereignisse).

  • Bei Ereignissen geringer bis mittlerer Intensität und wenn boden- und vegetationsbezogene Landnutzungsmaßnahmen bewertet werden sollen, müssen Versickerungsprozesse in die Modelle integriert werden.

  • Neue Standorte für Niederschlagsstationen sollten für das beobachtete Gebiet repräsentativ sein.
  • Bei Messungen auf Basis von Stationsnetzen werden die sehr lokalen, räumlich begrenzten Starkregenereignisse oft unterrepräsentiert. Nutzen Sie zusätzlich Radar-Niederschlagsdaten, um Informationen über Ereignisse zu erhalten, die sich zwischen den Stationen ereignen.
  • Niederschlagsstatistiken basieren auf dem Niederschlagsgeschehen der Vergangenheit und berücksichtigen keine zukünftigen Veränderungen, z.B. aufgrund des Klimawandels.
  • Der Klimawandel könnte zu häufigeren und intensiveren Niederschlagsereignissen führen.
  • Simulationen mit verschiedenen Niederschlagsereignissen – z.B. einem häufigen, einem seltenen und einem Extremereignis – können die verschiedenen Ausprägungen der entstehenden Überflutungen veranschaulichen.
  • Beobachtete Ereignisse eignen sich gut für die Qualitätssicherung und Kalibrierung von Modellen sowie für die Kommunikation (z.B. um die Wirkung einer Maßnahme in Bezug auf ein Ereignis zu zeigen, das Menschen miterlebt haben und das greifbarer ist als ein „synthetischer“ Bemessungsregen).

PFADANALYSE

Die Pfadanalyse beschreibt die Prozesse der Oberflächenabflusskonzentration und der Abflusslenkung, d.h. die Strömungsdynamik des Wassers. Sie gibt Antworten auf Fragen wie: Welche Fließwege nimmt das Wasser? Welche Höhen erreicht das fließende oder aufgestaute Wasser? Wie ist die Verteilung der Fließgeschwindigkeiten?

Nachdem das Regenwasser die Oberfläche erreicht hat, entsteht in Abhängigkeit vom Prozess der Abflussbildung und dem Einfluss des Oberflächenmaterials Oberflächenabfluss. Das Wasser an der Oberfläche folgt der Neigung des Geländes und konzentriert sich in Gebieten, in denen Wasser aus verschiedenen Bereichen zusammenfließt. Der gesamte Bereich, der zu einem bestimmten Punkt hin entwässert, wird als dessen Einzugsgebiet bezeichnet. Je größer das Einzugsgebiet eines Punktes ist, desto höher ist die potenzielle Wassermenge, die diesen Punkt erreichen kann. Eine hohe Wassermenge führt in der Regel zu einer hohen Wassertiefe. Das Gefälle oder die Steilheit der Geländeoberfläche sowie die Rauheit der Oberfläche, z.B. glatte und „schnelle“ Teer- oder Betonstraße gegenüber rauen und „bremsenden“ dichten Sträuchern haben einen starken Einfluss auf die Fließgeschwindigkeit. Fließbahnen des konzentrierten Abflusses können sowohl bekannte Flüsse und Bäche sein als auch unbekannte oder kaum sichtbare längliche Vertiefungen (Tiefenlinien), die in der Vergangenheit nicht als Wasserwege in Erscheinung traten. Besonders in flachen Gebieten können sich lokale Senken (natürliche als auch künstliche wie etwa Unterführungen) auffüllen und vorübergehende „Teiche“ bilden.

Ansätze für eine Pfadanalyse können sowohl Fließwege/Abflussakkumulationsmethoden als auch die computergestützte Modellierungen des Wasserflusses auf der Grundlage physikalischer Prinzipien (hydrodynamische Simulationsmethoden) sein. Details zu den Potenzialen und Grenzen dieser Ansätze finden Sie weiter unten.

