HEFT

FORUM FÜR HYDROLOGIE UND WASSERBEWIRTSCHAFTUNG

15.06

BAND 3 . POSTER Risikomanagement extremer hydrologischer Ereignisse Beiträge zum Tag der Hydrologie 2006, 22./23. März 2006 an der Universität der Bundeswehr München Markus Disse, Karin Guckenberger, Sabine Pakosch, Alpaslan Yörük, Astrid Zimmermann (Herausgeber)

Veranstalter: ≈ Institut für Wasserwesen, Universität der Bundeswehr München ≈ Lehrstuhl für Physische Geographie, Katholische Universität Eichstätt-Ingolstadt ≈ Fachgemeinschaft Hydrologische Wissenschaften in der DWA, Aachen ≈ Hauptausschuss Hydrologie und Wasserbewirtschaftung der DWA, Hennef ≈ Landesverband Bayern der DWA, München

Der Tag der Hydrologie 2006 wurde unterstützt von:

Bayerisches Staatsministerium für Umwelt, Gesundheit und Verbraucherschutz

Markus Disse, Karin Guckenberger, Sabine Pakosch, Alpaslan Yörük, Astrid Zimmermann (Herausgeber): Risikomanagement extremer hydrologischer Ereignisse Beiträge zum Tag der Hydrologie 2006, 22./23. März 2006 an der Universität der Bundeswehr München Forum für Hydrologie und Wasserbewirtschaftung; Heft 15.06, Band 3 . Poster ISBN-10: 3-939057-31-2 ISBN-13: 978-3-939057-31-4

Fachgemeinschaft Hydrologische Wissenschaften – Hennef : DWA 2006 Forum für Hydrologie und Wasserbewirtschaftung Herausgeber: Fachgemeinschaft Hydrologische Wissenschaften in der DWA Geschäftsstelle Theodor-Heuss-Allee 17 D - 53773 Hennef Tel.: 02242/872 – 0, Fax: 02242/872 – 135 [email protected] www.FgHW.de HTU

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Univ.-Prof. Dr.-Ing. Heribert Nacken Fachgemeinschaft Hydrologische Wissenschaften in der DWA Univ.-Prof. Dr. Uwe Grünewald Hauptausschuss Hydrologie und Wasserbewirtschaftung der DWA

Vertrieb: DWA Deutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall e.V., Bundesgeschäftsstelle Theodor-Heuss-Allee 17 D – 53773 Hennef Tel.: 02242/872 – 333 Fax: 02242/872 – 100 [email protected] www.dwa.de HTU

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Druck und Binden: Universität der Bundeswehr München, Neubiberg Gilch GmbH, München Umschlaggestaltung: Dorit Steinberger, München

© FgHW – Forum für Hydrologie und Wasserbewirtschaftung, Hennef 2006 Alle Rechte, insbesondere die der Übersetzung in andere Sprachen, vorbehalten. Kein Teil dieser Publikation darf ohne schriftliche Genehmigung des Herausgebers in irgendeiner Form – durch Fotokopie, Mikrofilm oder irgendein anderes Verfahren – reproduziert oder in eine von Maschinen, insbesondere von Datenverarbeitungsmaschinen, verwendbare Sprache übertragen werden. Die wissenschaftliche Richtigkeit der Texte, Abbildungen und Tabellen unterliegt nicht der Verantwortung der Herausgeber.

1

Vorwort Der Tag der Hydrologie stand im Jahr 2006 unter dem Motto Risikomanagement extremer hydrologischer Ereignisse. Dieser Titel berührte eine hochaktuelle Thematik, was 46 Vorträge und 50 Poster sowie 457 Teilnehmer dokumentieren. Wasserwirtschaftsverwaltungen und Ingenieurbüros beklagen häufig, dass die Universitäten eine wünschenswerte Praxisnähe vermissen ließen und dass die Schere zwischen Wissenschaft und Praxis mehr und mehr auseinander klaffe. Dieser Gefahr ist beim Tag der Hydrologie in umfangreicher Weise entgegen getreten worden. Im Tagungsprogramm wurde eine ausgewogene Mischung zwischen Anwendung und Forschung umgesetzt. Erfreulicherweise konnten auch zahlreiche Referenten aus den wasserwirtschaftlichen Behörden gewonnen werden, so dass die Community der Hydrologen sowohl in praktischer als auch in wissenschaftlicher Hinsicht die großen Herausforderungen offen diskutieren konnten, die im Hochwassermanagement noch zu bewältigen sind. Diese wurden – analog zu den Themenblöcken des Förderprojektes RIMAX des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) – in vier Schwerpunkte gegliedert: -

Dokumentation und Analyse extremer hydrologischer Ereignisse

-

Risikokommunikation: Bildung und Stärkung des Bewusstseins über hydrologisch bedingte Gefahren

-

Frühwarnung, Vorhersage und operationelles Management extremer hydrologischer Ereignisse

-

Sicherheit technischer Schutzanlagen, risikobasierte Bemessung

So spannte der Tag der Hydrologie 2006 einen weiten Bogen über das gesamte Management hydrologisch bedingter Naturgefahren: von umfassender Gefahrendarstellung, der Definition von Schutzkriterien und intensiver Aufklärung über zuverlässige Vorhersagen bis hin zum technischen Hochwasserschutz. Der Leser möge anhand der vielen Beiträge aus Wissenschaft und Praxis erkennen, dass das Risikomanagement ein mächtiges Feld absteckt und viele Fragen noch unbeantwortet sind. Sowohl Politik als auch die Öffentlichkeit haben inzwischen erkannt, dass Begriffe wie Hochwasserfreilegung oder Gefahrenelimination eine Sicherheit suggerieren, die es nicht geben kann und geben wird. Staat und Bürger sind aufgefordert, (hydrologisch bedingte) Risiken zu erkennen, gemeinsam Schutzziele zu definieren, Schutzmaßnahmen auszuführen und mit dem Restrisiko verantwortungsbewusst umzugehen. Das Motto von der „Sicherheitskultur zur Risikokultur“ muss quer durch alle Verantwortungsbereiche verinnerlicht werden. Die Wasserwirtschaftsverwaltung hat hier große Aufgaben –

2

auch kommunikativer Art – zu bewältigen. Die Wissenschaft kann im gesamten Naturgefahrenkreislauf umfangreiche Unterstützung leisten. An dieser Stelle möchte ich den Sponsoren aufrichtig danken, weil nur durch ihre finanzielle Unterstützung die Teilnahmegebühren auf einem sehr niedrigen Niveau gehalten werden konnten. Zu guter Letzt bedanke ich mich sehr herzlich bei allen, die zum reibungslosen und erfolgreichen Ablauf des Tags der Hydrologie 2006 und der Herausgabe dieser Dokumentation beigetragen haben, insbesondere den Kolleginnen und Kollegen im wissenschaftlichen und organisatorischen Beirat, und ganz besonders allen Mitarbeitern vor Ort. Die vielen helfenden Hände an der Rezeption und im Hörsaal sowie bei der Bewirtung und im „stillen“ Hintergrund ermöglichten es mir, ausnahmslos in zufriedene und gutgelaunte Gesichter schauen zu dürfen.

Neubiberg, im Juli 2006

Prof. Dr.-Ing. Markus Disse

3

Inhaltsverzeichnis

Band 1 und Band 2 Vorträge, Band 3 Poster

Band 3

Poster

Themenblock

Dokumentation und Analyse extremer hydrologischer Ereignisse

Apel, H., Thieken, A., Merz, B.: Flood risk assessment and associated uncertainty for river reaches

15

Büttner, O., Böhme, M., Sonnabend, B., Gläßer, C., Rode, M.: Modellierung der zweidimensionalen Strömungsverhältnisse in urbanen Gebieten in der Region Bitterfeld

21

Cyffka, B., Haas, F.: Die Dynamisierung der Donauauen zwischen Neuburg und Ingolstadt (Projektträger: Freistaat Bayern, vertreten durch das Wasserwirtschaftsamt Ingolstadt) und das Aueninstitut Neuburg an der Donau (Träger: Landkreis Neuburg-Schrobenhausen)

27

Ettrich, N.: Detaillierte Höhenmodelle für urban-hydrologische Abflusssimulationen

31

Finke, W., Krause, S.: Erfahrungen bei der Anpassung theoretischer Wahrscheinlichkeitsverteilungen an empirische Verteilungen von Niedrigwasserkenngrößen

35

Fleischbein, K., Lindenschmidt, K.-E., Merz, B.: Evaluating different discretisation schemes for flood forecasting in the Mulde basin (Germany)

41

Frank, T., Hirschhäuser, T., Jensen, J.: Ein Bemessungsverfahren für tidebeeinflusste hydrologische Systeme

45

Grabbert, J.-H., Kreibich, H., Thieken, A., Merz, B.: Analyse der schadensbeeinflussenden Faktoren des Hochwassers 2002 und Ableitung eines mesoskaligen Abschätzungsmodells für Wohngebäudeschäden

51

Heckmann, T., Morche, D., Haas, F., Wichmann, V., Becht, M.: Auswirkungen eines extremen Niederschlagsereignisses auf ein alpines Gerinne und die angrenzenden Hänge

57

4

Herrmann, U., Suhr, U., Thieken, A., Vorogushyn, S., Lindenschmidt, K.-E.: Risikoanalyse für Extremhochwasser an der Elbe

61

Jaun, S., Walser, A., Zappa, M., Ahrens, B., Gurtz, J., Schär, C.: Ex-Post-Prognose des Augusthochwassers 2005 mittels probabilistischer Abflussvorhersage

67

Knab, G., Kühnapfel, B., Döring, S.: Extremes Hochwasser am Kaitzbach im August 2002 - Anwendung verschiedener Modellansätze zur Problemanalyse

73

Nemmert, J., Rutschmann, P.: Bestimmung der Jährlichkeit von Hochwasser auslösenden Faktoren

79

Neumann, J., Weber, H.: Das BMBF-Projekt "Skalenbezogene Analyse hydrologischer und meteorologischer Zeitreihen" Bestimmung von Trends, Charakterisierung von Fluktuationen, stochastische Modellierung und Extremwertstatistik

83

Pakosch, S., Disse, M.: ASGi (WaSiM-ETH): Systematischer Vergleich des Topmodels- und RichardsAnsatzes für die ungesättigte Bodenzone

89

Pech, I., Apel, H., Thieken, A., Lindenschmidt, K.-E., Merz, B.: Risikobewertung extremer Hochwasser an der Freiberger Mulde/Sachsen

93

Pöhler, H., Dunger, V., Matschullat, J.: Landnutzungsänderungen und Hochwasserschutz im Osterzgebirge: Sinn und Unsinn der staatlichen Maßnahmeprogramme

97

Rieger, W., Pakosch, S., Disse, M.: Untersuchung der Abhängigkeit der Schiefe von der Einzugsgebietsgröße und der Geologie für extreme Hochwasserabflüsse

103

Schlüter, I., Schädler, G., Kottmeier, C.: Rekonstruktion extremer Niederschläge und Abschätzung ihrer Variabilität mit Hilfe numerischer Modelle

109

Schwandt, D., Keller, M., Krahe, P., Wilke, K., Heininger, P.: Die Informationsplattform Undine als Hilfsmittel für die Einordnung, Bewertung und Dokumentation hydrologischer Extreme

113

5

Reimer, E., Sodoudi, S.: Extreme Hochwasserabflüsse und Kumul-Schadenspotenziale im Bodegebiet Teilprojekt 2: Downscaling kontinuirlicher Niederschläge

117

Sommer, T., Eulitz, K.: Gekoppelte Modellierung der Interaktion von Grundwasser mit Hochwasser und Kanal-Abfluss

123

Thürmer, K., Hack, H.-P., Pörtge, K.-H., Rost, K. T., Spanknebel, G., Deutsch, M., Holzhey, R.: Methodenentwicklung zur verbesserten Vorhersage von extremen Hochwasserscheitelabflüssen auf Basis historischer Daten

129

Vorogushyn, S., Apel, H., Lindenschmidt, K.-E., Merz, B.: Coupling 1D hydrodynamic, dike breach and inundation models for flood risk assessment along the Elbe River

133

Zimmer, J., Tetzlaff, G., Raabe, A.: Modellgestützte Verfahren zur Abschätzung von Maximalniederschlägen in Gebirgen

135

Zschammer, C., Hunger, F., Schwarz, O.: Organisation, Durchführung und Management der Hochwasserschadensaufnahme und -beseitigung nach dem Augusthochwasser 2002 im Bereich der Landestalsperrenverwaltung des Freistaates Sachsen (LTV), Betrieb Freiberger Mulde/ Zschopau (B FM/Z)

141

Themenblock

Risikokommunikation: Bildung und Stärkung des Bewusstseins über hydrologisch bedingte Gefahren

Assmann, A., Tinz, M.: Kopplung von Fernerkundungsinformationen mit Simulationsmodellen zur Unterstützung des Risikomanagements

147

Ehrler, K., Zehetmair, S., Hendel, E., Grünewald, U., Pohl, J., Wieczorrek, Y.: 7 Landkreise, 4 Bundesländer, 1 Fluss - Grenzüberschreitendes Handeln im Hochwasserrisikomanagement

151

Helms, M., Evdakov, O., Ihringer, J., Nestmann, F.: Entwicklung des Hochwasserrisikos an der Küste des Kaspischen Meeres

155

6

Macher, C., Binder, F., Lücke, F.: Beitrag der Forstwirtschaft zum vorbeugenden Hochwasserschutz an Gewässern 3. Ordnung - Eine Simulationsstudie an der Paar

159

Moder, M., Mojssetschuk, V.: Risikomanagement beim Frühjahrshochwasser 2005 an der Elbe im Regierungsbezirk Dresden

161

Seegert, J., Bernhofer, C., Schanze, J., Siemens, K.: Internationales Lehrmodul FLOODmaster – Integrated Flood Risk Management of Extreme Events –

165

Vogt, R.: Bewusstseinsbildung für Hochwassergefahren und den Hochwasserschutz in Köln

171

Weichel, T., Schulz, K., Haase, D.: Effektive Ansätze zur Beschreibung des Hochwasserrisikos urbaner Räume

177

Zimmermann, A., Willems, W.: Ausweisung von Überflutungsflächen und Ermittlung von SchadenspotenzialVerteilungen

181

Themenblock

Frühwarnung, Vorhersage und operationelles Management extremer hydrologischer Ereignisse

Fiener, P.: Management lokaler hydrologischer Extremereignisse durch angepasste landwirtschaftliche Nutzung

185

Hatzfeld, F., Friedeheim, K., Kubik, A., Einfalt, T., Seltmann, J., Wagner, A., Castro, D., Frerichs, S.: Vorhersage und Management von Sturzfluten in urbanen Gebieten (URBAS)

191

Krahe, P., Holzhauer, V., Tinz, M., Assmann, A., Bliefernicht, J., Daamen, K., Kunz, M., Meinel, G., Rademacher, S.: Hochwasservorhersage und Hochwasserrisikomanagement im bayerischen Donaugebiet – Erste Ergebnisse des EU-Projektes “PREVIEW”

197

7

Lechthaler, E., Dietrich, J., Voß, F., Schumann, A., Trepte, S.: Entwicklung eines Systems für das operationelle Hochwassermanagement unter Einbeziehung von Ensemblevorhersagen am Beispiel der Mulde

201

Lindenschmidt, K.-E., Fleischbein, K., Petrow, T., Vorogushyn, S., Merz, B.: Concept for provision management of extreme floods in large river basins using a computer modelling system

205

Prien, K.-J., Büttner, M.: Risikomanagement von Mehrzwecktalsperren in extremen Trockenperioden am Beispiel der Aabachtalsperre

209

Reimer, E., Pawlowsky-Reusing, E.: Analyse von Niederschlagsextremen zur Verbesserung der Steuerung der Abwasserförderung in Berlin

213

Sieber, A., Badde, U., Bremicker, M.: Entwicklung eines Hochwasserfrühwarnsystems für kleine Einzugsgebiete

217

Wachter, K., Ramos, M.-H., Thielen, J., Bartholmes, J., Ad de Roo: August Hochwasser 2005 Prognoseergebnisse des European Flood Alert Systems EFAS

223

Zappa, M., Werhahn, J., Zhi Hong, S., Baumgartner, M., Gurtz, J., Kunstmann, H., Schädler, B.: Vermittlung von Know-how zur Verbesserung der Hochwasservorhersage im Yangtze-Einzugsgebiet des Drei-Schluchten-Stausees (China)

227

Themenblock

Sicherheit technischer Schutzanlagen, risikobasierte Bemessung

Anhalt, M., Meon, G., Meyer, S.: Fortschritte bei der Anwendung von risikobasierten Verfahren zur Abschätzung der Hochwassersicherheiten wasserbaulicher Anlagen

231

Ebner von Eschenbach, A.-D., Haberlandt, U.: Stochastische Niederschläge für die deterministische Ermittlung von Hochwasserabflüssen

235

Haselsteiner, R., Strobl, T.: Rahmenbedingungen und Methoden der Deichertüchtigung in Bayern

241

8

Herrmann, U.; Lehmann, T.: Entwicklung einer selbst dichtenden Wassersperre für Fenster und Türen

245

Höfer, J., Ihringer, J.: Einflussfaktoren auf die Durchströmung und Standsicherheit von Deichen während Hochwassereinstau

253

Verzeichnis der Autoren

257

9

Inhaltsverzeichnis

Band 1 und Band 2 Vorträge, Band 3 Poster

Band 1

Vorträge

Themenblock

Dokumentation und Analyse extremer hydrologischer Ereignisse

Petrascheck, A.: Die Hochwasser vom August 2005 – Bewährungsprobe für den Schweizer Hochwasserschutz

15

Frank, C., Copien, C., Becht, M.: Naturgefahren im bayerischen Alpenraum – Analyse historischer Quellen zur Beurteilung des Gefahrenpotentials

25

Braun, L. N., Weber M.: Hochwässer in vergletscherten alpinen Einzugsgebieten

37

Dostal, P., Bürger, K., Imbery, F., Seidel, J.: Rekonstruktion und Analyse des Neckarhochwassers 1824 zur Integration in ein aktuelles Hochwasserrisikomanagement

49

Deutsch, M., Grünewald, U., Rost, K. T.: Historische Hochwassermarken – Ausgangssituation, Probleme und Möglichkeiten bei der heutigen Nutzung

59

Müller, G., Godina, R.: Das Extremhochwasser im August 2005 in Österreich – ein Indiz für einen Trend?

