Starkregen und Sturzfluten
Modellieren. Analysieren. Handeln.
Aufgrund der Erderwärmung werden in Zukunft öfter Extremwetterereignisse auftreten. Gefahrenkarten für Starkregen sind die wichtigste Grundlage für bauliche Maßnahmen zur Reduzierung des Überflutungsrisikos, Vorsorgeplanungen und Krisenbewältigung. Zum Schutz vor den Folgen des Klimawandels und insbesondere zum Thema Starkregen und Sturzfluten nutzen wir unterschiedlichste Förderprogramme, Leitlinien und Handbücher.
Wir setzen alle zur Verfügung stehenden Informationsquellen ein, von der Schnellanalyse bis hin zur detaillierten Risikobewertung, um für Sie individuelle Lösungen zu schaffen – beginnend mit der Planung von Schutzmaßnahmen bis hin zur Implementierung von Managementtools.
Ziel ist es, Leib und Leben zu schützen und potenzielle Schäden künftiger Starkregen- und Sturzflutenereignisse möglichst zu verhindern oder zu minimieren. Wir stehen Ihnen im gesamten Prozess beratend zur Seite.
Unsere DWA-Fachplaner für Starkregenvorsorge und Ingenieure für Siedlungswasserwirtschaft sind gerne für Sie da:
starkregen@hpc.ag
Bevorstehendes Webinar
Fließweganalyse und Standortrisikobewertung
Zur Erstbewertung der Gefährdung von Standorten durch Sturzfluten werden geeignete Softwaretools verwendet. Dank einer hochauflösenden und flächendeckenden topographischen Information kann eine Gefährdungsabschätzung beispielsweise innerhalb einer Due Diligence Studie kosteneffizient durchgeführt werden.
Die von der HPC AG eingesetzten Programme ermöglichen eine Variation der Niederschlagsmenge und visualisieren gleichzeitig die Risikoflächen am Standort sowie in der Umgebung. Eine Fließweganalyse und Bewertung des Einzugsgebietes rundet die Starkregenrisikobewertung ab.
Bei vorhandenem Starkregenrisiko kann im nächsten Schritt über eine detaillierte Modellierung entschieden werden. Zudem können vorab bereits die Effekte von Kompensationsmaßnahmen, wie etwa von Regenwasserrückhaltebecken, in der Umgebung des Standorts bewertet werden.
Aufbau von 2D-Strömungsmodellen anhand digitaler Geländemodelle
Digitale Geländemodelle – die Basis
Digitale Geländemodelle (DGM) sind computerbasierte Abbildungen des Geländes. DGM bilden die Basis von Modellierungen und Berechnungen, z. B. für den Oberflächenabfluss. Die Zuverlässigkeit der Modellierungsergebnisse ist abhängig vom Detaillierungsgrad der DGM. Die Grundlage und das Design des Modells werden daher dem Ziel der Modellierung angepasst.
Die HPC AG wählt für jede Fragestellung die passenden Grundlagendaten aus und ergänzt im Bedarfsfall das bestehende Geländemodell durch Laserscan, Drohnenbefliegung oder klassische Vermessung.
Die Geländeoberflächen aus einem DGM (Digitalen Geländemodell) werden mit Bruchkanten (Gebäude, Bordsteine, Geländelinien) präzisiert.
Für realitätsnahe Berechnungen des Oberflächenabflusses sind hydrodynamische 2D-Oberflächenberechnungen erforderlich, in manchen Fällen ist auch eine gekoppelte Berechnung sinnvoll, d.h. die hydrodynamische 2D-Oberflächenberechnung wird mit einer 1D-Berechnung in vorhandenen Verdolungen oder kommunalen Kanälen gekoppelt. Wasser kann dann im Modell in Kanäle ein-, aber auch wieder auf die Oberfläche austreten, ein Überstau im Kanal kann vorkommen oder es können sich Kanaldeckel unter Druck heben (vgl. nebenstehendes Video).