Computergestützte Modellierung der Wasserströmung. Bild: Axel Sauer, IöR, und GeoSN, dl-de/by-2-0

Lokale Vertiefungen haben sich mit Wasser gefüllt (Teichbildung). Bild: Gemeinde Leutersdorf (Spitzkunnersdorf)

  • Die Qualität der Ergebnisse einer computermodellbasierten Pfadanalyse (topographieabhängiges Strömungspotenzial sowie regengetriebene „realistische“ Strömungssimulation) hängt stark von der Qualität des verwendeten digitalen Höhenmodells ab.
  • Die räumliche Auflösung des digitalen Höhenmodells sollte zwischen 1 und 2 Metern liegen.
  • Digitale Höhenmodelle, die von den nationalen topographischen Vermessungsverwaltungen zur Verfügung gestellt werden, müssen korrigiert und mit zusätzlichen Informationen über Gräben, Durchlässe, Mauern und andere Strukturen, die einen Einfluss auf den Oberflächenabfluss haben, angereichert werden.
  • Die Korrektur des digitalen Höhenmodells sollte auf Vor-Ort-Begehungen basieren.
  • Die Korrekturen des digitalen Höhenmodells sollten genau und reproduzierbar dokumentiert werden, z.B. mit einer Tabelle der Standorte, der Art der durchgeführten Korrektur sowie Vorher-Nachher-Screenshots oder Datensatzversionen.
  • Um den Aufwand und die Zeit für die Korrekturen zu reduzieren, kann eine Screening-Simulation mit einem Oberflächenabflussmodell durchgeführt werden, um offensichtlich falsche Situationen, wie z.B. die Bildung von „Teichen“ aufgrund des Aufstauens von Wasser vor einer Mauer oder Böschung, die in Wirklichkeit einen Durchlass oder eine Unterführung hat, schnell zu erkennen.
  • Die Dokumentation der beobachteten Fließwege und Wasserstände in Karten ist sehr wertvoll um zu überprüfen, ob das Modell in der Lage ist ein beobachtetes Überflutungsereignis zu simulieren.
  • Bei häufigen bis seltenen Ereignissen kann eine Kopplung des Oberflächenabflussmodells mit dem Kanalisationssystem hilfreich sein, um Effekte wie Entwässerung von höher liegenden Gebieten und/oder Überflutung von tiefer liegenden Gebieten über die Kanalisation zu erkennen.
  • Bei Ereignissen hoher Intensität sind häufig die Kanalisationssysteme und kleine Durchlässe blockiert oder überlastet und können daher zur Verminderung des Arbeitsaufwandes in den Simulationen solcher Ereignisse vernachlässigt werden.

AUSWAHL EINER GEEIGNETEN METHODE

Es können drei grundsätzliche Arten von Methoden unterschieden werden:

Empirische (erfahrungsbasierte) Methoden, deren Grundlage Beobachtungen vergangener Ereignisse sind

Fließweg-/ Abflussakkumulationsmethoden auf der Grundlage einer Analyse der Geländeoberfläche (sowie statistische Methoden)

Hydrodynamische Simulationsmethoden auf der Grundlage der physikalischen Beschreibung der Wasserströmung 

Die Komplexität der Methode nimmt zu.

Die Auswahl einer geeigneten Methode für die Gefahrenabschätzung und Kartierung erfordert Expertenwissen. Dabei sind insbesondere die Ein- und Ausgabedaten sowie die verfügbaren Ressourcen und weiteren Potenziale der Kartierungstätigkeit zu berücksichtigen. Die Methode sollte für den räumlichen Maßstab, d.h. der Größe des Gebietes, für das die Gefahren und Risiken bewertet werden sollen, geeignet sein. Darüber hinaus sollte die Methode entsprechend dem Ziel der Gefahrenabschätzung gewählt werden.

Die folgende Tabelle gibt einen Überblick über die Eigenschaften der verschiedenen Methodentypen:

Empirische Methoden Fließweg-/ Abflussakkumulations-methoden Hydrodynamische Simulationsmethoden
DATEN UND OUTPUTS Niederschlag

Befasst sich die Methode explizit mit Niederschlag und welche Quellen von Niederschlagsdaten werden verwendet?

JA,

Radardaten, Stationsdaten (von meteorologischen oder hydrologischen Diensten, Gemeinden, privat)

JA,

ein fester Wert pro Zelle oder Zellbereich

JA,

Radardaten, Stationen, Bemessungsregenereignisse

Abflussentstehung

Befasst sich die Methode mit dem Prozess der Abflussentstehung und wie?

JA,

Datenquelle: beobachtet während des Ereignisses (z.B. Teichbildung, Abfluss)

NEIN JA,

100% Abfluss, Anfangsverluste, konstante Verluste, Infiltrationsmodelle

Wasserstände / Überflutungsbereiche

Liefert die Methode Informationen darüber, wo und wie tief Wasser fließen oder stehen könnte?