71

Haberlandt, U.: Räumliche Interpolation von Kurzzeitniederschlägen aus Bodenmessungen und Radar am Beispiel des Elbehochwassers 2002

83

Meißner, D., Hammer, M., Busch, N., Engel, H.,: Nachweis von Hochwasserrückhaltemaßnahmen zur Minderung extremer Rheinhochwasserstände gemäß Aktionsplan Hochwasser der Internationalen Kommission zum Schutz des Rheins

95

Jensen, J., Mudersbach, C.: Untersuchungen zu extremen Sturmflutereignissen an der Deutschen Nordseeküste

109

Pakosch, S., Bárdossy, A., Brommundt, J.: Analyse extremer Hochwasserabflüsse unter instationären Klimabedingungen

121

10

Lange, J., Hänsler, A., Hugenschmidt, C.: Hydrologische Prozessforschung bei Niedrigwasser in bewaldeten Einzugsgebieten – Einblick in die Funktionsweise bei extremen Dürreereignissen

Themenblock

133

Risikokommunikation: Bildung und Stärkung des Bewusstseins über hydrologisch bedingte Gefahren

Plate, E.J.: Hydrologische Aufgaben beim Management von Hochwasser

143

Garrelts, H., Lange, H.: Bildung und Stärkung des Bewusstseins über hydrologisch bedingte Gefahren in Zeiten gesellschaftlichen Wandels

159

Geisenhofer, P., Blasczyk-Höfling, H.: Kommunikations- und Katastrophenschutzkonzepte für 42000 Einwohner im Mangfalltal

171

Fischer, M., Schindler, M., Strobl, T.: Retention zur „rechten Zeit“

179

Kron, W.: Extremes Wetter - Von Rekorden zur Risikovorsorge

191

Müller, U.: Der sächsische Weg zur Verbesserung des Hochwasserschutzes – Ereignisanalyse, Hochwasserschutzkonzepte, Risikokommunikation, Prävention

205

Hauschild, A., Kamrath, P., Patzke, S., Schumann, A., Köngeter, J.: Entwicklung eines integrativen und interdisziplinären Planungssystems zum Hochwasserschutz am Beispiel des Flussgebiets der Unstrut

217

Wagner, K.: Gefahren- und Risikokarten – Informationstool oder Stein des Anstoßes!?

231

Pörtge, K.-H., Deutsch, M.: „Wir sollten daraus lernen!“ Vorschläge und Maßnahmen zur Risikominderung angesichts schwerer Hochwasser (1891 – 1929)

243

Verzeichnis der Autoren

255

11

Inhaltsverzeichnis

Band 1 und Band 2 Vorträge, Band 3 Poster

Band 2

Vorträge

Themenblock

Frühwarnung, Vorhersage und operationelles Management extremer hydrologischer Ereignisse

Blöschl, G., Reszler, C., Komma, J., Parajka, J.: Möglichkeiten und Grenzen der Frühwarnung und Vorhersage von extremen hydrologischen Ereignissen

15

Schulz, W., Badde, U., Bremicker, M.: Operationelle Vorhersage von Niedrigwasserabflüssen in Baden-Württemberg

25

Becker, M., Meyer, I.: Hochwasser August 2005 in Bayern aus hydrologischer Sicht

37

Bliefernicht, J., Bárdossy, A.: Probabilistische Vorhersage des täglichen Gebietsniederschlages unter Berücksichtigung extremer Ereignisse

49

Ackermann, D., Rogge, B., Gantert, C.: Frühwarnsystem vor Binnenhochwasser für die Freie und Hansestadt Hamburg

61

Ehret, U.; Schmid, M.: Hochwassermanagement am Forggensee – Analyse der Steuerung beim Augusthochwasser 2005 und Bewertung von Programmen zur Optimierung der Hochwasserbewirtschaftung

75

Bormann, H.: Verbesserung der Prognosequalität hydrologischer Modelle durch den Einsatz von Modell-Ensembles für die Simulation von Hochwasserereignissen

87

Büchele, B., Helms, M., Mikovec, R., Ihringer, J., Nestmann, F.: Hydrologische Modellierung für das operationelle Hochwassermanagement in großen Flussgebieten (Beispiel Elbe)

99

Kunstmann, H., Marx, A., Werhahn, J.; Bardossy, A.; Seltmann, J.: Hochwasservorhersage in alpinen Einzugsgebieten mittels Kombination von operationellen meteorologischen Modellen und Abflussmodellen

111

12

Kern, U.; Keller, T., Huber, P., Werner, H., Simmer, C., Meetschen, D., Buchholz, O., Sacher, H., Paul, R.-D.: Fernerkundungsgestütztes Hochwasservorhersage- und Informationssystem für das Erfteinzugsgebiet (HowisErft)

125

Casper, M., Herbst, M., Grundmann, J.: Untersuchungen zur Modellierung von Extremereignissen mit Niederschlags-AbflussModellen

137

Schmitz, G. H.; Liedl, R., Grundmann, J.: Abflussbildung im Spiegel der meteorologischen Vorhersageunsicherheit und ihre Konsequenzen für die Hochwasservorhersage

149

Overhoff, G.: Hochwasser August 2005 – Hochwassermanagement am Sylvensteinspeicher und der Mittleren Isar

157

Siedschlag, S., Keil, M.: Zeitnahe Messung und Übertragung hydrologischer Daten in Extremsituationen

169

Richmann, A., Jüpner, R.: Notwendigkeit einer anforderungsgerechten Datengrundlage für ein GIS- und CMSgestütztes operationelles kommunales Hochwassermanagementsystem

177

Zappa, M., Rhyner, J., Gerber, M., Egli, L., Stöckli, U., Hegg, C.: IFIKIS-HYDRO MountainFloodWatch – Eine endbenutzer-orientierte Plattform für Hochwasserwarnung

189

Yörük, A., Schankat, M., Disse, M.: Vergleich von verschieden komplexen hydrodynamisch-numerischen Modellen hinsichtlich ihrer Einsatzmöglichkeiten im Hochwassermanagement

201

Ostrowski, M., Fröhlich, F: Ansätze zur ökologisch orientierten Bewirtschaftung von Hochwasserschutzräumen in Talsperren

213

Einfalt, T., Chumchean, S., Mark, O., Suppataratarn, P.: Das Hochwasservorhersagesystem in Bangkok

225

13

Themenblock

Sicherheit technischer Schutzanlagen, risikobasierte Bemessung

Matz, S., Pätsch, M., Larsen, O.: Regionale Gefährdungsabschätzung an der Elbe durch hydraulisch/ hydrologische Analyse extremer Ereignisse

237

Thieken, A., Kreibich, H., Müller, M., Merz, B.: Schäden in Privathaushalten während des August-Hochwassers 2002: Analyse von Einflussfaktoren und Konsequenzen für die Modellbildung

245

Klein, B., Schumann, A.: Generierung von mehrgipfligen Bemessungsganglinien für die Hochwasserbemessung von Talsperren und Hochwasserrückhaltebecken

255

Höhne, U., Walther, P., Müller, U.: Ereignisanalyse Hochwasser 2002 in Sachsen – Lehren und Umsetzung

267

Merz, R., Blöschl, G., Hofer, M., Humer, G.: Hydrologische Regionalisierung im HORA-Projekt (HOchwasserRisikozonierung Austria)

279

Kleinhans, A., Weber, H.: Hochwasserschutzplanung und Klimawandel – Die Fallstudie „Fränkische Saale“ im Rahmen des EU-Vorhabens ESPACE

291

Grünewald, U.: Kann der Schlüssel zur wasserwirtschaftlichen Zukunft allein in der relativ kurz beobachteten Vergangenheit gesucht werden?

303

Verzeichnis der Autoren

315

14

15

Flood risk assessment and associated uncertainty for river reaches Heiko Apel, Annegret Thieken, Bruno Merz Abstract This study aims at the development of a modelling system for probabilistic flood risk assessments of a complete river reach. The basic concept is to map the complete chain of flood causing processes (hydrological load - routing in the river network - tributary input possible levee failures - inundation - resulting damage) with relatively simple but computational efficient models, with an emphasis on an approximation of a continuous test for levee failures along the reach. These models are embedded in a Monte-Carlo simulation framework consisting of two layers: The first layer quantifies the flood risk in terms of a flood risk curve for the complete reach, whereas the second layer aims at an uncertainty assessment of the risk estimation. This is achieved by calculating uncertainty distributions for specified return intervals, which are consequently used to construct uncertainty bounds associated to the risk curves. The system was applied to a reach of the Lower Rhine in Germany from Cologne to Rees at the Dutch-German border. Using two different sets of input data, the recorded annual maximum discharge series at Cologne for the years 19611995 and a maximum series extended to a period of 1000 years with synthetically generated discharges, it could be shown that a) the system is able to derive realistic flood frequency curves, representing the storage effects of flood plains, b) it is able to perform a risk assessment on spatially distributed asset values, and c) it gives an uncertainty estimate in addition to the risk assessment. The system can be used to estimate the uncertainty reduction when additional data are used. The main drawback of the system is, in spite of the computational efficient models, the large effort in data preparation and hydraulic simulation that has to be put in the pre-processing works. 1. Introduction Flood risk assessments are valuable tools for risk management plans, regional planning and insurance companies. However, risk assessments on a larger scale, e.g. a complete river reach, are scarce and are usually based on static inundation scenarios. These static scenarios assume a uniform return interval of discharges along the complete reach, which is an assumption far from reality for large river reaches. We therefore propose a probabilistic model system in order to derive risk assessments closer to real flooding conditions. In this model system the flood causing processes are mapped with simple, but process-oriented models, which are embedded in a Monte Carlo (MC) framework. The MC framework is organised in two layers, where the first layer assesses the actual risk in terms of aggregated risk curves for the river reach, and the second layer quantifies the uncertainties associated to the risk assessment. The uncertainty assessment is based on parameter uncertainties and is expressed in terms of confidence bounds to the risk curves.

16

2. Investigation area and input data The model system was developed and applied to the Lower Rhine between Cologne and Rees near the Dutch-German border. The basic data set is the annual maximum discharge series of the gauge Cologne for the period 1961-1995. This data set was extended using synthetic flood events published in (LAMMERSEN 2004) and used for the extension of the recorded series (DVWK 1999). 3. Methods The risk analysis is based on the following components representing the physical processes of flood events as well as the vulnerability of the affected area: Hydrological load of the Rhine and of the tributaries, flood routing, levee failure and outflow through levee breach and finally the damage estimation. A detailed description of the modules can be found in (APEL et al. 2004; APEL et al. 2006), except the newly developed levee failure module, which is described briefly in the following section. 3.1 Levee failure In order to consider levee failures along the complete reach, we derived potential model breach locations on the basis of similar inundation areas. The method consists of the following steps: 1. 2D-inundation simulations due to levee breaching were performed every flow kilometre on both sides of the river. The breach width was set to 100 m and the breach depth to the levee foot. A constant breach outflow was assumed approximating the outflow in case of river discharges at levee crest height. The breach outflow was calculated with a standard formula for broad crested weirs. 2. The inundated areas of the single breach events were compared and grouped according to the similarity of the inundation areas. Each of these groups represents a model breach location, where the model breach is located in the midpoint of the levee section of the group. By this procedure 41 model breach locations were identified on both sides of the river along the complete reach. During a single model run each breach location was tested for failure caused by overtopping in downstream order. 3.1.1 Results Figures 1 and 2 show the results of the modelling system in terms of derived flood frequency curves at the output gauge Rees (Figure 1) and risk curves for the complete reach (Figure 2). The risk curves exemplarily show insured risks based on an insurance portfolio provided by AON Re insurance broker, Hamburg. The derived flood frequency at Rees exhibits an asymptotic behaviour reflecting the mitigating effect of flood plain inundation on maximum discharges. This reasonable hydrological behaviour cannot be reproduced by extreme value statistics, as shown in Figure 1. The effect of the longer data series is best observed in the risk curves. Using the extended data series damages commence at return intervals > 400 a, whereas the results from the short series suggest a protection level of approx. 750 a, which is rather unrealistic.

17

Another important effect of the extended series is the reduced uncertainty in both derived flood frequency and risk assessment, as shown in Figure 3. This can be attributed to the better fit of the distribution function of the extreme value statistics to the extended data series. 18000 16000 14000

Q [m3/s]

12000 10000 synth. series, BR=random synth. series, BR=50m synth. series, BR=100m short series, BR=random short series, BR=50m short series, BR=100m GEV Rees 1961-95 Pearson3 Rees 1961-95 Plotting Positions Rees 1961-95

8000 6000 4000 2000 0 0 10

1

10

2

3

10 T [a]

10

4

10

Fig. 1: Model output: derived flood frequency curve at Rees for the recorded/synthetic 1000year AMS and the AMS 1061-1995 for different breach width scenarios BR; for comparison the fit of GEV and Pearson 3 distributions to the annual maximum discharge series at Rees for the years 1991-1995 is given.

800 700

insured damage [Mio. €]

600

synth. series, BR = random synth. series, BR = 50m synth. series, BR = 100m short series, BR = random short series, BR = 50m short series, BR = 100m

500 400 300 200 100 0 2 10

3

10 T [a]

4

10

Fig. 2: Risk curves for the Lower Rhine in terms of insured damages for the 1000-year recorded/synthetic AMS and the AMS 1961-1995 for different breach width scenarios BR.

18

3.1.2 Discussion The advantages and drawbacks of the model system are summarised as follows: 3.1.3 Advantages •

The risk assessment is based on statistical AND process-oriented simulation models.

•

Realistic, i.e. hydrologically reasonable flood frequency statistics are derived for locations within the river reach, taking into account the peak-reducing effect of levee breaching and floodplain inundation.

•

A cumulated risk assessment for the complete river reach based on realistic inundations scenarios could be performed.

•

A continuous testing for levee failures in the Monte Carlo framework along the complete reach could be achieved by derivation of model breach locations and associated inundation tables.

•

Uncertainty bounds are provided even for large return intervals.

3.1.4 Drawbacks •

Considerable amount of data is required, which is sometimes hard to obtain, esp. levee data.

•

Time consuming pre-processing works, e.g. 2D-hydraulic simulations.

•

Not all possible uncertainty sources could be considered in the calculations, because data required for the quantification of uncertainty sources are often lacking. Damage [Mio. €]

1000

1500 BR = random 95% c.i. c.i. data points

500

1000

2

3

10

10

BR = 50m 95% c.i. c.i. data points

Damage [Mio. €]

0 1 10 1500

500 0 1 10 1500 1000

2

3

10

10

BR = 100m 95% c.i. c.i. data points

Damage [Mio. €]

Damage [Mio. €]

Damage [Mio. €]

Damage [Mio. €]

1500

500 0 1 10

2

3

10

10 T [a]

1000

BR = random 95% c.i. c.i. data points

500 0 1 10 1500 1000

2

3

10

10

BR = 50m 95% c.i. c.i. data points

500 0 1 10 1500 1000

2

3

10

10

BR = 100m 95% c.i. c.i. data points

500 0 1 10

2

3

10

10 T [a]

Fig. 3: Uncertainty assessment for the risk curves for [a] the 1000-year recorded/synthetic AMS and [b] the AMS 1961-1995 for different breach width scenarios BR.

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Literature APEL, H., A. THIEKEN, B. MERZ & G. BLÖSCHL (2006). A Probabilistic Modelling System for Assessing Flood Risks. Natural Hazards 38(1 - 2): 79-100. APEL, H., A. THIEKEN, B. MERZ & G. BLÖSCHL (2004). Flood risk assessment and associated uncertainty. Natural Hazards and Earth System Science 4(2): 295-308. DVWK (1999). Statistische Analyse von Hochwasserabflüssen. Bonn, Kommissionsvertrieb Wirtschafts- und Verlagsgesellschaft Gas und Wasser mbH. LAMMERSEN, R. (2004). Grenzüberschreitende Auswirkungen von extremem Hochwasser am Niederrhein, Abschlussbericht. Düsseldorf, Ministerium für Umwelt und Naturschutz, Landwirtschaft und Verbraucherschutz des Landes Nordrhein-Westfalen (MURL).

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Modellierung der zweidimensionalen Strömungsverhältnisse in urbanen Gebieten in der Region Bitterfeld Olaf Büttner, Michael Böhme, Burkhard Sonnabend, Cornelia Gläßer, Michael Rode Zusammenfassung Im Bereich der vereinigten Mulde werden ca. 50 km² zwischen Muldestausee Unterpegel und Pegel Priorau mit einem zweidimensionalen hydraulischen Modell betrachtet. Das Gebiet wird in neun verschiedene Rechengebiete aufgeteilt, die unterschiedlich hoch aufgelöst modelliert werden. Erste Ergebnisse werden für das Gebiet vorgestellt, dass durch den Anstieg des Wassers im ehemaligen Tagebausee Goitzsche überflutet wurde. Als Randbedingungen wurden die Wasserstände des extremen Hochwassers vom August 2002 gewählt. 1. Einführung Im Rahmen der BMBF Fördermaßnahme „Risikomanagement extremer Hochwasserereignisse“ (RIMAX) wird das Verbundprojekt „Entwicklung eines Schadstoffausbreitungsmodells zur stoffbezogenen Risikoanalyse und -bewertung extremer Hochwasserereignisse am Beispiel des Landkreises und der Stadt Bitterfeld“ (www.ufz.de/BTF) gefördert. Darin sollen alle wichtigen Modellkomponenten – Hydraulik, Sedimenttransport, das vom Sedimenttransport abhängige Verhalten verschiedener Schadstoffe, eine Risikobewertung – enthalten und miteinander gekoppelt werden. Eine Grundlage des Schadstoffausbreitungsmodells bilden die Strömungsgeschwindigkeiten und Wasserspiegellagen in den definierten Untersuchungsgebieten. In diesem Beitrag soll das Konzept für die hydraulische Modellierung vorgestellt werden. 2. Material und Methoden Das Untersuchungsgebiet umfasst eine Fläche von rund 50 km² und erstreckt sich entlang der Mulde. Es reicht vom Unterpegel des Muldestausees (Muldekilometer 43.5) bis zum Pegel Priorau (Muldekilometer 24). Das Kerngebiet der Modellierung bilden die unterhalb des Muldestausees in den potentiellen Überflutungsgebieten der Mulde gelegenen Industriestandorte Bitterfeld und Wolfen sowie weitere Ortschaften innerhalb der Muldeaue. Das Untersuchungsgebiet wurde in verschieden hoch aufgelöste Modellgebiete zerlegt (Tabelle 1), die hydraulisch nicht unbedingt miteinander verbunden sein müssen. Randbedingungen und Detaillierungsgrad (Auflösung) des Modellgebietes werden durch die Szenarien bestimmt. Für jedes der Modellgebiete M1 bis M9 wird ein zunächst eigenständiges zweidimensionales Modell aufgebaut, kalibriert und validiert. Eine Kopplung der verschiedenen Modellgebiete kann später über die Randbedingungen erfolgen, so dass beispielsweise die Ergebnisse (Durchflüsse oder Wasserstände) von M4 als Inputgröße für das feiner aufgelöste M1 genutzt werden können.