Oberflächenabfluss lässt sich aus Gebietsniederschlag, Regenradardaten und Oberflächenabflusswerten (OAK) generieren. Bodenspezifische Versickerungsverluste mindern den Niederschlag auf der Bodenoberfläche, aus dem Abfluss entsteht. Nutzungsspezifische Oberflächenrauheit bremst den Abfluss.
Kurz: Die realen Verhältnisse lassen sich im Fall von Starkregen- oder Hochwasserereignissen samt möglicher Wechselwirkungen mit den richtigen Tools in der erforderlichen Genauigkeit abbilden.
Videoanimationen und anschauliche 3D-Ansichten von Modell und Ereignisabläufen (siehe nebenstehendes Beispiel) unterstützen unsere Kunden und deren Mitarbeiter darin, sich eine Vorstellung von den zu erwartenden Risiken zu machen
Simulation und Starkregengefahrenkarte
Meldungen über Starkregenereignisse können wir nahezu täglich in den Zeitungen lesen. Die Vorwarnzeiten sind extrem kurz. Im Gegensatz zu Flusshochwasser ist der genaue Ort und Zeitpunkt eines Starkregenereignisses, das zu Sturzfluten in urbanen Bereichen führen kann, kaum vorherzusagen.
Es kann jede Region in Deutschland treffen und hohe materielle Schäden und insbesondere auch ernste Gefahren für Leib und Leben verursachen. Gegen das Risiko Extremwetter, zu dem Starkregenereignisse zählen, gibt es keinen Schutz. Aber jede Stadt, jede Gemeinde sowie jede Bürgerin und jeder Bürger kann Vorsorge treffen.
Kennen wir eine Gefahr, können wir uns dagegen wappnen. Hier hilft uns der Einsatz computergestützter Simulationsmodelle zur Visualisierung der potenziellen Regenwasserabflüsse. Im Computermodell können Starkregenzellen nachgebildet werden und deren Abflüsse auf der Erdoberfläche simuliert, d.h. nachvollzogen werden.
Grundlage solcher Simulationsmodelle ist das digitale Geländemodell mit Topographie, Flächennutzung, Oberflächenbeschaffenheit und weiteren Kenndaten. Mithilfe einer zweidimensionalen, hydrodynamisch-numerischen Oberflächenabflussmodellierung werden Abflusswege, die Ausdehnung von Überflutungen, die Geschwindigkeiten sowie die Überflutungstiefen berechnet. Das Ergebnis sind Starkregengefahrenkarten.
Die Starkregengefahrenkarte (SRGK) ist der erste Baustein im Rahmen eines kommunalen Starkregenrisikomanagement (SRRM). Starkregengefahrenkarten der HPC AG beantworten die Fragen:
- Wie sind die Fließwege des Wassers?
- Wie schnell fließt es?
- Welche Wassertiefen treten auf?
- Welche Gebäude und Bereiche sind von Überflutungen betroffen?
Was könnte passieren?
Kommt es wegen Starkregen zu Überschwemmungen, ist es wichtig zu wissen, wie hoch das Wasser steht. Bereits bei einer Überflutungstiefe von 10 cm kann das Wasser über Lichtschächte und undichte Kellerfenster in ein Gebäude eindringen. Der Aufenthalt in überfluteten Kellerräumen ist lebensgefährlich. Bei Überflutungstiefen von über 50 cm steigt der statische Druck so stark an, dass die Dichtungen, vor allem bei nach innen zu öffnenden Türen, versagen. Aus den Starkregengefahrenkarten können Wasserstände und Fließgeschwindigkeiten abgelesen werden. Beispielsweise lassen sich Türen bei einer Wassertiefe von 15-20 cm nach innen nicht mehr öffnen. Gefahr für Leib und Leben (Erwachsene) besteht bereits bei einer Fließgeschwindigkeit von 0,5 m/s (ca. 1,8 km/h).
Risikoanalyse
Risikomanagement minimiert die negativen Folgen
Die Integration von Gefahreninformation ist ein wesentlicher Teil von Risikomanagementprozessen. Die Starkregengefahrenkarte (SRGK) ist das Schlüsselelement zur Darstellung der Gefährdung und zur Identifikation von Risiken. Im Rahmen eines kommunalen Starkregenrisikomanagement (SRRM) werden im Austausch u.a. mit Feuerwehr und Bauhof neuralgische Stellen identifiziert.