JA,

während des Ereignisses beobachtet; Wassermarken nach dem Ereignis (vor Ort oder durch Analyse von Luft-/Satellitenbildern)

INDIREKT,

durch Interpretation der Akkumulationswerte (je höher, desto mehr Wasser)

JA,

z.B. in 1 min Auflösung oder aggregiert (max. Wasserstände, max. Überflutungsflächen)

Strömungsgeschwindigkeit/Richtung

Liefert die Methode Informationen über die Geschwindigkeit des fließenden Wassers sowie über seine Fließrichtung?

JA,

während des Ereignisses beobachtet; von Wassermarken nach dem Ereignis (z.B. Orientierung von Gras, Schutt, Sedimente, Schäden)

INDIREKT,

durch Interpretation der Akkumulationswerte (höhere Werte bedeuten mehr Wasser; in Kombination mit steiler Topographie/Hanglage höhere Fließgeschwindigkeiten)

JA,

z.B. in 1 min Auflösung oder aggregiert (maximale Strömungsgeschwindigkeiten)

KOSTEN UND RESSOURCEN Aufwand

Welchen Aufwand muss ich für eine Analyse in Bezug auf Zeit (und Geld) betreiben?

NIEDRIG bis HOCH

je nach Erfassung/Gebiet und Intensität/Detaillierungsgrad der Dokumentation

NIEDRIG,

wenn ein digitales Geländemodell existiert

UNTERSCHIEDLICH,

in Abhängigkeit von den Eingabedaten (Niederschlag, Versickerung, modifiziertes Oberflächenmodell, Varianten, z.B. blockierte Durchlässe)

Wissen

Wie hoch sind die Voraussetzungen hinsichtlich der beruflichen Fähigkeiten und Kenntnisse, damit eine Person die Methode anwenden kann?

NIEDRIG,

kein spezifisches Wissen (Leitfaden/Beispiele im Werkzeug integriert) erforderlich

MITTEL,

Grundkenntnisse in Geoinformationssystemen (GIS) erforderlich

HOCH,

Erfahrung in hydrodynamischer Modellierung, GIS-Kenntnisse erforderlich

Kosten

Wie hoch sind die Kosten und welche Faktoren haben einen großen Einfluss auf die Endkosten einer Analyse?

UNTERSCHIEDLICH,

zu rechnen ist mit Kosten für Feldarbeit, Analyse und Visualisierung (Arbeitsstunden)

UNTERSCHIEDLICH,

zu rechnen ist mit Kosten für Daten, (kostenlose Software ist verfügbar), Arbeitsstunden für Datenvorverarbeitung, Berechnung und Visualisierung

UNTERSCHIEDLICH,

zu rechnen ist mit Kosten für Daten, Software, Arbeitsstunden für Datenvorverarbeitung, Berechnung und Visualisierung

NUTZUNGS-POTENTIAL Welche Anwendungsfälle sind möglich und welche weiteren Anwendungsmöglichkeiten haben die Methoden? Ereignis-Management, Bewusstseinsbildung, Schadensdokumentation Schnelle Ersteinschätzung Maßnahmen, Szenarien, "echte" Dynamik, dynamische Visualisierung

Lassen Sie sich von den RAINMAN-Erfahrungen leiten...

In RAINMAN wurde eine große Anzahl verschiedener Methoden in Gebieten unterschiedlicher Größe und unter verschiedenen räumlichen Bedingungen getestet. Werfen Sie einen Blick auf die Ergebnisse und gesammelten Erfahrungen: Wählen Sie Beispiele aus, die eine bestimmte Art von Methode verwenden und für einen bestimmten räumlichen Maßstab oder bestimmte Fragestellungen geeignet sind.