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Tab. 1: Übersicht über die Aufteilung des Kernuntersuchungsgebietes (43 km²) Modellgebiet

Beschreibung

Überflutete Fläche Auflösung des Fläche Auin km² Rechengitters gust 2002

Stadtgebiet Bitterfeld östlich der Leine bis 1,7 zum Goitzschesee Stadtgebiet westlich der Leine, östlich der 2,9 Bahntrasse

M1 M2

90%

Hoch

10%

Mittel

M3

Ausschnitt aus Stadtgebiet Bitterfeld

100%

Hoch

M4

Muldeaue, begrenzt von B100(Südosten), Muldedeich(Nordwesten), Bahnlinie(im Nor- 4,0 den)

70%

Niedrig

M5

Muldeaue vom Muldestausee bis Pegel Pri25,4 orau

95%

Niedrig

M6

Chemiepark Bitterfeld östlich der Bahnlinie

1,9

nicht überMittel flutet

M7

Greppin, begrenzt von Bahnlinie und Mulde3,6 deich

nicht überMittel flutet

M8

Raguhn

2,1

100%

Mittel

M9

Jessnitz

1,4

100%

Mittel

Der Anteil der Modellgebiete, der vom Augusthochwasser betroffen war, wurde durch Verschneiden mit den in HAASE (2003) angegebenen Überschwemmungsflächen bestimmt. Zum Aufbau der Modellgebiete stehen flächendeckend zur Verfügung: •

Digitales Geländemodell (DGM) und digitales Höhenmodell (DHM) in 1m Auflösung aus einer Laserscanningbefliegung (Quelle: Landesamt für Hochwasserschutz und Wasserwirtschaft Sachsen-Anhalt (LHW LSA))

•

Color Infrarot (CIR) Aufnahmen sowie RGB Bilder (LHW LSA)

•

Topographische Karten, digital in verschiedenen Maßstäben (wurden zentral von der RIMAX Koordinierungsstelle zur Verfügung gestellt)

•

Biotoptypenkartierung (Landesamt für Umweltschutz Sachsen-Anhalt, 1992)

•

Satellitenbild (Landsat-7ETM vom 20.8.2002, UFZ)

•

Luftbildaufnahmen vom 15.8.2002, georeferenziert und aufgearbeitet innerhalb des adhoc-Hochwasserprojektes (LHW LSA und HAASE, 2003)

•

GIS Grundlagendaten (LHW LSA)

Alle raumbezogenen Daten wurden auf einem GIS-Server zusammengeführt und werden mit ArcGis verwaltet und weiter bearbeitet (Abbildung 1, links). Die zweidimensionalen Strömungsgeschwindigkeiten und Wasserspiegellagen werden unter Nutzung des TELEMAC - Modellsystems berechnet. TELEMAC löst die tiefengemittelten

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Navier-Stokes Gleichungen unter der Annahme der hydrostatischen Druckverteilung. (Hervouet 2000). Zur Gittergenerierung wird das Programmpaket JANET (SMILECONSULT 2006) eingesetzt.

Abb. 1: Die schematische Darstellung der verfügbaren Informationen zur Erstellung des Modellgebietes M1 (links) und Ausschnitt aus dem Rechengitter M1 (rechts). In einem ersten Schritt wurden die Modellgebiete M1 und M4 (Tabelle 1) mit einem groben regelmäßigen Gitter diskretisiert. Das Gitter enthält ca. 4400 Elemente mit einer durchschnittlichen Elementgröße von 1250 m². Anschließend wurde das Stadtgebiet M1 feiner als M4 aufgelöst (Abbildung 1 rechts, Kantenlänge der Elemente ca. 30m, Elementgröße 400 – 700 m²), jedoch wurden Häuser und Straßen noch nicht als Bruchkanten im FE-Netz berücksichtigt. Im Folgenden wird das Szenario M4a betrachtet: „In Folge von Dammbrüchen und des dadurch einströmenden Muldewassers steigt der Pegel des Tagebaurestsees Goitzsche an. In der Nacht zum 17.8.2002 breitet sich das Wasser über die Muldeaue (M4) aus und überflutet das Stadtgebiet von Bitterfeld östlich der Leine (M1).“ Dies entspricht dem tatsächlichen Verlauf der Ereignisse während des Hochwassers vom August 2002 (LMBV, 2006). Als Randbedingung wird dabei der Wasserstand des Goitzschepegels gewählt. Weitere Szenarien werden innerhalb des Verbundprojektes diskutiert und werden nach Festlegung der Randbedingungen gerechnet. 3. Ergebnisse und Diskussion Für das Modellgebiet M4 wurde das Szenario M4a berechnet. Der Verlauf der Überflutung entspricht qualitativ dem tatsächlichen Geschehen. Die höchsten Geschwindigkeiten finden sich im Bereich der alten Flutrinnen und in den Bereichen, in denen die B100 überströmt wurde. Im Modell wurden für den letzteren Bereich Geschwindigkeiten zwischen 0.9 und 1.3 m/s berechnet. Abschätzungen von Experten vor Ort (LMBV 2006) gehen von Geschwindigkeiten um 1 m/s aus. Auf der Basis der Schätzungen kamen die Fachleute auf einen Zustrom von 160 m³/s, die Berechnung liefert eine Rate von 225 m³/s. Die maximalen Überflutungstie-

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fen finden sich naturgemäß in den Flutrinnen, außerhalb dieser waren die normalerweise trockenen Flächen in Abhängigkeit von der Geländehöhe bis zu 2 m überstaut. Innerhalb des Stadtgebietes von Bitterfeld (M1) lagen die maximal berechneten Strömungsgeschwindigkeiten bei bis zu 1.2 m/s im Bereich von Gräben, die eine natürliche hydraulische Verbindung zwischen Aue und Stadtgebiet bilden. Die berechneten Geschwindigkeiten betragen innerhalb der Stadt bis zu 0.8 m/s. Sie sinken in dem Maße, wie sich das Stadtgebiet mit Wasser füllt und die Wasserspiegellage sich mit der der Aue und des Goitzschesees angleicht. Nach Erreichen eines quasi stationären Zustandes bei einem Wasserstand von 78.5 mNN befinden sich ca. 2.5 Mio. m³ Wasser im Gebiet M1. Da es sich bei den vorliegenden Berechnungen um Simulationen extremer Hochwässer handelt, gestaltet sich die Kalibrierung schwierig. Im gegenwärtigen Arbeitsstand wurde die Modellüberprüfung nur grob (nass oder trocken) an Hand einzeln vorliegender Luftbilder vorgenommen. Dabei zeigte sich trotz des groben Gitters bereits eine gute Übereinstimmung bei den auf den Luftbildern erkennbaren Objekten. Eingemessene Hochwassermarken innerhalb des Stadtgebietes liegen bisher nicht vor. Für den Auenbereich werden die Ausuferungsgrenzen, die mit Satellitenaufnahmen verglichen werden, als Maß für die Güte der Modellierung betrachtet. 4. Ausblick Das Szenario M4a umfasst nur die Flutung der Gebiete M1 und M4. Der Ablauf des Wassers wurde bisher nicht betrachtet, spielt aber für die Verteilung der Schadstoffe eine Rolle. Da es hydraulisch keinen oberirdischen Abfluß aus dem Stadtgebiet gibt, bleibt das Wasser so lange im Gebiet, bis es ggf. durch die Kanalisation abgelaufen oder verdunstet bzw. im Boden versickert ist. Diese Prozesse wurden bisher nicht berücksichtigt, können jedoch über einfache Raten pro Knoten oder Element Eingang in das Modell finden. Zur Erstellung der Netze für das FE - Verfahren werden die Gebäudegrenzen erfasst und unter verschiedenen Gesichtspunkten verallgemeinert, um die Auswirkungen auf die Berechnungsergebnisse abzuschätzen. Die Häuserkanten und Straßenzüge sollen nun als Bruchkanten in den Gittern berücksichtigt werden. Neben der Verbesserung der Aussagen bezüglich der Rechengebiete M1 und M4 wird der nächste Arbeitsschwerpunkt auf die Erstellung des Rechengebietes M5 gelegt.

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Literatur HAASE, D., T. WEICHEL, M. VOLK, C. GLÄßER, B. BIRGER, D. ZOBER, P. REINARTZ, T. HEEGE, R. MÜLLER & M. SCHRÖDER (2003): Flächenhafte Erfassung der Hochwassergebiete mittels Fernerkundungsdaten. IN: Geller, W. et al. (Hrsg.): Schadstoffbelastungen nach dem Elbe-Hochwasser 2002, Endbericht des BMBF-Ad-hocVerbundprojektes, Magdeburg, S. 37-69, ISBN 3-00-013615-0 HERVOUET J. (2000): TELEMAC modelling system: an overview. – Hydrological Processes 14: 2209-2210 LANDESAMT FÜR UMWELTSCHUTZ SACHSEN-ANHALT (1992): Katalog der Biotoptypen und Nutzungstypen für die CIR-luftbildgestützte Biotoptypenkartierung im Land Sachsen-Anhalt, Berichte des Landesamtes für Umweltschutz Sachsen-Anhalt, 1992 – Heft 4, ISSN 0941-7281 LMBV (2006): Sanierungsgebiet Goitzsche. Bericht zum Hochwasserereignis 2002, Broschüre, 62 Seiten SMILECONSULT (2006): www.smileconsult.de

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Die Dynamisierung der Donauauen zwischen Neuburg und Ingolstadt (Projektträger: Freistaat Bayern, vertreten durch das Wasserwirtschaftsamt Ingolstadt)

und das Aueninstitut Neuburg an der Donau (Träger: Landkreis Neuburg-Schrobenhausen)

Bernd Cyffka, Florian Haas Zusammenfassung Mit dem Projekt „Dynamisierung der Donauauen zwischen Neuburg und Ingolstadt“ durch den Freistaat Bayern als Projektträger (vertreten durch das Wasserwirtschaftsamt Ingolstadt) soll mit Fördergeldern der EU der von der Donau weitgehend abgekoppelte Auwald mit einer Fläche von 1.200 ha durch eine kontinuierliche Ausleitung von Wasser aus der Donau mit 25 m³/s in Teilen wiederbelebt, also dynamisiert werden. Neben der kontinuierlichen Ausleitung soll durch gezielte ökologische Flutungen während Hochwasserereignissen die hydrologische und morphologische Dynamik der Auengewässer angeregt werden. Um dieses Projekt mit europäischer Dimension zu begleiten und dabei eine Kompetenz im Bereich Verbesserung stauregulierter Flüsse zu erreichen und EU-weit zur Verfügung zu stellen, soll das Auenzentrum Neuburg aufgebaut werden. Einen wichtigen Teil dieses Zentrums, das seinen Platz direkt in der Aue im Wittelsbacher Schloss Grünau haben soll, stellt das Aueninstitut Neuburg dar. Seine Aufgaben sind neben der Beweissicherung vor allem die wissenschaftlichen Begleituntersuchungen zu dem Projekt. So sollen die durch die Veränderung in der Aue hervorgerufenen Prozesse genauestens dokumentiert werden, um als Basis für künftige Projekte an großen stauregulierten Flüssen zur Verfügung zu stehen. 1. Einleitung Flüsse und die ihnen angrenzenden Auen wurden seit Beginn des 19. Jahrhunderts durch zunehmende anthropogene Nutzung in ihrer Gestalt stark verändert. Durch Begradigung und Landgewinnung wurden an den Flüssen starke Korrekturen durchgeführt (KONOLD1994; JÜRGING 2001). Hierdurch kam es zu einer Entkoppelung des Flusses von seiner Umgebung. Besonders stark von dieser Entwicklung waren und sind die Auwälder, also die natürlichen Überflutungsbereiche der Flüsse, betroffen. Der Verlust dieser Flächen durch Bebauung oder durch landwirtschaftliche Nutzung spielt dabei eine wichtige Rolle für den Hochwasserschutz, da diese natürlichen Retentionsräume bei Hochwasser meist nicht mehr zur Verfügung stehen. Durch das Ausbleiben der regelmäßigen Überflutungen während Hochwässern fehlt aber gleichzeitig den Auwälder die für dieses sensible Ökosystem nötige Dynamik (WWF-AUENINSTITUT 1997). Dies führte in der Folge zum Verlust von wichtigen Lebensräumen für Flora und Fauna und damit zu einer ökologischen Abwertung dieser Räume (PATT et al. 1998). Um diesen negativen Auswirkungen entgegenzutreten, hat in den letzten Jahren zum Teil ein Sinneswandel stattgefunden, der dazu führte, dass über den Zustand der Gewässer in der Europäischen Union nachgedacht wurde (MCDONALD et al. 2004). In der Wasserrahmenrichtlinie der Europäischen Union heißt es zu den Zielen: „...Vermeidung einer weiteren Ver-

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schlechterung sowie Schutz und Verbesserung des Zustands der aquatischen Ökosysteme und der direkt von ihnen abhängenden Landökosysteme und Feuchtgebiete im Hinblick auf deren Wasserhaushalt, ...“ (EUROPÄISCHE UNION 2000) Ein Vorhaben zur Verbesserung des Zustandes eines Flussgebietes und seines Umlandes im Sinne der oben angeführten EU–Richtlinie wird nun nach jahrelanger Planung in großem Rahmen an der Donau zwischen Neuburg und Ingolstadt vollzogen, wobei auf einer Fläche von 1.200 ha der Auwald wieder an die natürliche Dynamik der Donau angeschlossen wird. Folgender Aufsatz soll einen kurzen Überblick über die Dynamisierungspläne und die damit verbundenen Maßnahmen geben. 2. Projektgebiet und geplante Maßnahmen 2.1 Projektgebiet Das Projektgebiet liegt an der Donau zwischen Flusskilometer 2471 und 2465 und zwischen den Städten Neuburg a.d. Donau und Ingolstadt. Hier hat sich auf einer Fläche von 1200 ha einer der größten zusammenhängenden Hartholzauwälder Mitteleuropas erhalten, der allerdings durch Begradigung und den Bau zweier Staustufen zur Stromgewinnung weitgehend von der Donau abgekoppelt wurde und so seine natürliche Dynamik verloren hat (REGIERUNG VON OBERBAYERN 2001). Zwar wird der Bereich während großer Hochwässer (Jährlichkeit > 5 a) immer noch überflutet, aber kleinere Hochwässer oder gar ein dauerhaftes Fließgewässer sind nicht zu verzeichnen (RMD CONSULT 2004). Dieser Umstand führte zu einem Verlust der Durchgängigkeit der Donau auf einem großen Abschnitt und zu einer Veränderung des Lebensraumes Auwald.

Abb. 1: Ausschnitt des Projektgebietes und Lage der geplanten Maßnahmen 2.2 Geplante Maßnahmen Wie Abbildung 1 zeigt haben sich auf dem Gebiet östlich von Neuburg nicht nur große Flächen Wald erhalten, sondern auch die alten Gerinnestrukturen (Flussschlingen), wie sie vor

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der Begradigung durch die Donau angelegt wurden, sind noch immer deutlich sichtbar. Dieser alte Donaulauf soll durch das Projekt wieder aktiviert werden, um ein dauerhaft fließendes Gerinne um die Staustufe herum zu schaffen. Zusätzlich soll der Aue durch mehrmalige ökologische Flutungen (30 m3/s bei einem Abfluss der Donau zwischen 600 und 1000 m3/s) eine größere Dynamik zugestanden werden (RMD CONSULT 2004), die für eine funktionierende Aue im Bereich des Grund- und Oberflächenwassers, aber auch der Morphologie nötig ist. Um die kontinuierliche Ausleitung und die episodischen Überflutungen gezielt durchführen zu können, ist die Errichtung von Ausleitungsbauwerken zwingend erforderlich. Dabei kann das Projektgebiet grob in zwei Teilbereiche untergliedert werden: • Der erste Abschnitt erstreckt sich vom Stauraum der Staustufe Bergheim bis zur Straße ST 2043. Hier werden zwei Ausleitungsbauwerke errichtet. Das eine erlaubt es, kontrolliert bis zu 5 m3/s aus der Donau in den Auwald fließen zu lassen. Das andere schafft die Möglichkeit, die für die ökologischen Flutungen nötigen bis zu 30 m3/s in das neue Gerinne auszuleiten. Im Verlauf wird dann ein neues Gerinne geschaffen, das durch eine Trogbrücke über den Längenmühlbach geführt wird. Bis zur Straße entsteht dann durch Aushub ein neues Gerinne. • Im zweiten Abschnitt sollen mit möglichst geringen Eingriffen (Brückenbauwerken und Aushubarbeiten zur Sicherstellung eines durchgängigen Gerinnes) die ehemaligen Donauschlingen als Gerinnebett benutzt werden. In diesem Bereich werden sich flache Gerinneabschnitte, die momentan trocken liegen, mit tieferen momentan als Stillwasser (Altarme) ausgeprägten Abschnitten abwechseln, um dann wieder kontrolliert (durch Einlassbauwerke) in die Donau zurückgeleitet zu werden. Um die ökologische Durchgängigkeit zu gewährleisten, werden an mehreren Bauwerken (Einlass- und Auslassbauwerke) Fischtreppen eingerichtet. Das Projekt wird vom Freistaat Bayern als Projektträger (vertreten durch das Wasserwirtschaftsamt Ingolstadt) durchgeführt und mit Mitteln der europäischen Union gefördert. Der Startschuss für die Umsetzung des Vorhabens wurde im Rahmen eines Spatenstiches durch den Bayerischen Umweltminister Dr. Schnappauf am 21.November 2005 gegeben. 3. Aueninstitut Um das Projekt im Vorfeld und nach der Fertigstellung wissenschaftlich zu begleiten, wurde 2005 das Aueninstitut Neuburg/Donau gegründet. Das Aueninstitut, das stark mit der Katholischen Universität Eichstätt-Ingolstadt verknüpft und Teil des Auenzentrums Neuburg ist, soll neben der Erfolgskontrolle (Monitoring) für das Projekte auch die Kompetenz für die Renaturierung stauregulierter Flüsse in der Region bündeln. Die durch die Begleitung dieses Großprojektes an der Donau erworbenen Kenntnisse können so landes- und europaweit verfügbar gemacht werden, um wichtige Impulse für die Umsetzung der europäischen Wasserrahmenrichtlinie an stauregulierten Flüssen zu liefern. Zu den momentanen Aufgaben des Aueninstitutes gehört es, Aufnahmen und Kartierungen für die Beweissicherung dieses Projektes durchzuführen. Dazu zählen beispielsweise hydrologische Untersuchungen (Pegelanlagen), bodenkundliche und gerinnemorphologische Aufnahmen und die Kartierung von Flora und Fauna im Auwald.

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4. Ausblick Durch das Dynamisierungsprojekt an der Donau zwischen Neuburg a.d. Donau und Ingolstadt ergibt sich die Möglichkeit, die Auswirkungen von Dynamisierungsvorhaben an einem großen europäischen Strom eingehend zu studieren. Dabei entsteht ein wichtiger Erfahrungsschatz sowohl was die Umsetzung eines solchen Großprojektes anbelangt, als auch die ökologischen Folgen, die sich daraus ergeben. Um diese Erfahrungen für zukünftige Projekte verfügbar zu machen, ist eine enge Zusammenarbeit zwischen Forschung auf der einen Seite und administrativen Einrichtungen auf der anderen Seite dringend erforderlich. Auch in dieser Hinsicht betritt das Projekt Neuland, als dass versucht wird die Erfahrungen und Kenntnisse aus beiden Bereichen in einem Kompetenzzentrum (Auenzentrum mit Aueninstitut) zu bündeln. Hier sollen in Zukunft Wissenschaftler aus dem universitären Bereich und Spezialisten aus den unterschiedlichen Teilbereichen staatlicher Stellen (Wasserwirtschaft, Forst, Umwelt) in enger Zusammenarbeit Kompetenz in einem wichtigen Feld weiter ausbauen und Anstoß für weitere Entwicklungsprojekte unserer stark beeinträchtigten Flusssysteme geben.