Zur Ermittlung der Gefährdung werden die Überflutungstiefen und Fließgeschwindigkeiten am Objekt herangezogen. Es geht nun darum, die Überflutungsbereiche mit den Risikoobjekten zu verschneiden. Es erfolgt die Zusammenführung der Ergebnisse der Überflutungsgefährdung in Verbindung mit möglichen Schäden, bzw. der Vulnerabilität. Besonders risikobehaftete Bereiche und Objekte sind zu identifizieren: Wie hoch ist das mögliche Schadenspotenzial? Liegt ein Kindergarten im Überschwemmungsbereich?
Ein hohes Risiko liegt an solchen Stellen vor, wo eine hohe Überflutungsgefährdung vorliegt (z. B. Überflutungstiefe 55 cm) und gleichzeitig ein hochwertiges Objekt mit hohem Schadenspotenzial (z. B. Überflutung Maschinengrube) zu finden ist. Bevölkerungsgruppen mit erhöhtem Schutzbedürfnis und eingeschränkter Mobilität sind zu schützen. Besonders vulnerable Einrichtungen sind z. B. Kindergärten und Seniorenheime. Zudem müssen wichtige Infrastrukturen zum Krisenmanagement (Feuerwehr und Sanitätsdienste) im Ereignisfall einsatzfähig sein. Im Rahmen der Risikoanalyse werden die besonders kritischen Stellen ermittelt und dokumentiert. Damit wissen die Rettungskräfte, wo die Gefahr am größten ist.
Wie mit einem Vergrößerungsglas kann die objektbezogene Risikoanalyse auch auf Gebäude-Ebene erfolgen. Diese Detailanalyse untersucht die Gefährdung des Gebäudes (z. B. möglicher Wassereintritt, Betroffenheit von technischer Infrastruktur und Personen) und die Vulnerabilität der Risikoobjekte. Eine Risikoabschätzung und standortangepasste Empfehlungen zu Vorsorgemaßnahmen runden den Risiko-Steckbrief ab.
Gefahrenabwehr
Für die schützenswerten Bereiche und Gebäude werden Maßnahmen zum Schutz vor Starkregen erarbeitet. Im Prozess des kommunalen Starkregenrisikomanagement (SRRM) ist der dritte Baustein das Handlungskonzept, bzw. die Gefahrenabwehr. Gefahrenabwehr wird entweder erreicht durch organisatorische Vorsorgemaßnahmen oder durch bauliche Maßnahmen. Die Schaffung von Retentionsräumen, der Bau von technischen Schutzeinrichtungen sowie das schadlose Lenken und Leiten von oberflächlich abfließendem Wasser sind Beispiele für bauliche Schutzmaßnahmen. Das Ziel ist die Vermeidung, und wo dies nicht geht, zumindest die Minderung von Schäden infolge von Starkregenereignissen.
Standortangepasste Notfallpläne können im Falle von Überflutungen Menschenleben retten. Im Rahmen der baulichen Maßnahmen sind an geeigneten Stellen im Gelände z. B. Verwallungen, Geländemodellierungen oder Schutzmauern vorzusehen. Lässt sich das Wasser weder umleiten noch zwischenspeichern, greift der Objektschutz. Oftmals lassen sich schon durch einfache Eigenmaßnahmen größere Schäden vermeiden. Beispiele sind die Installation von Klappschotts und druckwasserdichter Fenster, die Sicherung von Lichtschächten und Kellerzugängen, sowie die Anpassung der technischen Gebäudeausrüstung.