Methoden für Gebiete kleiner als 20 km²:

Methoden zur Gefahrenabschätzung auf großräumiger Ebene (viele Gemeinden, Bezirke, Regionen oder sogar ganze Länder/Staaten):

Methoden zur Identifikation von Senken, die sich mit Wasser füllen können, und von Stellen, die aufgrund ihrer topographischen Lage einem intensiven Oberflächenabfluss ausgesetzt sein könnten:

Methoden zur Darstellung von Strömungsgeschwindigkeiten und Strömungsrichtungen, die an einem Ort aufgrund eines bestimmten Niederschlagsereignisses auftreten:

VULNERABILITÄTSANALYSE

Verletzlichkeit (Vulnerabilität) ist eine komplexe und dynamische Eigenschaft eines Rezeptors, die dessen Anfälligkeit für die negativen Folgen einer Gefährdung beschreibt. Rezeptoren sind alle Subjekte und Objekte, die dem Hochwasser ausgesetzt sind und einen Schaden erleiden können, z.B. Menschen, (Nutz-)Tiere, Gebäude, Straßen usw. Die Vulnerabilitätsanalyse lokalisiert und quantifiziert diese Rezeptoren im Rahmen der Rezeptoranalyse und beschreibt detaillierte Eigenschaften der Rezeptoren und wie sie mit einer Schädigung reagieren.

REZEPTORANALYSE

Die Rezeptoranalyse identifiziert/kartiert und charakterisiert Subjekte und Objekte, die durch das Überflutungswasser beeinträchtigt oder geschädigt werden könnten.

Typische Fragestellungen sind: Wo sind gefährdete Subjekte und Objekte? Wie viele befinden sich in dem betroffenen Areal, z.B. die Anzahl der Einwohner in einem bestimmten Gebiet, Häuser, Straßen, anfällige Infrastrukturelemente?

Nach der EU-Hochwasserrichtlinie (z.B. Art. 6.5) soll nach nachteiligen Auswirkungen für potenziell betroffene Einwohner, für Wirtschaftstätigkeiten (gewerbliche/industrielle Gebäude und Anlagen) und für die  Umwelt unterschieden werden, die von “Anlagen gemäß Anhang I der Richtlinie 96/61/EG des Rates vom 24. September 1996 über die integrierte Vermeidung und Verminderung der Umweltverschmutzung ausgehen kann, wenn diese im Falle einer Überflutung unfallbedingte Verschmutzungen verursachen könnten und potenziell betroffene Schutzgebiete gemäß Anhang IV(1)(i), (iii) und (v) der Richtlinie 2000/60/EG” (Hochwasserrichtlinie Art. 6.5c).

AUSWIRKUNGSANALYSE

Die Auswirkungsanalyse beschreibt die Prozesse, die eine Beeinträchtigung und Schädigung der Rezeptoren verursachen, z.B. Ertrinken von Personen, Feuchteschäden an Gebäudeteilen, Erosion von Straßenbelägen etc.

Die folgenden Fragen geben einen Überblick über die zu behandelnden Themen: Was kann mit Subjekten und Objekten geschehen, die dem Hochwasser ausgesetzt sind? Welche Schadensprozesse sind zu erwarten? Welcher Zusammenhang besteht zwischen der Intensität der Überflutung in Bezug auf Wasserstand, Überflutungsdauer und Fließgeschwindigkeit und dem daraus resultierenden Schadenausmaß?

Folgen im Zusammenhang mit durch Starkregen verursachten Überflutungen sind z.B. die Möglichkeit des Ertrinkens von Menschen, Schäden an Gebäuden und Infrastruktur sowie Kosten für die Beseitigung von Ablagerungen aus Gebäuden und von Straßen. Im Allgemeinen lassen sich die Auswirkungen als negative Effekte zusammenfassen, die durch die Einwirkungen der Starkregengefahr auf bestimmte Rezeptoren verursacht werden.

KARTENERSTELLUNG

Die Visualisierung und die Erstellung von Karten ist eine wichtige Aufgabe, um die Ergebnisse der Gefahren- und Vulnerabilitätsanalyse zu kommunizieren und zu nutzen. Die folgenden Abschnitte zeigen Beispiele, welche Techniken zur Kartenerstellung eingesetzt werden können und welche Vor- und Nachteile diese haben.

Bild: Axel Sauer, IöR, und GeoSN, dl-de/by-2-0

  • Papierkarten sind statisch und müssen nach Änderungen, z.B. bei Legendenklassen, neuen Modellläufen oder aktualisierten Hintergrundkarten, neu layoutet und neu gedruckt werden.
  • Papierkarten sind hinsichtlich Umfang, Maßstab und Inhalt festgelegt.
  • Papierkarten sind unabhängig von einem elektronischen Anzeigegerät (und einer Internetverbindung).
  • Notizen auf Papierkarten sind leicht anzufertigen, aber schwierig zu entfernen oder zu speichern.
  • Papierkarten sind nur schwierig/teuer an viele Menschen zu verteilen.