Literatur Europäische Union (2000): Richtlinie 2000/60/EG des Europäischen Parlaments und des Rates vom 23. Oktober 2000 zur Schaffung eines Ordnungsrahmens für Maßnahmen der Gemeinschaft im Bereich der Wasserpolitik. Jürging, P. (2001): Landschaftspflegerische Aspekte beim Hochwasserschutz. In: Patt, H. (Hrsg.), Hochwasserhandbuch – Auswirkungen und Schutz, Berlin – Heidelberg. Konold, W. (1994): Historische Wasserwirtschaft im Alpenraum und an der Donau. Wittwer, Stuttgart. McDonald A., S.N. Lane, N.E. Hycock & E.A. Chalk (2004): River of dreams: On the gulf between theoretical and practical aspects of an upland river restoration. In: Transactions, Institute of British Geographers 29, 257-281. Patt, H., P. Jürging & W. Kraus (1998): Naturnaher Wasserbau – Entwicklung und Gestaltung von Fließgewässern. Springer, Berlin, Heidelberg. Regierung von Oberbayern - Projektgruppe (2001): Dynamisierung der Donauauen zwischen Neuburg und Ingolstadt – Schlussbericht, München RMD Consult 2004: Dynamisierung der Donauauen zwischen Neuburg und Ingolstadt – Teil A, 2-D-WSP-Berechnung. WWF-Aueninstitut (1997): Machbarkeitsstudie „Auenkonzept Ingolstadt“ Auenrenaturierung an der Donau zwischen den Staustufen Bergheim und Ingolstadt. Rastatt

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Detaillierte Höhenmodelle für urban-hydrologische Abflusssimulationen Norman Ettrich Zusammenfassung Höhendaten aus Laserscannerbefliegungen erlauben in Kombination mit linienförmigen, strukturelle Elemente von Städten beschreibenden Eingabedaten aus kommunalen Datenbanken die Generierung von sehr detaillierten städtischen Höhenmodellen. Diese Modelle zeichnen sich durch eine geringe Welligkeit des Straßenreliefs, eine hohe vertikale Genauigkeit, die das Modellieren des Höhenversatzes quer zu Bordsteinen erlaubt, und durch eine formgetreue Darstellung von Bordsteinen, Gebäuden, etc. aus. Sie eignen sich damit für realitätsnahe Oberflächenabflussberechnungen, insbesondere unter Einbeziehung der Kopplung mit dem Abfluss durch das Kanalnetz. Anwendungen sind die Ausweisung von Überschwemmungsflächen und die Führung von Überstau- und Überschwemmungsnachweisen. 1. Einleitung Dimensionierungen von urbanen Entwässerungssystemen und von Schutzmaßnahmen gegen Überflutungen als Folge starker Regenfälle oder über die Ufer tretender Flüsse erfolgen meist anhand computergestützter Simulationen der sich einstellenden Abflussvorgänge. Für relevante Aussagen ist die integrative Betrachtung aller miteinander gekoppelten Fließprozesse erforderlich, zu denen in erster Linie das Fließen des Wassers auf der Oberfläche und der Abfluss durch unterirdische Kanalnetze zu zählen sind. Erst die Berücksichtigung der Kopplung zwischen beiden genannten Systemen erlaubt die korrekte Ausweisung von Überflutungsflächen und die Führung von Überflutungsnachweisen als vom Gesetzgeber geforderte Erweiterung der Führung von Nachweisen von Kanalnetzüberstauungen (ETTRICH et al. 2005). Berechnungen des Oberflächenabflusses erfolgen auf Grundlage von 2D Flachwassergleichungen (z. B. ANASTASIOU & CHAN, 1997). Voraussetzung dafür sind Modelle, die insbesondere die Topographie des Untersuchungsgebietes detailliert wiedergeben. Während in den überwiegend naturräumlich gestalteten Einzugsgebieten eine einfache Interpolation zwischen relativ weit voneinander entfernt liegenden Messpunkten gute Höhenmodelle liefert – hier liegt die Problematik in der Parametrisierung der Böden, ist es in den zumeist urbanen Zielgebieten schwierig, das Relief ausreichend genau darzustellen. Zahlreiche vom Menschen geschaffene Elemente haben dort die ehemals glatt verlaufenden Landschaftsformen in segmentierte Reliefe umgeformt: Einzelne Bereiche wie Straßen, Grundstücke weisen glatte Verläufe aus; gegeneinander sind diese Bereiche aber durch Elemente wie Bordsteine, Mauern, kurz Bruchkanten unterschiedlicher physikalischer Bedeutung getrennt. Erfordert die Fragestellung, zu deren Beantwortung die Abflusssimulation durchgeführt werden soll, eine hohe Detaillierung des Modelles, so müssen diese Bruchkanten in ihrer geometrischen Ausdehnung und mit ihrem Höhenversatz erhalten bleiben. Ein Beispiel sind Bordsteine, die für die korrekte Simulation der Wassereinspeisung in das Kanalnetz durch dicht an ihnen gelegene Sinkkästen oder bei Fragestellungen, welche Auswir-

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kungen Bordsteinerhöhungen auf die Überschwemmungsflächen haben, realitätsnah im Modell umzusetzen sind. In diesem Beitrag werden die Datenanforderungen für die Erstellung hoch aufgelöster städtischer Höhenmodelle diskutiert. Es wird ferner ein verfeinertes Prozessing vorgestellt, das geeignet vorliegende Daten semi-automatisch in ein Gittermodell, auf dem anschließend Abflussberechnungen durchgeführt werden können, überführt. 2. Methodik Seit einigen Jahren stehen durch luftgestützte Laserscannervermessungen Höhendaten in hoher Messpunktdichte (mehr als 1 Punkt / m²) und Genauigkeit ( 100a). Distributed, physically-based river basin models have an importance in this context to compensate for the lack of runoff data. The hydrological modeling allows us to generate runoff data and also to determine the probable maximum flood (PMF). The application in the investigated catchment of the Mulde requires an appropriate approach to represent the spatial distribution of related catchment properties such as land use, soil physics and topography by utilizing GIS analyses. 2. Methods For the application we selected daily data from 51 climate and precipitation stations from the network operated by the German weather service and corrected by the Potsdam Institute for Climate Impact Research (PIK). The stations are located across the entire Mulde catchment. J2000 (KRAUSE 2000) is a process-oriented modelling system for physically-based simulation of hydrological processes in large catchments. Two different levels of regionalization (Figure 1) were used to represent the spatial distribution for the hydrological modeling with J2000. First the basin was divided into 58 subbasins (SB) based on all available discharge measurements in this area. The size of the SB ranged between 1 and 500 km². Secondly, we divided the catchment area into 456 hydrological response units (HRP) representing subbasins in the catchment discretized to a

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Strahler stream order of one. The size of the HRPs ranged between 0.7 and 70 km². The landscape characteristics of the discretisation units were soil, land use, aspect, hydrogeological characteristics, slope, and elevation. The impact of the simplification was studied using the Nash-Sutcliffe efficiency (NS) with normal and logarithmic values. Visual inspection of the discharge curves was another helpful method for the evaluation of the model performance.

Fig. 1: Different levels of discretisation a) SB b) HRP of the Mulde catchment The calibration was based on daily discharge data from the gauge Bad Düben, and the climate data from 51 stations of the DWD. The validation period was the time between 11/1986 and 10/1990 on 34 additional gauges and the flood event 2002. 3. Results 3.1 Calibration and Validation From the results presented in Table 1 and from the visual inspection we judged that our models reflected the real surface flow rates satisfactorily for most of the time. The values of NS in Table 2 show that the HRP application was able to provide reasonable fits to the hydrograph during calibration. The HRP approach resulted in NS-efficiencies of > 70% and logNS-efficiencies around 70%. The results are stable over the calibration and validation period (1986-1989). The Nash-Sutcliffe coefficient that represents the fit of the runoff peaks is larger and stable for the HRP approach. The SB approach shows a lower quality and less stable results.

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Tab. 1: Results of the Calibration and validation process at gauge Bad Düben. NS: NashSutcliffe coefficient (NASH & SUTCLIFFE 1970): 1970), r² coefficient of determination Calibration (11/1985 – 10/1986) NS logNS r² 71% 77% 0.79 HRP 83% 78% 0.92 Validation I (11/1986 – 10/1991) NS logNS r² SB 50% 68% 0.52 HRP 79% 78% 0.88 Validation II flood event 2002 NS logNS r² SB 75% 78% 0.76 HRP 64% 76% 0.84 The logarithmic NS that represents the reproduction of the base flow shows similar results, but the values are higher for the SB approach in comparison with the NS-coefficient. The validation with the NS-coefficients shows that the optimised parameter set of the SB approach is not suitable for the transfer on other time periods. From the visual inspection of the discharge curves it was found that the flood event 2002 can be reproduced better with the HRP approach. From the Nash-Sutcliffe coefficient (Table 1) the HRP-approach seems to fit the observed surface flow rates better. 3.2 Multi-site validation The multi-site validation (Figure 2) shows irregular distributed low NS-coefficients for the validation period. The validation results are generally better in the lowlands.

Fig. 2: Results of the Multi-site validation, a) SB b) HRP units The fitting problems of both approaches found by the multi-site validation could be explained by the influence of reservoirs in the Mulde basin (Figure 3). Especially the reservoirs

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“Talsperre Einsiedel” and “Talsperre Stollberg” at the river Chemnitz seem to influence the gauges Hartau, Chemnitz, Goeritzhain, and Altchemnitz. The influence of the reservoir “Talsperre Eibenstock” to the streamflow of the Zwickauer Mulde may result in the low quality of reproducing the measured streamflow at the gauge Neidhardsthal and Aue 1. The gauge Rauschenbach could be influenced by the reservoir “Talsperre Rauschenbach”.

Fig. 3: Reservoirs and the gauges they possibly influence in the Mulde basin 4. Discussion The application of the SB and the HRP-approach has been demonstrated to be both useful tools for hydrological modelling of the `normal´ flood peaks and the low flow conditions of the Mulde catchment. The reasons why the distributed HRP version provides better results could be a more detailed representation of spatial data (land-use, soils, hydrogeology, topography), which results in a more detailed identification of elevation and vegetation zones, and/or the higher distributed precipitation input (for every HRP). The improvement of model performance possibly resulting from these differences is difficult to distinguish from each other, due to their interactions. Literature KRAUSE, P. (2000): J2000 Ein Modellsystem zur physikalisch basierten Nachbildung der hydrologischen Prozesse in großen Flusseinzugsgebieten - Dissertation. Freiburg, AlberLudwigs-Universität Freiburg i. Br., Geowissenschaftliche Fakultät NASH, J. & J. SUTCLIFFE (1970): River flow forecasting through conceptual models. 1. A discussion of principles, Journal of Hydrology, H. 10, S. 282-290

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Ein Bemessungsverfahren für tidebeeinflusste hydrologische Systeme Torsten Frank, Thomas Hirschhäuser, Jürgen Jensen Zusammenfassung An tidebeeinflussten Niederungsgewässern entsteht die Hochwassergefährdung nicht allein durch hohen Binnenabfluss, sondern durch die Kombination von erhöhtem Binnenabfluss und hohen seeseitigen Wasserständen, die zusätzlich gemeinsam durch die Klimaänderung einer langfristigen Veränderung unterzogen sind. Diese Belastungssituation kennzeichnet die Entwässerungsverhältnisse an der gesamten schleswig-holsteinischen Westküste. Am Beispiel des über ein Siel entwässernden Bongsieler Kanals (s. Abbildung 5) wurde ein Bemessungsverfahren entwickelt, welches diese Zusammenhänge berücksichtigt und eine Bemessung von Speicherräumen auf ein angemessenes Schutzniveau ermöglicht. Dabei wurden sowohl das Auftreten von Folgen erhöhter Tideniedrigwasser als auch die Auftretenswahrscheinlichkeit des Binnenzuflusses gemeinsam ausgewertet und miteinander verknüpft, um die Belastung des Speichersystems zu definieren. 1. Tideketten Sielbauwerke sind Entwässerungsbauwerke, die während Tideniedrigwasser den freien Abfluss des Binnenwassers durch den Deich in die See gewährleisten und zu Tidehochwasserzeiten und Sturmfluten das Eindringen des See- (oder Tideflusswassers) in das Binnengewässernetz verhindern (Abbildung 1). In den Zeiten hoher Tidewasserstände muss weiter zulaufendes Binnenwasser vor dem Siel gespeichert werden. Aus diesem Grund müssen Bemessungsansätze den verfügbaren oder geplanten Speicherraum, den Tideverlauf und den Binnenabfluss gemeinsam behandeln.

Abb. 1: Schematische Darstellung eines Sielzuges Der Verlauf der Tideniedrigwässer (Tnw) ist der wichtigste Parameter für die Entwässerung durch ein Siel. Es wurde daher ermittelt, wie häufig mit aufeinander folgenden Tnw oberhalb bestimmter Schwellwerte (Tideketten) gerechnet werden muss, was eine Einschätzung der Häufigkeit abflussbehindernder bzw. gänzlich den Sielabfluss sperrender Tiden ermöglicht

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(Abbildung 2, links). Die für sielgesteuerte oder auch sperrwerks-abgesperrte Tideflüsse wesentliche Größe ist jedoch die über Sperrzeiten zu speichernde Abflussfülle. Diese wurde durch die gemeinsame Auswertung von Abflussmengen während durchgängig überschrittenen Tnw-Höhen einer Häufigkeits-Analyse zugeführt (Abbildungen 3 und 4).

Abb. 2: Links: Häufigkeiten aufeinander folgender Tnw. Rechts: Speichermengen für jeweilig in Folge überschrittene Tnw-Höhen, Basis: Tidepegel Schlüttsiel und Binnenpegel Soholm

Abb. 3: Tages-Abflüsse am Pegel Soholm gegen maximale Tages-Tnw am Pegel Schlüttsiel, Scatterplot mit Randhistogrammen

47

Abb. 4: Konturlinien des gemeinsamen Wiederkehrintervalls T'(x,y) für MQ Pegel Soholm und Tnw Pegel Schlüttsiel Für die weitere Auswertung wurden die Zeitreihe der täglichen Scheitelwerte des Tidepegels Schlüttsiel und die Zeitreihe der mittleren Tages-Durchflüsse des Binnenpegels Soholm herangezogen. Der verfügbare gemeinsame Zeitraum beider Zeitreihen umfasst 32 Jahre. Neben Auszählung und Klassifizierung nach Tnw-Schwellwerten wurden zusätzlich über den Zeitraum von aufeinander folgenden überschrittenen Tnw die zugehörigen MQ-Werte zu der Abfluss-Summe dieses Zeitraumes aufsummiert. Dieser Zeitraum ergibt sich aus der Dauer einer Tide bzw. der Dauer, während dessen Zufluss aus dem Einzugsgebiet gespeichert werden muss. Für ein Sperr-Tnw muss der Zufluss über fast volle 2 Tiden gespeichert werden; für n Sperr-Tnw muss das Siel n+1 Tiden geschlossen bleiben. Sind also z.B. zwei aufeinander folgende Tnw zu berücksichtigen, während derer ein mittlerer Tagesabfluss von 10 m³/s aufgetreten ist, so führt dies zu einer Abflussfülle von etwa 3 • 12h • 3600 s/h • 10m³/s = 1.296.000 m³. Die Abflussmengen wurden in einen einzugsgebietsgrößen-unabhängigen Wert [mm] umgerechnet, um die Speichermengen für Untersuchungen in anderen Gebieten vergleichbar zu machen. Im Beispielgebiet ergibt sich aus 1.296.000 m³ eine Abflusshöhe von 3,68 mm. Das Ergebnis dieser Auswertung ist in Abbildung 2 (rechts) dargestellt. So ergibt sich z.B. für aufeinander folgende Tnw, die alle jeweils oberhalb von 600 cm PN auflaufen und währenddessen einen Binnenwasserzufluss von 7,5 mm aufweisen, eine Eintrittswahrscheinlichkeit von 0,01 Ereignissen pro Jahr bzw. einmal in 100 Jahren. 2. Ermittlung der Bemessungsereignisse Für Tnw-Höhen größer bzw. gleich dem maximal zulässigen Binnenwasserstand entspricht das Gesamtzufluss-Volumen aus dem Einzugsgebiet gleichzeitig dem vollständig zu speichernden Volumen, da kein Tnw der entsprechenden Tidekette einen Sielzug ermöglicht.

48

Daher kann für diese Tnw-Höhen der notwendige Speicherraum für entsprechende Wiederkehrintervalle direkt aus Abbildung 2 (rechts) entnommen werden. Für Tnw-Höhen unterhalb des max. zul. Binnenwasserstands ist das zu speichernde Volumen etwas geringer als das Gesamtzufluss-Volumen, da von mindestens einem Tnw einer entsprechenden Kette angenommen werden kann, dass ein Sielzug möglich ist. Hierbei kann auf die Auswertung von mittleren Tidekurven zurückgegriffen werden oder es können mithilfe eines hydrodynamischen Modells des Gewässersystems detailliert Sielzugmengen für unterschiedliche Tnw-Höhenstufen ermittelt werden. Diese Auswertung, mit Ansatz von Gesamtzuflussvolumen und Abzug von sielbaren Abflussvolumen, muss schrittweise für Tideketten von einer, zwei und mehreren Sperrtiden durchgeführt werden, bis eine Abnahme des gesamt zu speichernden Volumens festgestellt wird. Für das Untersuchungsgebiet des Bongsieler Kanals waren dies Tnw-Folgen von 5 und 6 Tiden. 3. Hydrodynamisches Modell Das für diese Untersuchungen aufgestellte hydrodynamisch-numerische Modell des Bongsieler Kanals wurde weiterhin genutzt, um die Hochwassersituation des Oktobers 1998 mit allen Speicherbecken und Kontrollbauwerken (Deichsiel, Einlassbauwerke etc.) sowie weitere Szenarien nachzurechnen. Weiterhin wurden mit diesem Modell die Deichfreiborde für den 100jährlichen Bemessungsfall entlang der Hauptvorfluter des Einzugsgebietes ermittelt. Zum Einsatz kam die eindimensionale, instationär rechnende Software Mike 11 des DHI; eine Übersicht des Einzugs- und gleichzeitig Modellgebiets zeigt Abbildung 5.