Kanalnetzsimulation
Überall fällt in unserem Alltag Wasser an, das geordnet abgeleitet werden muss. Schmutzwasser, also das Abwasser von Haushalten, Gewerbe und Industrie, muss gereinigt werden, ehe es wiederverwendet werden kann oder abgeleitet wird. Sichtbarer ist hingegen das Niederschlagswasser, also alle Wässer, die von oben kommen und auf dem Boden auftreffen, neben Regen also auch Schnee oder Tau. Niederschlagswasser ist in der Regel sauber und muss vor der Ableitung nicht gereinigt werden. Eine Ausnahme bilden die Niederschlagswässer, die auf verschmutzten Flächen, wie z. B. Fahrbahnen niedergehen. Diese müssen vor der Ableitung gereinigt werden. Das ist eine ganze Menge Wasser, vor allem bei Starkregen. Das Wasser muss dann zurückgehalten werden, um das Kanalnetz nicht zu überlasten.
Kanalnetze bestehen aus einer Vielzahl von Elementen wie Schächten und Haltungen, Rückhalteeinrichtungen mit gedrosselter Abgabe, Pumpstationen und vielen weiteren. All diese Elemente beeinflussen die Wasserabgabe hinsichtlich der Zeit, aber auch der Menge. Schnell entsteht ein unübersichtliches System, bei welchem selbst Profis kaum die Kanalisationsauslastung ohne Weiteres abschätzen können.
Bevor das Wasser bis zum Hals steht: Übersicht verschaffen
Um das Zusammenspiel der einzelnen Elemente eines Kanalnetzes darzustellen und zu überprüfen, oder um das Kanalnetz dem Grundsatz nach zu bemessen, braucht es eine computergestützte Kanalnetzsimulation. Dabei werden alle Elemente eines Kanalnetzes vermessen, in ihrer hydraulischen Wirkung beschrieben und in einer Datenbank, dem Kanalkataster, aufgenommen. Die Strömung in den Kanälen kann anschließend mit einer Software simuliert werden. Die komplexeste Kanalisation wird in ihrem Management handhabbar.
Kanalnetzsimulation: Schächte sind als Kreise und Kanäle bzw. Haltungen als Linien dargestellt; rötliche Einfärbungen weisen auf eine Überlastung des jeweiligen Elements hin
Begehung und Schwachstellenanalyse
Um zu einer realistischen Risikoeinschätzung der möglichen Gefahren durch Starkregen und Sturzfluten zu kommen, sind ausführliche Standort- und Objektanalysen notwendig. Auf diese Weise lassen sich Schwachstellen und Risiken identifizieren. Eine Gefährdungsbeurteilung sollte nach jedem Überflutungsereignis mit Schäden als vorsorgende Maßnahme durchgeführt werden. Sie ist aber auch dann sinnvoll, wenn in den letzten Jahren keine Starkregenereignisse aufgetreten sind. Werden mögliche Risiken und Gefahren erkannt, können rechtzeitig geeignete Schutzmaßnahmen getroffen werden.
Eine erste Einschätzung der möglichen Gefahren durch Starkregen und Sturzfluten erfolgt durch die Begehung des Gemeindegebiets gemeinsam mit Vertreterinnen und Vertretern der zuständigen Stellen. Dabei stehen Fragestellungen bzgl. der Ausgangspunkte der letzten Überflutungen und der Lokalisierung der Überflutungsgebiete sowie der Örtlichkeiten, an denen große Schäden aufgetreten sind, im Mittelpunkt. Sofern in der jüngeren Vergangenheit kein Starkregenereignis stattgefunden hat, können z. B. historische Aufzeichnungen genutzt sowie Zeitzeuginnen und Zeitzeugen befragt werden.
Weiterhin können durch die Begehung topographische Gegebenheiten analysiert und gefährdete Bereiche identifiziert werden. Diese können sich z. B. durch ihre Lage an einem Gewässer oder am Geländetiefpunkt der Gemeinde auszeichnen.
Neben den topographischen Gegebenheiten lassen sich im Rahmen einer Begehung auch die Bebauungsstruktur, die Gebäudesituation sowie die Infrastrukturanlagen untersuchen, da diese für die Fließwege des Wassers und das Schadenspotential entscheidend sind.
Die Ergebnisse der Begehung dienen als Grundlage für die weiteren Schritte zur Erstellung einer vollständigen Gefährdungsbeurteilung.