Bild: Axel Sauer, IöR, und GeoSN, dl-de/by-2-0

  • Bildbasierte Karten sind statisch und müssen nach Änderungen, z.B. bezüglich Legendenklassen, neuen Modellläufen oder aktualisierten Hintergrundkarten, neu layoutet und in eine Datei exportiert werden.
  • Bildbasierte Karten sind in Bezug auf Umfang, Maßstab und Inhalt fest vorgegeben, bei einer hohen Auflösung der Ausgabedatei ist aber ein Verschieben und Zoomen des Karteninhalts am Anzeigegerät möglich.
  • Bildbasierte Karten benötigen ein elektronisches Anzeigegerät (und eine Internetverbindung, wenn die Daten nicht lokal gespeichert sind).
  • Bildbasierte Karten benötigen (leichtgewichtige/kleine) Software für die Anzeige.
  • Notizen auf bildbasierten Karten sind einfach anzubringen, wenn es sich bei der Datei um ein PDF handelt. Hier können die Kommentarfunktionen genutzt werden, die auch das Zeichnen ermöglichen. Die Kommentare können später in eine Textdatei exportiert und weiter verwendet werden, z.B. durch Import in eine Datenbank.
  • Bildbasierte Karten lassen sich leicht an viele Personen verteilen, z.B. per Download oder als E-Mail-Anhang.
  • Bildbasierte Karten erfordern nur geringe Kenntnisse über die Funktionen der Anzeige-Software.

Bild: Axel Sauer, IöR, und GeoSN, dl-de/by-2-0

  • Digitale interaktive Offline-Karten sind dynamisch und erlauben Veränderungen an den sichtbaren Ebenen, der Ausdehnung, dem Maßstab, der Legendenklassifizierung und den zugrundeliegende Kartendatenquellen (Vektor- und/oder Rasterdatendateien). Die eingebundenen Daten müssen für den Benutzer verfügbar sein.
  • Digitale interaktive Offline-Karten benötigen ein elektronisches Anzeigegerät (und eine Internetverbindung, wenn die eingebundenen Daten/Inhalte nicht lokal gespeichert sind, z.B. Inhalte, die über einen OGC-Webdienst wie WMS, WFS oder WCS bereitgestellt werden).
  • Digitale interaktive Offline-Karten benötigen (komplexe/große) Software zur Darstellung.
  • Das Erstellen von Notizen auf interaktiven Offline-Karten kann durch das Anlegen einer neuen räumlichen Ebene, das Setzen von Punkten mit der Maus und das Schreiben des Textes in einem Formular bzw. einer Tabelle, die die Attributwerte der Punktgeometrie speichert, erleichtert werden. Dies erfordert ein gewisses Training bzw. Kenntnisse im Bereich Geoinformationssysteme.
  • Digitale interaktive Offline-Karten erfordern erweiterte Kenntnisse über die Funktionen der (Geoinformations)-Software.