Abb. 5: Eine Übersicht des 731,25 km² großen Einzugsgebiets des Bongsieler Kanals mit den beiden Teileinzugsgebieten der Hauptzubringer Lecker Au und Soholmer Au und Darstellung der Landschaftsanteile. Der Bongsieler Kanal mündet durch das Deichsiel Schlüttsiel in die Nordsee. Links ist eine Laserscan-Topographie der am Deichsiel angeordneten großen Speicherbecken (4 Mio. m³ Volumen) sowie des zum Mahlbusen ausgeweiteten Bongsieler Kanals dargestellt. Schematisch besteht der Zufluss zum Siel aus Anteilen freier

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Vorflut aus den höher gelegenen Teilen des Einzugsgebiets und den Schöpfmengen der tief liegenden Marschen, der je nach Menge des Zuflusses und der Tidesituation zwischengespeichert werden muss. 4. Umsetzung in Schleswig-Holstein Die vorgestellten Bausteine wurden zu einem iterativen, dreistufigen Bemessungsverfahren zusammengeführt: 1. Ermittlung der relevanten Ereignisdauer: Über das Bemessungsdiagramm Tideketten kann die Wahrscheinlichkeit ermittelt werden, dass n mal in Folge ein Tideniedrigwasser vom Niveau H unterschritten wird. 2. Ermittlung der Zuflussmenge während der relevanten Ereignisdauer: Über das Bemessungsdiagramm Binnenzufluss kann der Zufluss einer bestimmten Auftretenswahrscheinlichkeit in Abhängigkeit eines gleichzeitig seeseitig nicht unterschrittenen Wasserstandes ermittelt werden. 3. Ermittlung des Entlastungsvolumens über die relevante Ereignisdauer durch eine 1Dhydrodynamische Modellierung des Sielzugs. Darauf aufbauend kann das maßgebende Bemessungsereignis unter Berücksichtigung des bedingt abhängigen gleichzeitigen Auftretens von erhöhtem Binnenabfluss und erhöhten seeseitigen Wasserständen ermittelt werden. Wesentliche Erkenntnis war, dass die aus Sicht der Binnenentwässerung kritischste Situation nicht dann auftritt, wenn überhaupt kein Sielzug stattfindet, sondern bei solchen Ereignissen, die länger andauern und bei denen ein geringer Sielzug möglich ist.

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51

Analyse der schadensbeeinflussenden Faktoren des Hochwassers 2002 und Ableitung eines mesoskaligen Abschätzungsmodells für Wohngebäudeschäden Jan-Henrik Grabbert, Heidi Kreibich, Annegret Thieken, Bruno Merz Zusammenfassung Basierend auf dem extremen Hochwasserereignis im August 2002 wurde eine großräumige Analyse der Zusammenhänge zwischen verschiedenen Einflussfaktoren und den Schädigungsgraden von Wohngebäuden auf Gemeindeebene durchgeführt. Das Ziel dieser Untersuchung war es, ein mesoskaliges Modell zur Abschätzung von Hochwasserschäden zu entwickeln. Im Ergebnis wurden zwei Schadensfunktionen ermittelt, wovon die eine die Beziehung zwischen Überflutungstiefe und Schaden und die andere die Beziehung zwischen Intensität (dem Produkt aus Überflutungstiefe und Fließgeschwindigkeit) und Schaden wiedergibt. Diese Funktionen sollen in die Erstellung von großräumigen Hochwasserrisikokarten sowie in die Abschätzung von Schäden auf der Mesoskala einfließen. 1. Einführung und Zielsetzung Bei extremen Hochwasserereignissen stehen neben der Gefährdung von Menschenleben und Umwelt vor allem die direkten ökonomischen Schäden im Mittelpunkt des Interesses. Das Hochwasser im August 2002 in Deutschland forderte 21 Menschenleben und richtete Schäden in Höhe von 11,8 Mrd. € an (KRON 2004). Vor diesem Hintergrund waren insbesondere Versicherungen daran interessiert, neben den bisher gängigen Ansätzen zur mesoskaligen Schadensmodellierung im Hochwasserrisikomanagement einen genaueren Ansatz für ihre Schadensabschätzungen zu erhalten. Das Hochwasser 2002 an Elbe und Donau bot aufgrund der umfangreichen Dokumentation (IKSE 2004, DKKV 2003) und der guten Datenverfügbarkeit die Möglichkeit, den Einfluss mehrerer Faktoren auf die aufgetretenen Schäden zu untersuchen. 2. Daten und Methoden Bei der Untersuchung der Zusammenhänge zwischen potentiellen Einflussfaktoren und den Schädigungsgraden wurde der Fokus auf folgende Faktoren gelegt: Überflutungstiefe, Fließgeschwindigkeit, Überflutungsdauer, sowie Frühwarnung und Deichbrüche. Als räumliche Bezugseinheit wurden die Gemeinden und für die räumliche Diskretisierung das ATKIS Basis-DLM verwendet. Das Untersuchungsgebiet umfasst die im August 2002 betroffenen Gemeinden in den Bundesländern Sachsen, Sachsen-Anhalt und Bayern. Folgende Datengrundlagen standen für die Untersuchung zur Verfügung: • Überschwemmungsfläche des Hochwassers 2002 im Shapefile-Format (Quellen: BKG, LFUG, UFZ, Stadt DD) • offizielle Schadensdaten für Wohngebäude auf Gemeindeebene aggregiert (Quellen: Sächsische Aufbaubank, regionale und überregionale Behörden der BL) • Siedlungsdaten aus dem ATKIS Basis-DLM, (die Objektarten 2111 und 2113) (Quelle: Geodatenzentrum des BKG - Bundesamt für Kartographie und Geodäsie)

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• vg250 – Gemeindegrenzen (Quelle: Geodatenzentrum des BKG) • DGM-D 25 (Digitales Geländemodell mit einer Rasterzellenweite von 25 m) (Quelle: Geodatenzentrum des BKG) • Werteinventar für Wohngebäude (Kleist et al. 2004) 2.1 Ermittlung der Schädigungsgrade Zur Ermittlung der überschwemmten Wohnflächen wurden die ATKIS-Flächen der Objektart 2111 Wohnbaufläche zu 100 % und die Flächen der Objektart 2113 Flächen gemischter Nutzung zu 50 % berücksichtigt (MEYER & MAI 2004). Nach der gleichen Methode wurde auch die Gesamtwohnfläche je betroffener Gemeinde bestimmt. Die Schädigungsgrade wurden berechnet, indem pro betroffener Gemeinde der absolute Hochwasserschaden den auf den überfluteten Flächen akkumulierten Werten gegenübergestellt wurde unter Berücksichtigung des Verhältnisses der überschwemmten Fläche zur Gesamtfläche der Wohngebäude einer Gemeinde (Gleichung 1). Schädigungsgrad =

Gesamtfläche [ha] Gesamtschaden [Euro] × Überschwemmte Fläche [ha] Werteinventar [Euro]

1

Gleichung 1

2.2 Ermittlung der Wasserstände Für die Berechnung der Wasserstände wurden zwei verschiedene Methoden angewendet. Bei der Verschneidung der Überflutungsgrenzen mit dem DGM mussten zunächst die linienhaften Überflutungsgrenzen in Punktprofile mit Höheninformation umgewandelt werden. Dies erfolgte mit Hilfe der ArcGIS-Erweiterung EasyProfiler V9.0 (ArcScripts). Nach einem Export der Höhenprofile nach Excel wurden die im Längsprofil z.T. stark schwankenden Höhen mit einer Ausgleichsfunktion angepasst. Im GIS wurde mit den angepassten Höhenwerten eine Delaunay-Triangulation durchgeführt und das daraus resultierende TIN in ein Höhenraster umgewandelt (in Abbildung 1a als Wasserspiegelhöhen bezeichnet). Die anschließende Subtraktion der DGM-Höhen von den Wasserspiegelhöhen führte zu relativen Wasserständen. Bei der hydraulischen Transformation, die auf einer Umrechnung der Scheitelabflüsse des Hochwassers in Wasserstände unter Verwendung der Manning-Strickler-Fließformel basiert, wird eine HQ-Tabelle zur Wiedergabe der Wasserstands-Abfluss-Beziehung unter der Annahme eines stationär gleichförmigen Abflusses erzeugt. Als Vorraussetzung für die Transformation der Abflüsse in Wasserstände werden die Flussquerprofile inkl. der Vorländer an den Pegelstationen aus dem DGM extrahiert. Der Rauhigkeitsbeiwert (Manning n) und das Gefälle werden dabei pegelweise angepasst. Im Ergebnis der Anwendung beider Methoden wurde die mittlere Überflutungstiefe je Gemeinde bestimmt.

1

(Verändert, nach KRON & THUMERER 2001)

53

h

Überflutungsgrenzen

Input

ArcGIS EasyProfiler

Profile mit Höhen

Output

Q

Export dbf

TIN

Wasserspiegelhöhen

Triangulation

minus DGM

Profile mit angepassten Höhen

Wasserstände

Import in das GIS als dbf

Kurvenanpassung in Excel

Weitere Anpassung

h

Q

Abb. 1: Methoden zur Abschätzung der Wasserstände; a) Verschneidung der Überflutungsgrenzen mit dem DGM (links); b) Schema der hydraulischen Transformation (rechts) Die Daten für die Einflussfaktoren Fließgeschwindigkeit, Überflutungsdauer und Frühwarnung wurden aus einer Befragung vom Hochwasser 2002 betroffener Haushalte (THIEKEN et al. 2005, KREIBICH et al. 2005) abgeleitet und auf Gemeinden aggregiert. Informationen über Deichversagen wurden dem IKSE-Bericht über das Hochwasserereignis 2002 und der Deichbruch-Studie von Water&Finance (GOCHT 2004) entnommen und den Gemeinden, in denen die Überflutung auf Deichversagen zurückzuführen war, zugeordnet. 2.3 Untersuchung der Zusammenhänge Die Schädigungsgrade wurden den verschiedenen, potentiell schadensbeeinflussenden Faktoren gegenübergestellt und dafür jeweils Korrelationen berechnet. Um den Einfluss der Deichbrüche auf die Schädigungsgrade zu untersuchen, ist eine Unterteilung der geschädigten Gemeinden in zwei Gruppen nach Beeinflussung durch Deichbrüche vorgenommen worden. Mit den Einflussfaktoren, für die signifikante Zusammenhänge mit den Schädigungsgraden nachgewiesen werden konnten, wurden im Anschluss Regressionsanalysen durchgeführt, mit dem Ziel daraus mesoskalige Schadensfunktionen abzuleiten. 3 .Ergebnisse Für 246 Gemeinden konnte der Schädigungsgrad berechnet werden. Eine Abschätzung der mittleren Überflutungstiefe erfolgte für 132 Gemeinden sowie der Fließgeschwindigkeit für 42 Gemeinden. Basierend auf den Korrelationsuntersuchungen zeigten nur die beiden Faktoren Überflutungstiefe (r=0,38) und Fließgeschwindigkeit (r=0,37) signifikante Zusammenhänge mit dem Schädigungsgrad. Die Intensität als Produkt aus Überflutungstiefe und Fließgeschwindigkeit (PETRASCHEK 2002) korrelierte deutlich stärker mit dem Schädigungsgrad (r=0,61). Durch die Regressionsanalyse konnten zwei verschiedene lineare Schadensfunktionen mit jeweils einer erklärenden Variablen für Wohngebäude ermittelt werden. Sowohl mit der Überflutungstiefe als auch mit der Intensität als Einflussfaktor zeigte eine quadratische Funktion bezogen auf das Bestimmtheitsmaß die relativ beste Anpassung (siehe Abbildung 2). Aller-

54

²

dings war der Wert des R nur wenig höher im Vergleich zur linearen Funktion, so dass diese für das Schadensmodell bevorzugt wurde. 0,7

0,9 2

0,8

y = 0,0213x + 0,0245x + 0,0929 2 R = 0,1534

y = -0,0117x2 + 0,1557x - 0,16 R2 = 0,3984

0,6

0,6 0,5 0,4 0,3

y = 0,1044x + 0,026 2 R = 0,1463

0,2

0,5

0,4

0,3

0,2

y = 0,0596x + 0,0106 R2 = 0,3703

0,1

0,1 0,0 0,00

Schädigungsgrad [-]

Schädigungsgrad [-]

0,7

0,0

1,00

2,00

3,00

Überflutungstiefe [m]

4,00

5,00

0,0

1,0

2,0

3,0

4,0

5,0

6,0

7,0

Intensität [m²/s]

Abb. 2: Der Schädigungsgrad als Funktion der Überflutungstiefe (links) und als Funktion der Intensität (rechts), mit jeweils einer linearen und einer quadratischen Anpassungsfunktion. 5. Ausblick Für die abgeleiteten mesoskaligen Schadensfunktionen ist eine Übertragbarkeit auf andere Gebiete noch zu prüfen. Darüber hinaus wäre eine Entwicklung von Schadensfunktionen für weitere Bereiche wie Unternehmen und Landwirtschaft interessant. Die Unsicherheiten, mit denen die Schadensfunktionen behaftet sind, lassen sich durch Verbesserung der Grundlagendaten (flächendeckend hochqualitatives DGM, genauere Kartierung der Überflutungsgrenzen, einheitlich erhobene offizielle Schadensdaten) weiter verringern.

Literatur DKKV, Deutsches Komitee für Katastrophenvorsorge (2003): Hochwasservorsorge in Deutschland – Lernen aus der Katastrophe 2002 im Elbegebiet, Schriftenreihe des DKKV 29, Bonn. GOCHT, M. (2004): Deichbrüche und Deichüberströmungen an Elbe und Mulde im August 2002, Water&Finance, Berlin. IKSE, Internationale Kommission zum Schutz der Elbe (2004): Dokumentation des Hochwassers vom August 2002 im Einzugsgebiet der Elbe, Magdeburg. KLEIST, L. et al. (2004): Estimation of Building Values as a Basis for a Comparative Risk Assessment, in: Malzahn, D., and Plapp, T. (eds): Disasters and Society - From Hazard Assessment to Risk Reduction, Logos-Verlag, Berlin: S.115-122. KREIBICH, H. et al. (2005): Flood loss reduction of private households due to building precautionary measures - Lessons learned from the Elbe floods in August 2002, Natural Hazards and Earth System Sciences 5: S.117-126.

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Kron, W. (2004): Zunehmende Überschwemmungsschäden – Eine Gefahr für die Versicherungswirtschaft? ATV-DVWK: Bundestagung 15.-16.09.2004 in Würzburg, DCM, Meckenheim, 47-63. KRON, W. & T. THUMERER (2001): Überschwemmung in Deutschland – Risikomodellierung und Kumul-Kontrolle für Hochwasser-Gebiete, Versicherungswirtschaft 17. MEINEL, G. et al. (2003): Analyse der Hochwasserkatastrophe vom Sommer 2002 für die Stadtfläche Dresdens auf Basis von GIS und Fernerkundung, CORP, Wien. MEYER, V. & S. MAI (2004): Überflutungsschäden im Küstenhinterland nach Deichbruch. Wasserwirtschaft 11/2004: S.23-27. PETRASCHEK, A. (2002): Risikobeurteilung und Gefahrenzonenplanung in der Schweiz, Österr. Wasser- und Abfallwirtschaft 7-8: S.123-127. THIEKEN A.H. et al. (2005): Flood damage and influencing factors: New insights from the August 2002 flood in Germany. Water Resources Research, 41(12), W12430, doi:101029/2005WR004177.

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Auswirkungen eines extremen Niederschlagsereignisses auf ein alpines Gerinne und die angrenzenden Hänge Tobias Heckmann, David Morche, Florian Haas, Volker Wichmann, Michael Becht Zusammenfassung Die extremen Regenfälle im August 2005 verursachten im Einzugsgebiet der Partnach (Reintal) ein extremes Hochwasserereignis, bei dem das Kaskadensystem des Sedimenthaushaltes massiv verändert wurde. Vor dem Ereignis entkoppelte Teilsysteme wurden durch Verfüllung eines kleinen Sees miteinander verbunden. Detaillierte Vermessungsarbeiten vor und nach dem Ereignis ermöglichen die Aufstellung einer exakten Sedimentbilanz des Ereignisses. Im Untersuchungsgebiet wurden insgesamt 43 * 10³ m³ Sediment erodiert (38 * 10³ m³ allein durch die Unterschneidung eines Schuttkegels), etwa die Hälfte davon wurde im gerinnenahen Ufer- und Terrassenbereich wieder abgelagert. 1. Das Untersuchungsgebiet Die geomorphologischen Prozesse, die zum Sedimenthaushalt alpiner Einzugsgebiete beitragen, werden seit dem Jahr 2000 durch fünf Arbeitsgruppen des SEDAG-Projekts (SEDimentkaskaden in Alpinen Geosystemen, vgl. BECHT et al. 2005, SCHROTT et al. 2002) in zwei Untersuchungsgebieten in den Nördlichen Kalkalpen anhand von Kartierungen, Messungen und GIS-basierten Modellen erforscht. Eines der Untersuchungsgebiete ist das Reintal südlich von Garmisch-Partenkirchen. Es handelt sich um ein typisch ausgeprägtes Trogtal mit steilen Flanken und seitlich einmündenden Hängetälern, das in den Eiszeiten durch eine ausgeprägte Lokalvergletscherung des Wettersteingebirges geschaffen wurde. Für die Forschungsarbeiten wurde ein etwa 17 km² umfassender Teil des Einzugsgebietes ausgewählt, der unmittelbar unterhalb des Zugspitzplatts beginnt und sich flussabwärts bis zur Bockhütte erstreckt, bei der ein Pegel zur Abflussmessung installiert wurde. Eine Besonderheit des Sedimenthaushaltes im Reintal ist die Aufteilung des Einzugsgebietes in Teilsysteme, die im Bezug auf den Feststoffhaushalt voneinander abgekoppelt sind. Die Trennung dieser Teilsysteme wird durch kleine Seen („Vordere und Hintere Blaue Gumpe“) und nur temporär überströmte Versickerungsstrecken mit geringem Gefälle bewirkt. Die vorliegende Studie bezieht sich schwerpunktmäßig auf den Verlauf der Partnach unterhalb der „Vorderen Blauen Gumpe“ (Abbildung 1). Die Gumpe war ein temporärer See, der durch einen Bergsturz in historischer Zeit aufgestaut wurde. Bis zu dem Ereignis im August 2005 schob die Partnach, die oberhalb der Gumpe eine Griesstrecke durchfließt, ein Delta in den kleinen See vor (MORCHE et al. 2006). Aufgrund der Abdämmung fungierte der See als Sedimentfalle für Grobmaterial. Die vegetationsfreien Schuttkegel, die sich auf der rechten Talseite unterhalb einer mehrere 100m hohen Felswand befinden, werden unterhalb der Gumpe von der Partnach angeschnitten. Auf den Schuttkegeln unmittelbar flussabwärts der „Vorderen Blauen Gumpe“ konnten in den Jahren 2002-2005 einige Murereignisse dokumentiert und deren Transportleistung quantifiziert werden (BECHT et al. 2005).