Bild: Axel Sauer, IöR, und GeoSN, dl-de/by-2-0

  • Digitale interaktive Online-Karten sind dynamisch und erlauben Veränderungen an den sichtbaren Ebenen, dem Umfang und dem Maßstab (soweit der Autor der Kartendienste dies erlaubt/definiert hat).
  • Digitale interaktive Online-Karten benötigen ein elektronisches Anzeigegerät und eine Internetverbindung).
  • Digitale interaktive Online-Karten benötigen (leichtgewichtige/kleine) Software zur Darstellung, aber komplexere und größere Software auf der Server-/Anbieterseite.
  • Notizen auf interaktiven Online-Karten sind schwierig und benötigen eine spezifische Implementierung auf der Serverseite, um eine solche Funktionalität zu bieten.
  • Wählen Sie einen Kartentyp (Papier, digital, online), der den Bedürfnissen Ihrer Benutzer am besten entspricht. Vor- und Nachteile finden Sie in den obigen Abschnitten.
  • Sie sollten Karten mit nutzergruppenspezifischen Wasserstands- oder Fließgeschwindigkeitsklassifizierungen bereitstellen.
  • Der Ansatz „eine Karte für alle“ ist vergleichbar mit dem Ansatz „eine Größe für alle“. Für einige passt er gut, für viele nicht.
  • Verwenden Sie einen eindeutigen Namen, um den Inhalt der Karte zu bezeichnen.
  • Verwenden Sie eine Versionsnummer, um Diskussionen über Diskrepanzen zu vermeiden, die im Laufe der Zeit durch Änderungen in den Datengrundlagen der Simulationsmodelle verursacht werden, z.B. Aktualisierungen/Verfeinerungen der Geländedaten.
  • Stellen Sie ein Begleitdokument zur Verfügung, das erklärt, wie der Karteninhalt erstellt wurde, z.B. welche Modell- und Eingabedaten verwendet wurden und mit einer Beschreibung, welche Interpretationen möglich sind und welche (Wissens-)Grenzen bestehen.
  • Beschreiben Sie bei Karten mit hydrodynamischen Modellierungsergebnissen klar den Eingangsregen in Bezug auf Intensität, Dauer und Wiederkehrperiode und ob sie sich auf einen Bemessungsregen oder ein beobachtetes Ereignis beziehen.
  • Die Farben für Wasserstände sollten Blautöne sein.
  • Verwenden Sie Transparenzen um zu vermeiden, dass die Hintergrundkarte durch die Kartenebene „Wasserstand“ verdeckt wird und dadurch die Orientierung erschwert.
  • Vermeiden Sie Fehler, die Zweifel an der Qualität des Karteninhalts aufkommen lassen, z.B. Wasserstände innerhalb von Gebäudeumrissen. Aufkommende Fragen wie “Warum gibt es Wasser auf den Dächern der Gebäude?” schaffen kein Vertrauen in Ihre Karten.

Umgang mit Unsicherheiten

Unsicherheiten während des Prozesses der Überflutungsgefahrenkartierung haben unterschiedliche Ursachen. Wir haben nur begrenzte Kenntnisse über die Niederschlagseigenschaften (zeitliche und räumliche Muster), insbesondere wenn sich das Klima von morgen ändert. Strömungsbeeinflussende Parameter wie die Oberflächenrauigkeit weisen eine hohe räumliche und zeitliche Variabilität auf (z.B. sich ändernde Kultur-/Vegetationsbedeckung auf Feldern). Wir verfügen oft nicht über die höchste räumliche Auflösung digitaler Höhendaten oder wir müssen zu einer gröberen Auflösung wechseln, um die Simulationszeiten im Bereich von Stunden bis Tagen statt Wochen zu halten. Im Folgenden stellen wir Beispiele für die Auswirkungen solcher Unsicherheiten auf die Simulationsergebnisse vor.

Die folgende Karte zeigt die mit dem hydrodynamischen 2D-Strömungsmodell HiPIMS simulierte Überschwemmung für ein Teilgebiet der Untersuchungsregion Spitzkunnersdorf (Deutschland, Sachsen) und die Lage der Punkte, an denen Zeitreihen von Wasserständen dargestellt wurden. Fünf verschiedene Niederschlagsvarianten können verglichen werden: Drei Bemessungsregenereignisse auf der Basis der Euler II-Methode mit Wiederkehrwahrscheinlichkeiten von einmal in 10 Jahren (HN10), einmal in 30 Jahren (HN30) und einmal in 100 Jahren (HN100) sowie ein sogenannter Blockregen (Block54) und die Radarniederschlagsmessung eines beobachteten Ereignisses (Radar). Die Euler-Regenfälle und der Blockregen sind räumlich nicht differenziert und legen ein homogenes Regenfeld auf das Einzugsgebiet. Die Euler-Regenfälle werden im Gegensatz zum Blockregen kontinuierlicher Intensität zeitlich differenziert. Der Radarregen zeigt die räumliche und zeitliche Dynamik eines realen Niederschlagsereignisses.

Quelle: Axel Sauer, IöR, und GeoSN, dl-de/by-2-0

Aufgrund ihrer Künstlichkeit sind die Wasserstandskurven der Euler-Regenfälle hinsichtlich ihrer Form recht ähnlich. In den oberen Teilen des Einzugsgebietes ist die Abflussreaktion schnell mit Spitzenwasserständen nach 20 Minuten, in den unteren Teilen zwischen 30 und 40 Minuten. Der ansteigende Teil der Ganglinie ist für alle Regenfälle nahezu identisch mit einer zeitlichen Verschiebung des beobachteten Regens aufgrund einer unterschiedlichen Startzeit mit einer längeren Phase sehr geringer Intensität. In diesem Einzugsgebiet unterscheiden sich die Spitzenwasserstände nicht so sehr zwischen den verschiedenen Jährlichkeiten der Euler-Regen. Im Vergleich zu ihnen führt der Blockregen zu wesentlich niedrigeren Wasserständen, die während der Niederschlagsdauer nach Erreichen des Spitzenwertes auf einem konstanten Niveau bleiben. An der stromabwärts gelegenen Stelle mit einem tiefen und engen Flussbett liegen die resultierenden Wasserstände recht dicht beieinander.