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Abb.1: Ausschnitt des Reintals bei Garmisch-Partenkirchen zwischen der „Vorderen Blauen Gumpe“ und dem Pegel Bockhütte. Photo (Sommer 2003): HAAS

2. Die meteorologische und hydrologische Situation im August 2005 Im Zuge des Durchgangs eines Adriatiefs (Großwetterlage Va/Vb) kam es im Nordstau der Alpen zwischen dem 21. und 23. August 2005 zu Extremniederschlägen und, begünstigt durch die starke Vorsättigung der Böden in den Monaten Juli und August, zu Hochwasserereignissen (vgl. RUDOLF et al. 2005). Die amtlichen Pegel im Bereich des Untersuchungsgebietes erreichten ihre Maximalstände am 23. August, vielerorts wurde die Meldestufe 4 überschritten (Quelle: HND Bayern 2005). Die Partnach erreichte beim Pegel Partenkirchen mit > 60 m³/s einen Abfluss, der mehr als doppelt so hoch ist wie der mittlere Hochwasserabfluss (32,2 m³/s; HND Bayern 2005). Der durch eine Arbeitsgruppe des SEDAGForschungsprojekts betreute Pegel an der Partnach im Reintal (Bockhütte) wurde nach einem sehr starken Anstieg zwischen 0:00 und 0:15 Uhr am 23. August funktionsunfähig. Der maximale Abfluss wurde anhand der Überflutungsspuren mit der Formel nach MANNING zu etwa 50 m³/s berechnet und geht wohl auf eine Flutwelle zurück, die durch den Bruch des Bergsturzdamms an der Vorderen Blauen Gumpe verursacht wurde. Extrem hohe Wasserstände bestanden am 23. August zwischen 6:00 und 15:30 Uhr (mdl. Mitt. WETZEL 2006). Die von WETZEL durchgeführten Niederschlagsmessungen an der Reintalangerhütte ergaben bis zum Mittag des 23. August einen 24h-Niederschlag von über 200 mm. 3. Geomorphologische Auswirkungen des Ereignisses Die vergleichsweise moderaten Niederschlagsintensitäten (nach eigenen Messungen am Pegel Bockhütte maximal 7,6 mm/h; die Aufzeichnungen des DWD an der Station GarmischPartenkirchen weisen ebenfalls Maximalintensitäten von < 10mm/h auf) waren für die Auslösung von Muren auf den Schuttkegeln nicht ausreichend. Das Gerinne der Partnach und die angrenzenden Hangbereiche unterhalb der Vorderen Blauen Gumpe wurden jedoch im Verlauf des extremen Abflussereignisses gravierend umgestaltet. Der massiven Unterschneidung und Erosion der an das Gerinne angrenzenden Schuttkegel und Uferbereiche stehen große Flächen im überfluteten Bereich gegenüber, auf denen die transportierten Sedimente zur Ablagerung kamen. Die teilweise sehr mächtigen Sedimentablagerungen auf

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höhergelegenen Terrassen sowie Schädigungen der Stämme gerinnenaher Bäume weisen auf eine Flutwelle mit starkem Geschiebetransport hin. Die Quantifizierung des erodierten und abgelagerten Volumens hat zum Ziel, eine räumlich verteilte Sedimentbilanz des Extremereignisses aufzustellen. Während für den Schuttkegel unterhalb der Gumpe multitemporale tachymetrische Vermessungsdaten vorliegen, wurden die Ablagerungen auf den Terrassen weiter flussabwärts mit Meterstab und Maßband ausgemessen. Eine detaillierte Vermessung des massiv durch die Partnach unterschnittenen Schuttkegels unterhalb der Gumpe, dessen distaler Bereich zu einem erheblichen Teil in das Gerinne abrutschte, wurde am 7. September 2005 vorgenommen (Abbildung 2b). Aufgrund der Tatsache, dass der Schuttkegel auch am 9. August 2005 vermessen worden war (Abbildung 2a), konnte aus einem Vergleich zweier aus den Daten berechneter hochauflösender Digitaler Höhenmodelle das aus dem System Schuttkegel abtransportierte Sedimentvolumen ermittelt werden. Der Vergleich der beiden Höhenmodelle (Abbildung 2c) ergab lokale Höhenunterschiede von bis zu 17 m und einen Erosionsbetrag von ~38 * 103 m³. Nennenswerte Akkumulation auf dem Schuttkegel fand nicht statt. Des weiteren finden sich zwei tiefe, parallel verlaufende Rinnen, die auf lineare Erosion durch Oberflächenabfluss auf dem Schuttkegel hinweisen. Diese Rinnen waren vorher angelegt, sie sind auf dem Höhenmodell (a) (9.8.2005) bereits zu erkennen.

Abb. 2: 3D-Ansichten der Vermessungsergebnisse vom 9.8.2005 (a) und 7.9.2005 (b). Teil (c) zeigt die Veränderung der Topographie (Differenz der Höhenmodelle a und b). Das Schrägluftbild (d) zeigt eine Ansicht des Schuttkegels vom 16.9.2005 (Photo: MORCHE)

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Die Kartierung der Ablagerungen und des Abtrags mit Meterstab und Maßband ergaben ein Ablagerungsvolumen von über 21 * 10³ m³ flussabwärts des Kegels, während auf dieser Strecke weitere ~5,1 * 10³ m³ erodiert wurden. Insgesamt wurde demnach rund die Hälfte der mobilisierten Sedimente (Schuttkegel, erodierte Uferzonen: ~43 * 10³ m³) noch vor Erreichen des Pegels Bockhütte wieder abgelagert, über 18 * 10³ m³ bereits auf den ersten 1000 Metern unterhalb der Vorderen Blauen Gumpe. Dies bedeutet, dass ein erheblicher Teil der allein an den Schuttkegeln erodierten Sedimente über die Bockhütte hinaus abtransportiert wurde (Distanz Schuttkegel-Bockhütte: 2160 m). Weitere Kartierungen müssen zeigen, in welchem Maße das akkumulierte Sedimentvolumen flussabwärts der Bockhütte zu einer ausgeglichenen Sedimentbilanz des Ereignisses führen kann. Der mit dem Hochwasser verbundene hohe Geschiebetrieb führte zu einer kompletten Verfüllung der Vorderen Blauen Gumpe. Dadurch und durch den Durchbruch des Damms wurde eine nachhaltige Koppelung des Teilsystems „Vordere Blaue Gumpe“ mit dem weiteren Verlauf der Partnach hergestellt. Es ist damit zu rechnen, dass bei hydrologischen Situationen, die bislang zu einer Füllung der Gumpe mit Wasser geführt haben, nun ein Feststofftransport über die ehemalige Grenze des Teilsystems hinaus erfolgt. Die mit dieser gravierenden Änderung der Bedingungen verbundenen geomorphologischen Konsequenzen sollen in den nächsten Monaten und Jahren durch fortgesetzte Vermessungs- und Kartierungsarbeiten dokumentiert und analysiert werden.

Literatur BAYERISCHES LANDESAMT FÜR WASSERWIRTSCHAFT: Abflussdaten von Partnach und Loisach (Hochwasser-Nachrichtendienst Bayern) http://www.hnd.bayern.de (zuletzt abgefragt 1.3.2006) BECHT, M., F. HAAS, T. HECKMANN & V. WICHMANN (2005): Investigating sediment cascades using field measurements and spatial modelling. In: IAHS Publication 291, S. 206-213 MORCHE, D., C. KATTERFELD, S. FUCHS & K.-H. SCHMIDT (im Druck): The Life-Span of a Small Mountain Lake, the Vordere Blaue Gumpe in the Bavarian Alps. In: IAHS Publication (Proceedings of the International Symposium on Sediment dynamics and the hydromorphology of fluvial systems, Dundee 2006) RUDOLF, B., H. FRANK, J. GRIESER, G. MÜLLER-WESTERMEIER, J. RAPP & W. TRAMPF (2005): Hydrometeorologische Aspekte des Hochwassers in Südbayern im August 2005. Niederschlagsvorhersage, Warnung und klimatologische Bewertung des DWD. Offenbach (Deutscher Wetterdienst). SCHROTT, L., A. NIEDERHEIDE, M. HANKAMMER, G. HUFSCHMIDT & R. DIKAU (2002): Sediment storage in a mountain catchment: Geomorphic coupling and temporal variability (Reintal, Bavarian Alps, Germany). In: Zeitschr. f. Geomorph. N.F. Suppl. Bd. 127, S. 127-196

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Risikoanalyse für Extremhochwasser an der Elbe U. Herrmann, U. Suhr, A. Thieken, S. Vorogushyn, K.-E. Lindenschmidt 1. Einführung Infolge der in der letzten Dekade aufgetretenen verheerenden Hochwasserereignisse wurden in Deutschland Hochwasserrisikokarten für einige besonders gefährdete Einzugsgebiete (Rhein (IKSR 2001), Weißeritz (ETTER 2005)) für die Mikro- und die Mesoskala erstellt. Mikro-, Meso- bzw. Makroskalen beziehen sich dabei auf die Genauigkeit der Landnutzungsdaten (ALK, ATKIS bzw. CORINE). Im vorliegenden Beitrag wird eine Methode für die Erstellung von Hochwasserrisikokarten auf der Makroskala vorgestellt. Die entwickelte Methode orientiert sich an vorangegangenen Arbeiten für die Mikroskala (MERZ & THIEKEN 2004). In diesem Ansatz (siehe Abbildung 1) wird die Hochwassergefährdung als die Eintrittswahrscheinlichkeit einer bestimmten Hochwassersituation in einem gegebenen Zeitintervall definiert. Überschwemmungshöhe und Ausbreitung geben die Intensität eines Ereignisses wieder. Die Vulnerabilität umfasst die von einem Hochwasserereignis betroffenen Werte sowie die Anfälligkeit der Werte. Das Risiko ist die Wahrscheinlichkeit, dass ein bestimmter Schaden eintritt, wobei die Wahrscheinlichkeit aus der Gefährdungsanalyse (Extremwertstatistik) und die Schäden aus der Vulnerabilitätsanalyse entnommen werden.

Abb. 1: Schematische Darstellung des Ansatzes von MERZ & THIEKEN 2004 Für die Bestimmung der Vulnerabilität in hochwassergefährdeten Gebieten wurden in den oben genannten Studien Landnutzungsdaten des Amtlichen Topographisch- Kartographischen Informationssystem (ATKIS-DLM25), des CORINE-Landcover und für die Mikroskala ALK-Daten verwendet. Die Schadensfunktionen zur Berechnung des relativen Schadens sind abgestimmt auf die jeweilig verwendete Datenbasis und die spezifischen Landnutzungen (MURL (2000), IKSR (2001), LFUG SACHSEN (2005)). Für die vorliegende Arbeit wurde die Stadt Meißen als Untersuchungsgebiet ausgewählt. Meißen befindet sich ca. 20 Kilometer nördlich von Dresden (Elbekilometer 78-83). Die Elbe durchfließt das Stadtgebiet im ungedeichten Zustand. Innerhalb Meißens mündet die Trie-

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bisch und der Fürstengraben in die Elbe. Beim Augusthochwasser 2002 wurden weite Teile der Innenstadt überschwemmt, es entstand ein beträchtlicher Schaden. 2. Methode Gemäß dem oben vorgestellten Ansatz werden zunächst die Wiederkehrintervalle der auftretenden Hochwasser an dem zu betrachtenden Pegel bestimmt. Im nächsten Schritt erfolgt die Berechnung der Wasserspiegellagen für die Jährlichkeiten HQ 5, 30, 50, 100, 200, 500. Hierbei wird das Modell Qsim, entwickelt durch die Bundesanstalt für Gewässerkunde, verwendet. Qsim berechnet die Wasserspiegellagen nach dem Kalinin–MiljukovVerfahren und liefert entlang der Fließstrecke Abb. 2: Überschwemmungen in MeiWasserstandslagen im Abstand von 500 Meter ßen bei dem Augusthochwasser 2002 (KIRCHESCH & SCHÖL 1999). Die Wasser(Quellen: BKG 2003, 2005) spiegellagen werden in Verbindung mit einem digitalen Geländemodell (Raster 25m) auf die Fläche gebracht. Dabei wurde das Programm Watershed Modelling System (WMS) von EMS (http://www.ems-i.com) verwendet. Als Ergebnis erhält man die Ausdehnung und die Überflutungstiefen im Rasterformat für den betrachteten Flussabschnitt und somit eine Gefährdungskarte. Das Gefährdungsraster wird in das GIS-Programm ArcGis (http://www.esri.com) exportiert und weiter bearbeitet. Die Vulnerabilität wird durch die Anwendung der Schadensfunktionen und der jeweiligen Landnutzung ermittelt. Dabei kommen bei der vorliegenden Arbeit Landnutzungsdaten aus dem Amtlichen Topographisch-Kartographischen Informationssystem (ATKIS-DLM25) und dem CORINE-Landcover zum Einsatz. Als Ergebnis erhält man die prozentualen Schadensgrade für Hochwasser eines bestimmten Ereignisses. Um die abzuschätzenden Kosten errechnen zu können, werden Werte für das Schadenspotential benötigt. Hier wurden Werte für das spezifische Wohnvermögen verwendet, die von THIEKEN et al. (2006) und KLEIST et al. (2004) erstellt wurden. Da jedoch nur Werte für das spezifische Wohnvermögen vorliegen, wurden für die Klasse „Industrie“ die Werte mit den Angaben aus der Gefahrenhinweiskarte Sachsen (LfUG 2005) in Relation gesetzt.

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Abb. 3: Berechnung der Schadenswahrscheinlichkeit (Quelle: DVWK 1985)

Nachdem für die betrachteten Jährlichkeiten diese Prozedur durchgeführt wurde, kann das Hochwasserrisiko bestimmt werden. Dabei wird mit der in Abbildung 3 gezeigten Formel (DWVK 1985) der jährliche Schadenserwartungswert für das betrachtete Gebiet errechnet. Daraus wird dann eine Schadensrisikokarte erstellt. Das Vorgehen ist ausführlich in LINDENSCHMIDT et al. (2006) beschrieben.

3. Ergebnisse und Diskussion Die Gefährdungskarte HQ 200 für die Stadt Meißen ist in der Abbildung 4 zu sehen.

Abb. 4: Gefährdung HQ 200 für Meißen

Abb. 5: Vergleich der Gesamtschäden

Nach der Berechnung des prozentualen Schadens bei dem 200-jährlichen Ereignis wurde der absolute Schaden durch Berechnung mit den spezifischen Vermögenswerten ermittelt. Aus dem Ergebnis dieser Berechnung konnte die Schadenskarte in Abbildung 6 erstellt werden.

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Abb. 6: Kosten der Schäden bei einem 200-jährlichen Hochwasser

Abb. 7: Erwartete Schäden innerhalb einer Zeitspanne von 200 Jahren

Im Vergleich der verwendeten Datenquellen (ATKIS, CORINE) und der angewendeten Schadensfunktionen ist eine starke Abweichung festzustellen. Dieses Ergebnis spiegelt sich auch in der Abbildung 5 wieder. Bei diesem Diagramm sind die Gesamtschäden in € für Ereignisse von HQ 5 bis HQ 500 aufgetragen. Abbildung 7 zeigt die Risikokarte für das HQ 200 für die Stadt Meißen. Sie wurde auf Basis von ATKIS sowie Schadensfunktionen aus der MURL-Studie (2000) erstellt. Die Karte zeigt die Verteilung des jährlichen Schadenserwartungswertes in €/m2.

Literatur BKG (Bundesamt für Kartographie und Geodäsie) (2004): Digitales- Landschaftsmodell 1: 25 000, Basis DLM. BKG (2005): Deutsche Topographische Karte 25-V (DTK25-V). DLR-DFD, Umweltbundesamt (2004): CORINE Land Cover. DVWK (1985): Ökonomische Bewertung von Hochwasserschutzwirkungen. ETTER, J. (2005): Gefährdungs- und Risikokarten als Grundlage des Hochwasserrisikomanagement, unveröffentlichte Diplomarbeit. IKSR (Internationale Kommission zum Schutz des Rheins) (2001): Atlas der Überschwemmungsgefährdung und möglicher Schäden bei Extremhochwasser am Rhein, Koblenz.

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KIRCHESCH, V. & A. SCHÖL (1999): Das Gewässergütemodell QSIM- Ein Instrument zur Simulation und Prognose des Stoffhaushalts und der Planktondynamik von Fließgewässern. KLEIST, L., A. H. THIEKEN, P. KÖHLER, M. MÜLLER, I. SEIFERT & U. WERNER (2004): Estimation of building values as a basis for a comparative risk assessment. - In: Malzahn, D. and T. Plapp, (Eds.): Disasters and Society - From Hazard Assessment to Risk Reduction. Logos-Verlag, Berlin, S. 115 – 122. LfUG (Sächsisches Landesamt für Umwelt und Geologie) (2005): Hochwasser in Sachsen – Gefahrenhinweiskarte. LINDENSCHMIDT, K.E., U. HERRMANN, I. PECH, U. SUHR, H. APEL & A.H. THIEKEN (2006): Risk assesment and mapping of extreme floods in non-dyked communities along the river Elbe and Mulde. Advances in Geosciences (angenommen). MERZ, B. & M. GOCHT, (2003): Karten für die Hochwasservorsorge und das Risikomanagement auf der lokalen Skala, Hydrologie und Wasserbewirtschaftung: 186-194. MERZ, B. & A. H. THIEKEN (2004): Flood Risk Analysis: Concepts and Challanges Hochwasserrisikoanalyse: Konzepte und Herausforderungen, Österreichische Wasserund Abwasserwirtschaft: 27-34. MURL NRW (2000): Potentielle Hochwasserschäden am Rhein in NRW. THIEKEN, A.H., M. MÜLLER, L. KLEIST, I. SEIFERT, D. BORST, & U. WERNER (2006): Regionalisation of asset values for risk analyses - Natural Hazards and Earth Systems Sciences (accepted).

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Ex-Post-Prognose des Augusthochwassers 2005 mittels probabilistischer Abflussvorhersage Simon Jaun, A. Walser, Massimiliano Zappa, B. Ahrens, Joachim Gurtz, C. Schär Zusammenfassung Die Erfahrung zeigt, dass zutreffende Warnungen mit genügend Vorlaufzeit die Folgen von Starkniederschlägen und den darauf folgenden Hochwässern beträchtlich reduzieren können. Eine daher wünschenswerte Verlängerung der Vorlaufzeit zieht jedoch eine größere Unsicherheit der Vorhersage nach sich, die mit Hilfe einer einzelnen deterministischen Vorhersage nicht bestimmt werden kann. Eine Möglichkeit diese zu berücksichtigen, bietet eine probabilistische Vorhersage mittels eines Ensembles. In früheren Experimenten mit einem gekoppelten atmosphärisch-hydrologischen Ensemble Prognose System (EPS) konnten für ausgewählte Fallbeispiele bereits Vorteile einer probabilistischen Vorhersage gezeigt werden (Verbunt et al., in press). In dieser Arbeit wird derselbe Modellansatz gewählt, aber nicht nur das Augusthochwasser als Fallbeispiel betrachtet, sondern zusätzlich eine kontinuierliche Reihe von täglichen Ex-Post-Prognosen (im Nachhinein berechnete Prognosen) im Jahr 2005 erstellt. Dies erlaubt uns, Rückschlüsse auf die allgemeine Ensemble-Güte zu ziehen. 1. Methode Die meteorologischen Ensembles werden durch ein operationelles atmosphärisches EPS (ECMWF EPS) auf der globalen Skala erzeugt. Von diesen werden 10 repräsentative Mitglieder mittels einer Cluster-Analyse selektiert, die dann mit einem regionalen atmosphärischen EPS (LEPS, operationell betrieben durch COSMO) dynamisch auf eine Gitterdistanz von 10km hinunterskaliert werden (Molteni et al., 2001). Für die Periode des Augusthochwassers wurde zusätzlich das gesamte Ensemble nachgerechnet (LEPS51). Von jedem dieser LEPS Mitglieder wird für sechs Variablen (Temperatur, Niederschlag, Luftfeuchte, Wind, Sonnenscheindauer, Globalstrahlung) ein weiteres Downscaling vorgenommen (bilinear, Temperaturanpassung mit konstanter Lapsrate von 0.65K/100m), um die vom hydrologischen Modell verwendete Zellengröße zu erreichen (500m). Das resultierende hochauflösende meteorologische Ensemble wird als Antrieb des hydrologischen EPS (HEPS) genutzt. Für die hydrologische Modellierung wird das Modell PREVAH (Gurtz et al., 2003) in stündlichen Zeitschritten betrieben. Auf der Ebene der hydrologischen Modellierung werden keine zusätzlichen Ensembles realisiert (z.B. zur Berücksichtigung von Initialisierungsfehlern). Eine Referenzsimulation, angetrieben durch meteorologische Beobachtungen, wird zur Bestimmung täglicher Speicherzustände verwendet, auf deren Basis die Ex-Post-Prognosen gestartet werden. Zusätzlich kommt eine deterministische Simulation (DS) zum Einsatz, die anstelle der LEPS Felder diejenigen der operationellen Wettervorhersage der MeteoSwiss (aLMo) als Randbedingung benutzt. Das berücksichtigte Einzugsgebiet des Rheines (~34550 km2) erstreckt sich bis zum Pegel Rheinfelden und ist in 23 Teileinzugsgebiete unterteilt. Um hydrologische Unsicherheiten auszuschliessen, wird für die Betrachtungen bezüglich der En-

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semble-Güte die Referenzsimulation an Stelle des gemessenen Abflusses für die Berechnungen herangezogen. 2. Resultate und Diskussion Das Modellsystem zeigt zufrieden stellende Ergebnisse. In Abbildung 1 ist beispielhaft die tägliche Vorhersage für die Vorlaufzeit von 48-72h am Pegel Hagneck (Aare, 5170km2) dargestellt. Die Referenzsimulation, die HEPS Simulationen wie auch die DS stimmen im Allgemeinen gut mit dem gemessenen Abfluss überein. Da eine weitergehende Validation der Referenzsimulation gegenüber dem gemessenen Abfluss über 5 Jahre ebenfalls gute Resultate erbrachte, scheint die Annahme gerechtfertigt zu sein, dass die Simulationen ein realistisches Bild der hydrologischen Situation wiedergeben. Vergleiche mit dem als Input für das hydrologische Modell verwendeten Niederschlagsensemble zeigen, dass das Modellsystem die erwartete Filterfunktion in Bezug auf die Ensemblespannweite und Frequenz leistet. Für kürzere Vorlaufzeiten als die in Abbildung 1 gezeigten 48-72h, nimmt die HEPS Spannweite und die HEPS IQR schrittweise ab und konzentriert sich um die Referenzsimulation. Der Ranked Probability Skill Score (RPSS, 1: perfekt, 0: kein Skill) der HEPS- gegenüber der Referenzsimulation wurde nach Wilks (2006) für verschiedene Vorlaufszeiten berechnet. Der RPSS zeigt einen generell hohen Skill des Modellsystems (0.55 bis 0.99, abhängig vom Einzugsgebiet) und nimmt mit verlängerter Vorlaufszeit kontinuierlich ab. Der RPSS des Niederschlages zeigt, wenn auch auf einem niedrigeren Niveau (Werte von 0.15 bis 0.35), dasselbe Verhalten. Diese Abnahme des RPSS bestätigt das Resultat bezüglich HEPS Spannweite und HEPS IQR für die verschiedenen Vorlaufzeiten und quantifiziert die zusätzliche Unsicherheit bei längeren Vorlaufzeiten. Der RPSS der DS zeigt leicht tiefere Werte als derjenige des HEPS-Medians, was wie erhofft eine robustere Vorhersage unter Verwendung des Ensembles erlaubt. Der RPSS des in Abbildung 1 gezeigten Einzugsgebietes zeigt für die angegebene Vorlaufzeit den Wert 0.84.

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Abb. 1: Tägliche Abflussvorhersage am Pegel Hagneck (Aare) mit einer Vorlaufzeit von 48– 72h im Jahr 2005. Neben dem gemessenen Abfluss (runoff measured) ist auch die Referenzsimulation (runoff reference simulation) aufgetragen. Die rote Fläche stellt die gesamte Spannweite der HEPS Simulation (HEPS range) dar, die grüne Fläche die IQR derselben (HEPS IQR). Die horizontalen Linien markieren die Wiederkehrperioden (HQ). Der räumlich interpolierte beobachtete Niederschlag ist am oberen Rand dargestellt. Um die allgemeine Ensemble-Güte zu testen, wurde eine Methode des ECMWF zur EPSVerifikation verwendet. Dabei wird von einer perfekten probabilistischen Vorhersage ausgegangen, bei der die absolute Differenz zwischen dem Ensemblemedian und der Referenz die Hälfte der Interquartilspannweite in genau 50% der Fälle übertreffen sollte. Die Abbildung 2 zeigt den Scatterplot für die Ensemblespannweite und die absolute Differenz des Medians von der Referenzsimulation (Abfluss und Niederschlag). Entsprechend der Resultate der EPS Verifikation, ist eine hohe Übereinstimmung festzustellen. Obwohl große Variationen der einzelnen Werte auftreten, geben Gruppierungen von Werten mit ähnlicher Spannweite den erwarteten statistischen Zusammenhang wieder und werden damit um die Diagonale abgebildet. Dies gilt für Abfluss und Niederschlag und zeigt, dass eine zusätzliche Unsicherheit vom EPS mit einer Zunahme der Spannweite abgebildet wird.

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Abb. 2: Der absolute Fehler des HEPS-Medians im Vergleich mit der halben interquartilen HEPS-Spannweite für täglichen Abfluss [mm] und Niederschlag [mm/10] (72-96h Vorhersage). Die in Abbildung 1 gezeigten sequentiell aneinander gereihten Vorhersagen zeigen, dass die Spannweite des Ensembles quasi nur bei ansteigendem Pegelstand zunimmt und zwischen den Niederschlagsereignissen wieder reduziert wird. Außer im August-Hochwasserfall wird das HQ10 von der HEPS Simulation nie fälschlicherweise übertroffen. Das Augustereignis sticht in der simulierten Reihe besonders heraus und wird vom Modellsystem gut wiedergegeben. Eine nähere Betrachtung in der Abbildung 3 zeigt, dass der Median des Ensembles mit dem dazugehörigen HEPS IQR das Ereignis gut abbildet. Das zur Kontrolle gerechnete gesamte Ensemble (vom LEPS nicht operationell gerechnet) deckt den benötigten Bereich vollständig ab und auch das System mit den repräsentativen Ensemblemitgliedern funktioniert gut. Die deterministische Simulation zeigt für das Fallbeispiel des Augusthochwassers ebenfalls ein gutes Ergebnis, lässt aber keine Quantifizierung der Unsicherheit zu. Die auch in Abbildung 3 zu sehende Reduktion der Unsicherheit nach dem Ereignis ist von hoher Wichtigkeit für die Brauchbarkeit des Ensembles (Dynamik der Spannweite folgt derjenigen des Abflusses).

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Abb. 3: Stündliche Abflussvorhersage vom 20.8.2005 am Pegel Hagneck (Aare). Neben dem gemessenen Abfluss (runoff measured) ist die Referenzsimulation (runoff reference simulation) sowie die deterministische Simulation (runoff DS) zu sehen. In Türkis sind die einzelnen Mitglieder des gesamten Ensembles (runoff HEPS51) zu sehen, in Rot diejenigen des HEPS-Ensembles (runoff HEPS). Die hellrote Fläche entspricht der interquartilen Spannweite der HEPS Simulation (HEPS IQR). Die Wiederkehrperioden (HQ) sind an der rechten Achse markiert. 3. Schlussfolgerungen Das Modellsystem kann die mit langen Vorhersagezeiträumen einhergehende Unsicherheit abbilden und ist auch über längere Zeitperioden anwendbar. Ein Vorteil gegenüber der deterministischen Vorhersage zeigt sich vor allem in der robusteren Prognose des Ensemble Medians und der Möglichkeit, die Unsicherheit der Vorhersage angeben zu können. Obwohl die ersten Resultate viel versprechend sind, ist weiterer Forschungsbedarf vonnöten, um mit weiteren Einzugsgebieten und längeren Zeitreihen statistisch robustere Ergebnisse zu erzielen, die eine weitergehende Quantifizi erung des durch die Nutzung hydrologischer Ensembles erzielten Informationsgewinnes erlauben.

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Literatur GURTZ, J., M. ZAPPA, K. JASPER, H. LANG, M. VERBUNT, A. BADOUX & T. VITVAR (2003): A comparative study in modeling runoff and its components in two mountainous catchments. Hydrological Processes, 17, 297–311. MOLTENI, F., R. BUIZZA, C. MARSIGLI, A. MONTANI, F. NEROZZI & T. PACCAGNELLI (2001): A Strategy for high-resolution ensemble prediction. I: Definition of representative members and global-model experiments. Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society, 127, 2069–2094. VERBUNT, M., A. WALSER, J. GURTZ, A. MONTANI & C. SCHÄR, (in press): Probabilistic Flood Forecasting with a Limited-Area Ensemble Prediction System. Journal of Hydrometeorology. WILKS, D. S. (2006): Statistical methods in the atmospheric sciences. Vol. 91, International geophysics series, 2nd ed., Elsevier, Amsterdam.

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Extremes Hochwasser am Kaitzbach im August 2002 - Anwendung verschiedener Modellansätze zur Problemanalyse Gerd Knab, Bettina Kühnapfel, Solveig Döring Zusammenfassung Bei den Hochwasserereignissen im August 2002 kam es nicht nur durch die Elbe und die Weißeritz, sondern auch durch kleinere Fließgewässer zu z. T. katastrophalen Überflutungen im Dresdner Stadtgebiet. Ein sehr problematisches Gewässer, welches durch die Dresdner Innenstadt verläuft, ist der Kaitzbach mit seinem stark gegliederten, unwettergefährdeten, völlig urban überprägten Einzugsgebiet. Als Grundlage für den Plan Hochwasservorsorge der Landeshauptstadt Dresden erfolgten umfangreiche Untersuchungen und eine Analyse des Hochwassergeschehens für den Kaitzbach und den zufließenden Nöthnitzbach. Ein Niederschlags-Abfluss-Modell wurde aufgebaut und eindimensionale hydraulische Berechnungen zur Ermittlung der Wasserspiegellagen und Überflutungsflächen durchgeführt. In einem Konfliktbereich mit sehr komplexen Strömungsverhältnissen (Brückendurchlässe, Zusammenfluss zweier Gewässerarme, starke Krümmungen des Gewässerverlaufes) kam zusätzlich ein zweidimensionales Oberflächenwasserströmungsmodell zum Einsatz. Es werden Anwendungsmöglichkeiten und Grenzen der verschiedenen Modellansätze bei der Nachbildung der Strömungsprozesse an einem kleinen, durch komplexe Verhältnisse und gleichzeitig stark urban geprägten Gewässer beim Abfluss eines extremen Hochwassers aufgezeigt. 1. Problemdefinition Bei den Hochwasserereignissen im August 2002 kam es im Stadtgebiet von Dresden, am Kaitzbach, insbesondere im Bereich nach dem Zusammenfluss mit dem Nöthnitzbach, zu Überflutungen. Der Kaitzbach trat über seine Ufer und überschwemmte einen bebauten Senkenbereich. Die Strömungsverhältnisse in Teilbereichen des Gewässersystems von Kaitzbach und Nöthnitzbach sind im Falle von Hochwasserabflüssen außerordentlich komplex. Es existieren Verzweigungen und Zusammenflüsse, mit denen ausgeprägte Querströmungskomponenten einher gehen, die stark von der Hauptströmungsrichtung entlang der Gewässerachse abweichen. Hinzu kommt eine sehr inhomogene Oberflächenbeschaffenheit (Straßen, Grünflächen, Gärten, u. a.), welche zu einer starken flächenhaften Variation der Rauigkeitsbeiwerte führt. Einer adäquaten Erfassung der Strömungsprozesse zur Analyse des Hochwasserabflussgeschehens auf Basis eindimensionaler Berechnungen sind somit enge Grenzen gesetzt. Um eine bessere Widerspiegelung der realen Strömungsvorgänge beim Hochwasserabfluss zu erreichen, wurde für einen besonders kritischen Bereich eine zweidimensionale Modellierung der Strömung durchgeführt. U. a. umfasste die Untersuchung den Einfluss der baulichen Umgestaltung von Durchlassbauwerken.

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2. Situation im Untersuchungsgebiet, Ausgangsdaten Zur Charakterisierung der Reliefverhältnisse stand ein digitales Geländemodell mit hoher Auflösung (Gebietsüberfliegung, Laser-Scan-Verfahren) zur Verfügung. Die Gerinnekonturen sowie die Gewässersohlhöhen wurden zusätzlich terrestrisch vermessen. Das Teilgebiet des 2D-Modells ist weitgehend flach und weist Geländehöhen von ca. 132 bis 135 m HN auf. Geländestrukturen stellen vor allem Dämme von Straßen und Wegen dar (Abbildung 1). Diese sowie Gebäude und Brückenbauwerke engen den Fließquerschnitt ein und beeinflussen so den Strömungsvorgang. Spezielle Untersuchungen galten dem Einfluss eines veränderten Durchlasses (Neubau Brücke Gostritzer Straße). Dessen Querschnittsfläche erhöhte sich im Ergebnis des Neubaues im Jahr 2001 von 2,97 m² auf 3,37 m². Das Sohlgefälle im Durchlass (0,5%) blieb erhalten.

mögliches Überströmen der Gostritzer Straße

Überströmen vom Nöthnitzbach zum Kaitzbach

Abb. 1: Lage des Modellgebietes und Bebauungssituation Der durch das 2D-Modell erfasste Abschnitt des Kaitzbaches (Geamtlänge ca. 11 km) hat eine Länge von ca. 320 m, der des Nöthnitzbaches (Geamtlänge ca. 4 km) von ca. 150 m. Die Vorlandbereiche werden durch Wohnbebauung (Ein- und Mehrfamilienhäuser mit zugehörigen Gärten), Kleingärten und Freiflächen charakterisiert. Das Gerinne des Kaitzbaches sowie das des Einmündungsbereiches des Nöthnitzbaches ist mit Ufermauern (Pflasterung) befestigt. Die im Modell berücksichtigten Oberflächenbeschaffenheiten sowie die angesetzten bzw. im Laufe der Modellkalibrierung identifizierten Rauigkeitsbeiwerte nach MANNING (Kehrwert der Werte nach STRICKLER) variieren zwischen 0,017 (betonierte Sohle des Durchlasses) und 0,1 (gehölzbewachsene Uferbereiche). Der auf Basis des Niederschlags-Abfluss-Modells ermittelte Scheitelabfluss HQ100 nach dem Zusammenfluss des Kaitzbaches mit dem Nöthnitzbach beträgt 10,9 m3/s, der des Kaitzbaches vor dem Zusammenfluss 7,4 m3/s und der des Nöthnitzbaches 3,5 m3/s. Diese

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Werte liegen weit über den bis zur Auswertung des Ereignisses im August 2002 geltenden Bemessungshochwässern (HQ100 = 6,8 m3/s nach dem Zusammenfluss). Angaben zu den im Verlauf des Ereignisses vom August 2002 aufgetretenen Wasserständen konnten anhand fotografischer Aufnahmen vom Nachmittag des 12. 8. 2002 abgeschätzt werden. Der Wasserspiegel an der Brücke Zschernitzer Straße (unterstromige Randbedingung des 2D-Modells) ergab sich zu 132,2 m HN. 3. Modellierung der Oberflächenwasserströmung Die 1D-Berechnungen (Umsetzung von Fließformeln) für das gesamte Gewässersystem erfolgten mit dem Programmsystem WSPWIN. Zur 2D-Strömungsmodellierung wurde das Programm RMA 2 (KING et al. 1995) mit dem grafischen Prä-/Postprozessor SMS eingesetzt. Das 2D-Modell erfordert die Unterteilung des Strömungsraumes in Planungselemente, um die Ausgangsdaten (Geländehöhen, Volumenströme und Wasserspiegellagen an Randbedingungen, Rauigkeiten, u. a.) in ihrer örtlichen Variabilität erfassen zu können. Das betrachtete Modellgebiet wurde in insgesamt 2219 Planungselemente unterteilt. Die Größe der Modellelemente differiert je nach Feinheit der abzubildenden Strukturen. In den Bereichen des Gewässerbettes liegen die Kantenlängen der Elemente im Bereich von 1 x 1 m bis 5 x 5 m, im Vorlandbereich zwischen 5 x 5 m und 10 x 10 m (Abbildung 2). Den Strömungsprozess unterbrechende Strukturen (Dämme von Straßen und Wegen, Gebäude) wurden weitgehend durch die Diskretisierung erfasst und somit durch das Modell in ihrer Wirkung adäquat abgebildet. Als oberstromige Randbedingungen des Modells wurden die unter Punkt 2 aufgeführten Volumenströme berücksichtigt, am Gebietsauslass definiert die Wasserspiegellage von 132,2 m HN die abstromige Randbedingung.

H = 132,2 m HN

T

Q = 7,4 m³/s

Q = 3,5 m³/s

Abb. 2: Gitter des 2D-Oberflächenwassermodells mit Randbedingungen

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Es wurden zwei Berechnungsvarianten betrachtet. In der Berechnungsvariante 1 (Ausgangszustand) wurde, ausgehend vom Zustand zum Zeitpunkt des Augusthochwassers 2002, für den Brückenneubau Gostritzer Straße ein entsprechendes Durchlassbauwerk angelegt und die terrestrisch eingemessenen Profildaten der damaligen Gewässerprofile eingearbeitet. In der Berechnungsvariante 2 (hypothetischer Zustand) entsprach das Durchlassbauwerk den Verhältnissen vor dem Brückenneubau (geringerer Durchlassquerschnitt). 4. Ergebnisse der Modellberechnungen und Schlussfolgerungen Anhand der 1D-Berechnungen (Umsetzung von Fließformeln) konnten die Strömungsverhältnisse im Detailbereich nicht mit hinreichender Genauigkeit abgebildet werden. Sowohl das Überströmen vom Nöthnitzbach zum Kaitzbach parallel zur Busmannstraße im südwestlichen Modellgebiet als auch die Möglichkeit des Überströmens der Gostritzer Straße sind auf dieser Basis nicht modelltechnisch fassbar. Dies hat gravierende Auswirkungen auf die Konzeption erforderlicher Maßnahmen zur Schadensverhinderung. Wird die Gostritzer Straße rechtsseitig überströmt, so kommt es zu einer direkten Überflutung des Senkenbereiches, als Gegenmaßnahme wären Veränderungen am Durchlassbauwerk erforderlich. Erfolgt keine Überströmung, so resultiert die Überflutung aus dem Ausufern des Kaitzbaches unterhalb des Durchlasses, als mögliche Gegenmaßnahme kommt in diesem Fall eine Profilerweiterung in diesem Bereich in Frage. Deutliche Unterschiede ergeben sich für die beiden Modellkonzepte auch in den ermittelten Überschwemmungsflächen (Abbildung 3 und 4). Die Frage des Bauwerkseinflusses konnte auf Basis des 2D-Modells hinreichend geklärt werden. Die berechneten Ausuferungen und Wassertiefen im überfluteten Bereich von bis zu 0,8 m, entsprechen den vorliegenden Beobachtungen. Es zeigte sich, dass die Durchlasskapazität der neuen wie auch der alten Brücke ausreicht, um das Hochwasser vom August 2002 abzuführen. Vor dem Durchlass kommt es bei beiden Varianten zu einem nahezu gleichen Aufstau, nach der Brücke stellt sich die gleiche Überflutungssituation ein, welche auch im August 2002 beobachtet wurde. Ursache ist, im Ausgangs- wie im hypothetischen Zustand, der geringe Fließquerschnitt des Gerinneprofils unterhalb des Durchlasses Gostritzer Straße. Damit wurde nachgewiesen, dass es zu den eingetretenen Überflutungen unabhängig vom Einfluss des veränderten Brückendurchlasses gekommen wäre und als Gegenmaßnahme eine Erweiterung des Gerinneprofils unterhalb des Durchlasses, nicht aber Veränderungen am Durchlassbauwerk selbst erforderlich sind.