Schlussfolgerungen:

  • Die Niederschlagsvariante hat einen großen Einfluss auf die Fließdynamik und den Wasserstand.
  • Hervorzuheben ist, dass natürliche Niederschlagsereignisse sehr dynamisch und vielfältig sind, sowohl was die Dauer, die Intensitätsverteilung über die Zeit als auch die Bewegungsrichtungen im Raum betrifft.
  • Um auf wahrscheinliche Niederschlagsereignisse vorbereitet zu sein ist es wichtig, eine Vielzahl von Niederschlagsereignissen hinsichtlich zeitlicher und räumlicher Muster zu simulieren und alternative Karten darzustellen.

In den folgenden Grafiken sehen Sie die Auswirkungen verschiedener Rauigkeitswerte auf die Wasserstände im zeitlichen Verlauf für ausgewählte Punkte basierend auf einem synthetischen Euler II-Niederschlag von einmal in 100 Jahren. Der Gauckler-Manning-Strickler (GMS)-Oberflächenrauigkeitswert wird für den gesamten Bereich zwischen Werten von 0,01 und 0,1 in 0,01-Schritten variiert. Der niedrigste Wert steht für eine sehr glatte Oberfläche wie z.B. feiner Beton und der höchste Wert für eine sehr raue Oberfläche wie z.B. ein Flussbett mit großen Felsblöcken oder dichtem Gebüsch. Der GMS-Wert beeinflusst die Fließgeschwindigkeiten und hat Auswirkungen auf die Wasserstände und deren räumliche und zeitliche Verteilung.

Quelle: Axel Sauer, IöR, und GeoSN, dl-de/by-2-0

Für diese Niederschlagsvariante und die gegebenen Einzugsgebietseigenschaften sind die Auswirkungen der verschiedenen GMS-Rauigkeitswerte auf die Dynamik der Wasserstände für die ausgewählten Punkte relativ gering. Die niedrigeren Rauigkeitswerte sind mit niedrigeren Wasserständen und einem etwas steileren Anstieg und einem früheren Maximalwasserstand aufgrund höherer Fließgeschwindigkeiten verbunden. Es muss berücksichtigt werden, dass die Fließgeschwindigkeiten als wichtiger Einwirkungsindikator wesentlich stärker schwanken können als die Wasserstände.

Schlussfolgerungen:

  • Der Aufwand für die Rauheitsparametrisierung kann kleiner gehalten werden, wenn die Wasserstände im Vordergrund stehen. Dennoch liefern Simulationen einer oberen und unteren GMS-Variante zusätzliche Informationen.
  • Je tiefer ein Punkt im Einzugsgebiet liegt, oder anders ausgedrückt, je größer sein Einzugsgebiet ist, desto ausgeprägter sind die Auswirkungen unterschiedlicher GMS-Werte, insbesondere auf die Zeit bis zum Maximalwasserstand.
  • Die Verwendung von globalen, räumlich nicht differenzierten GMS-Werten ist eine (zeitsparende) Vereinfachung. Räumlich differenzierte Rauheitswerte auf der Basis von Oberflächen-/Landnutzungstypen sind näher an der Realität, erfordern aber möglicherweise einen gewissen Mehraufwand.
  • Kommunizieren Sie Annahmen und mögliche Konsequenzen daraus transparent.
  • Verwenden Sie alternative Szenarien (Niederschlagsereignisse, Funktion/Blockierung von Durchlässen, Veränderungen der Geländeoberfläche), um Ergebnisbandbreiten aufzuzeigen.
  • Stellen Sie Ihre Ergebnisse in Skalen und Klassen dar, die zu den Modellierungsgenauigkeiten/Unsicherheiten passen.

Downloads

Methodische Studien und Berichte aus dem RAINMAN Projekt sind auf der Seite DOWNLOADS zu finden.