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Abb. 3: Überschwemmungsflächen aus 1D-Berechnung

Abb. 4: Überschwemmungsflächen aus 2D-Modellierung

Literatur KING, I. et al. (1995): Users guide to RMA2 Version 4.3 - U. S. Army Corps of Engineers Waterways Experiment Station Hydraulics Laboratory. Vicksburg, Mississippi.

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Bestimmung der Jährlichkeit von Hochwasser auslösenden Faktoren Johannes Nemmert, Peter Rutschmann Zusammenfassung Für die Bemessung von wasserbaulichen Anlagen wird aus einer Zeitreihe von Abfluss- bzw. Niederschlagsmessungen ein Extremereignis extrapoliert. In der Niederschlag/AbflussModellierung (N/A-Modell) werden die Einzugsgebiete mit einem Niederschlag, der dieselbe Jährlichkeit des zu berechnenden Abflusses besitzt, belastet und daraus der Bemessungsabfluss berechnet. Da ein extremer Abfluss aus mehreren Faktoren wie zum Beispiel der zeitlichen Verteilung des Niederschlags, der Temperatur und Schneeschmelze resultiert, kann daher der aus einem N/A-Modell berechnete Abfluss genau genommen nicht mit einer Jährlichkeit verknüpft werden. Die Autoren stellen hier einen Ansatz vor, wo die stochastische Natur des Zusammenhangs von meteorologischen beziehungsweise hydrologischen Parametern und dem Hochwasser einer bestimmten Jährlichkeit beschrieben wird. Die Studie wird am Beispiel des Stubachtales durchgeführt, da in diesem Gebiet ausgiebiges und detailliertes Datenmaterial zur Verfügung steht. Basierend auf gängigen, mathematischen Ansätzen werden synthetische Temperatur- und Niederschlagszeitreihen – mit denselben statistischen Eigenschaften wie die gemessenen Zeitreihen – für das gesamte Einzugsgebiet des oberen Stubachtales erzeugt. Mit diesen ca. 5000 Jahre langen Zeitreihen wird das Gebiet belastet und der aus der N/AModellierung resultierende Abfluss statistisch ausgewertet. 1. Hintergrund Das Institut für Wasserbau der Universität Innsbruck führte im Auftrag der Österreichischen Bundesbahnen (ÖBB) eine Überprüfung der Hochwassersicherheit der Kraftwerksgruppe Stubachtal durch. Diese Studie wurde im September 2005 erfolgreich abgeschlossen (RUTSCHMANN et al. 2005). Die Untersuchungen wurden nach dem Leitfaden zum Nachweis der Hochwassersicherheit von Talsperren (GUTKNECHT et al. 2003) durchgeführt. Dabei wurde dieser Leitfaden das erste Mal von Personen angewandt, die nicht direkt an der Erstellung des Leitfadens beteiligt waren. Durch die Verwendung mehrerer heute üblicher Verfahren zur Bestimmung eines Extremhochwassers stützt sich dieser Leitfaden zum Nachweis der Hochwassersicherheit von Talsperren auf mehrere Standbeine. 2. Problemstellung Während den Untersuchungen im Stubachtal sind einige Unzulänglichkeiten bei der Berechnung eines Extremereignisses festgestellt worden: Statistische Methoden sind meist durch die Länge der Aufzeichnungen aus mathematischer Sicht nur beschränkt anwendbar. Einerseits ist die Messreihe nicht als homogen anzusehen, da in den letzten Jahren die Flüsse sehr stark verbaut wurden, anderseits entstehen durch die Messmethoden Messfehler und damit fehlerhafte Datenreihen.

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Daher empfiehlt die Richtlinie die zusätzliche Verwendung von deterministischen hydrologischen Modellen. Üblicherweise wird ein deterministisches hydrologisches Modell mit einem Niederschlag einer bestimmten Jährlichkeit belastet (DVWK 1983, 1984) . In Abbildung 1 sind mögliche Bemessungsniederschläge dargestellt. Bemessungsniederschläge Rudolfshütte (2304 m.ü.A.) 400 Lorenz-Skoda (T=5000a)

Seespiegel : 2250 m.ü.A 350

Niederschlag [mm]

300

K 55 K45

250

200

N5000 Rudolfshütte

150

100

50

Enzingerboden 22.08.03 Rudolfshütte 11.08.1984

0 1

10

100

1000

10000

Dauer [min] Salzachgebiet (95%)

Draugebiet (95%)

L-S Gebiet Tauernmoos

Kreps-Schimpf K 45

Kreps-Schimpf K 55

Nsynth

L-S Tauernmoos

L-S, red

*) Tagesniederschläge um 14% erhöht (Intervallbildung)

Abb.1: Bemessungsniederschläge Rudolfshütte (2304 m.ü.A) Ein 5000-jährlicher Niederschlag muss nicht ein 5000-jährliches Hochwasser auslösen, da mehrere Faktoren, wie zum Beispiel: Bodenfeuchte, Luftfeuchte und Temperatur, entscheidend sind, wie viel vom gefallenen Niederschlag tatsächlich zu einem extremen Abfluss beitragen. Nach Meinung der Autoren werden nicht alle Möglichkeiten eines N/A-Modells genutzt. So entstand die Idee synthetische Zeitreihen meteorologischer Daten mit denselben statistischen Eigenschaften wie die gemessenen Zeitreihen zu erzeugen und diese als stochastischer Input Daten für eine N/A-Simulation zu verwenden. Das Ergebnis einer solchen MonteCarlo Simulation – der Abfluss – wird dann statistisch ausgewertet und somit die Verknüpfung einer Jährlichkeit von Temperatur und Niederschlag mit der Jährlichkeit des Abflusses geschaffen. 3. Projektgebiet Stubachtal Die ÖBB betreiben im Stubachtal (Salzburg) das Spitzenstromkraftwerk Enzingerboden mit dem Speicher Tauernmoos und den Vorspeichern Weißsee, Salzplattensee und Amersee sowie den Beileitungen Nord (6 km) und Süd (8 km). Das Wasserspeichervermögen beträgt 78 Mio m³.

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Das Einzugsgebiet erstreckt sich von ca. 1400 m. ü. A. bis auf über 3000 m. ü. A. und ist 55 km² groß. Es liegt an der Nordseite des Tauernhauptkammes und hat eine Niederschlagshöhe im Regeljahr von 2130 mm. 4. Erzeugung von synthetische Niederschlagszeitreihen - Bartlett-Lewis Prozess Die synthetischen Niederschlagszeitreihen werden mit Hilfe des Bartlett-Lewis Prozesses erzeugt (BOGNER 2001). In einem ersten Schritt passieren dabei Sturmfronten einen Ort gemäß einer Poissonverteilung mit der Rate . Unabhängig von den Sturmfronten und deren Anzahl werden poissonverteilt Regenzellen generiert. Der Abstand zwischen den Regenzellen sowie die Dauer und Intensität des Rechteckimpulses ist dabei exponentialverteilt. In Abbildung 2 ist der Bartlett-Lewis Prozess dargestellt.

Abb. 2: Bartlett-Lewis Prozess

5. Schlussfolgerungen und Ausblick Mit Hilfe des Bartlett-Lewis Prozesses ist es möglich aus der gemessenen Niederschlagszeitreihe eine synthetische Niederschlagszeitreihe mit denselben statistischen Eigenschaften wie die gemessene zu erzeugen. Das Projektgebiet Stubachtal wird mit dieser 5000 Jahre langen synthetische Niederschlagszeitreihe belastet und der Abfluss statistisch ausgewertet. Weiters werden Temperaturzeitreihen generiert und mit den Niederschlagszeitreihen kombiniert. Das Ergebnis ist ein weiterer Schritt in Richtung wirtschaftlicher aber trotzdem hochwassersicheren Bemessung von Wasserbauten.

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Literatur BOGNER, K. (2001): Simulation von Niederschlagszeitreihen mittels stochastischer PunktProzess Modelle unter der Berücksichtigung der Skaleninvarianz. Universität für Bodenkultur, Wien. DVWK. (1983): Beiträge zur Wahl des Bemessungshochwassers und zum "vermutlich größten Niederschlag". Parey, Hamburg, Berlin. DVWK. (1984): Arbeitsanleitung zur Anwendung von Niederschlag-Abfluß-Modellen in kleinen Einzugsgebieten - Teil II: Synthese. Verlag Parey, Hamburg, Berlin. GUTKNECHT, D. et al. (2003): Leitfaden zum Nachweis der Hochwassersicherheit von Talsperren - Entwurf. Institut für Wasserbau und Ingenieurhydrologie, Wien. RUTSCHMANN, P. et al. (2005): Hochwasseranalyse Stubachtal ´05. Institut für Wasserbau Universität Innsbruck, Innsbruck.

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Das BMBF-Projekt "Skalenbezogene Analyse hydrologischer und meteorologischer Zeitreihen" Bestimmung von Trends, Charakterisierung von Fluktuationen, stochastische Modellierung und Extremwertstatistik Jörg Neumann, Hans Weber Zusammenfassung Im Rahmen des BMBF-Vorhabens "Skalenanalyse" befassten sich sechs Projektpartner unter der Koordination des Potsdam-Instituts für Klimafolgenforschung (PIK) mit der Weiterentwicklung und Anwendung moderner Verfahren zur Untersuchung von Abfluss-, Niederschlags- und Temperaturzeitreihen. Die Arbeiten erfolgten mit dem Ziel, in Ergänzung zur Vorgehensweise der "klassischen" Statistik die wichtigen Aspekte "Instationarität" und "Korrelationen" besser zu berücksichtigen. Im folgenden Beitrag werden Ziele und ausgewählte Ergebnisse des bis Ende 2005 bewilligten Vorhabens vorgestellt, in dem das Bayerische Landesamt für Umwelt (LfU) Praxispartner aus dem Bereich der Wasserwirtschaft war. 1. Veranlassung und Ziele Statistische Untersuchungen hydrologischer und meteorologischer Zeitreihen liefern wichtige Erkenntnisse über das Langzeit- und Extremwertverhalten sowie die Variabilität einzelner Größen. Die in der Wasserwirtschaft meist eingesetzten Verfahren beruhen auf der Annahme „stationärer, unkorrelierter Verhältnisse“. Da dies der Realität jedoch nicht immer entspricht, können Unsicherheiten resultieren. Vor diesem Hintergrund befasste sich das BMBFVorhaben “Skalenanalyse” mit der Analyse typischer Zeitreiheneigenschaften. Dabei sollte, ausgehend von Studien des Kooperationsvorhabens KLIWA (Klimaveränderung und Konsequenzen für die Wasserwirtschaft), untersucht werden, ob sich der Klimawandel bereits in den vorhandenen Daten erkennen lässt, d.h. ob Trends existieren, die natürliche Variabilität sich ändert oder ob die Wahrscheinlichkeit von Hochwasserereignissen steigt. Als Projektpartner waren neben LfU und PIK folgende Institutionen beteiligt: Uni Bayreuth (BayCEER), Norwegisches Waldforschungsinstitut Ås (Skogforsk), Uni Gießen (JLU), Uni Tel Aviv (BIU). 2. Vorgehen Methodisch basiert das Vorhaben auf den nachfolgend aufgeführten Ansätzen, die z.T. bereits in Physik, Medizin und Finanzwissenschaften erfolgreich eingesetzt wurden: •

Stochastische Modelle (z.B. FARIMA)

•

Kolmogorov-Smirnov-Statistik

•

Wavelet-Analyse

•

Detrended Fluctuation Analysis (DFA)

•

Singular Spectrum Analysis (SSA)

• Extremwertstatistische Ansätze Neben der (Weiter-)Entwicklung und Anwendung dieser Methoden war vor allem auch die Ermittlung der entsprechenden Konfidenzintervalle (Unsicherheitsmaße) von Interesse.

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3. Arbeitsgebiete und ausgewählte Ergebnisse Persistenzen, d.h. die Neigung einer Zufallsgröße ihren bisherigen Wert beizubehalten, werden seit längerem untersucht. In der Zeitreihenanalyse werden solche Eigenschaften durch die Autokorrelationsfunktion beschrieben. Sie können Trends vortäuschen und verursachen Probleme bei der Anwendung konventioneller Methoden. Mit geeigneten Annahmen über die Form des Trends, die Art und Stärke von Korrelationen usw., wurden stochastische Modelle entwickelt, die sich u.a. in der Extremwertstatistik einsetzen lassen. 3.1 Trendschätzung und Trendtest (PIK) Falls Korrelationen bei der Trendanalyse nicht berücksichtigt werden, kann fälschlicherweise ein Trend erkannt werden (vgl. Mann-Kendall-Test). Daher wurde hier ein Test entwickelt, der die Signifikanz eines Trends unter Annahme einer Korrelationsstruktur testet. Zur Repräsentation des stochastischen Teils der Zeitreihe wurde die Klasse der FARIMA-Modelle gewählt, die es ermöglicht, Lang- und Kurzzeitkorrelationen darzustellen. In einer umfassenden Studie erfolgte die Anwendung des Tests auf ca. 100 Abflusspegel im Donaugebiet (Abbildung 1). Dabei wurden die Daten desaisonalisiert und die monatlichen Durchschnittswerte und Maxima ausgewertet. Die monatlichen Maxima liefern einen Hinweis auf das Verhalten der Extremwerte. Der entwickelte Trendtest basiert auf Vorarbeiten von Craigmile/Percival. Es zeigte sich, dass der Mann-Kendall-Test bei Korrelationen fälschlicherweise häufiger signifikante Trends detektiert als der neu entwickelte Test (B, D).

Abb. 1: Trendtestergebnisse für Abflussdaten aus dem Donaugebiet (grau: keine Ergebnisse, blaugrün: nicht signifikant, grün: fallend, rot: steigend - Helligkeit gemäß Signifikanz).

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3.2 Instationarität von Verteilungen (BayCEER & Skogforsk) Im Zusammenhang mit der Diskussion um den Klimawandel ist es interessant, ob und wie sich die Häufigkeitsverteilung von Abflusswerten über die Zeit verändert. Dabei setzen herkömmliche Verfahren der Datenanalyse meist Stationarität und Äquidistanz voraus. Um der Frage nachzugehen, ob die vorliegenden Zeitreihen Trends aufweisen, wurden Tageswerte von 97 Pegeln im oberen Donaugebiet mit verschiedenen Methoden untersucht. Zu den in gleitenden Fenstern von 2 bis 30 Jahren berechneten Maßen gehörten sowohl Momente und Perzentile, als auch aus dem Vergleichstest nach Kolmogorov und Smirnov (Abbildung 2) weiterentwickelte Stationaritätsmaße. Die Methode erlaubt eine systematische Abschätzung des Instationaritäts-Niveaus für jeden Pegel. Damit lässt sich abschätzen, wo der Einsatz konventioneller Methoden (Stationaritätsannahme) vertretbar ist und wo hohe Unsicherheiten zu erwarten sind. Weiterhin erhält man Darstellungen des zeitlichen Verlaufs sowie Hinweise auf die räumliche Struktur der Verteilungsveränderungen (Abbildung 2).

Abb. 2: Ähnlichkeitsmatrix des Pegels Siegsdorf/Weiße Traun. Mit Hilfe der KolmogorovSmirnov-Statistik erfolgte ein Vergleich kumulierter Werteverteilungen aus z-normierten Zeitfenstern (20a) für den jeweils der (mittlere) Abstand bestimmt wird (blau: fallend, weiß: gleichbleibend, rot: steigend). Die Grafik zeigt deutlich die Herausbildung zeitlicher Blöcke, so z.B. eine Änderung der Abflüsse ab 1980, deren genaue Ursache jedoch noch unklar ist. 3.3 Folgewertstatistik (JLU & BIU) Die Analyse von Abflusszeitreihen zeigt, dass Hochwasserereignisse offenbar in “Serien” auftreten, d.h. Zeiträume mit gehäuften Extremen wechseln sich mit Phasen der Ruhe ab. Grund für das Auftreten dieser “Cluster” sind nicht vernachlässigbare Korrelationen, die sich z.B. mit Hilfe der Autokorrelationsfunktion nachweisen lassen. Um diesen Zusammenhang zu erfassen, wurden bedingte Wahrscheinlichkeiten konstruiert, die die Informationen aus der Vergangenheit berücksichtigen (Abbildung 3). Aufbauend auf diesen Erkenntnissen lässt sich eine modifizierte Wiederkehrstatistik entwickeln. Grundsätzlich lassen sich auf dieser Basis Aussagen wie „mit 95% Wahrscheinlichkeit ist das nächste Ereignis kleiner als...“ treffen. Dieser Sachverhalt ist Gegenstand weiterer Untersuchungen.

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Abb. 3: Illustration der Folgewertstatistik: Einer Bedingung x0 werden Werte einer bestimmten Größe zugeordnet – im Bild die roten Kreuze im grauen Intervall. Werte x, deren Vorgänger die Bedingung erfüllen sind als blaue Kreuze dargestellt. Ihre Verteilung p(x1|x0) und Mittelwert hängen von den enthaltenen Autokorrelationen ab (Bild rechts). Daraus ergeben sich statistische Abhängigkeiten, die dazu führen, dass auf einen hohen Wert eher wieder ein hoher folgt ( > 0). 3.4 Korrelationen und Extremwertstatistik (PIK) Ein weiterer Schwerpunkt behandelte die Frage, inwieweit Korrelationen in den Verfahren der Extremwertstatistik berücksichtigt werden sollten und wie sie die Schätzung der Abflussquantile (z.B. HQ100) beeinflussen. Hierzu wurden Detailsimulationen durchgeführt, um die Verteilungen der Schätzer näher zu betrachten. Ein Resultat dieser Studien ist ein auf einem parametrischen Bootstrap-Ansatz basierendes Verfahren, Konfidenzintervalle für Quantilsschätzungen unter Berücksichtigung von Korrelationen zu bestimmen (Abbildung 4). Dieses Verfahren involviert die stochastische Modellierung der Tageswerte mittels FARIMAModellen und einer Adjustierung der Werteverteilung. Exemplarisch untersuchte Reihen zeigten, dass die so bestimmten Konfidenzintervalle deutlich größer sind als jene der Standardverfahren.

Abb. 4: Das Histogramm (schwarz) zeigt die Verteilung/Streuung eines HQ100-Schätzers für ein Ensemble von 10.000 simulierten Reihen deren Verteilung und Korrelationsstruktur der Originalreihe (Tageswerte: Pegel Achleiten) entspricht. Die Verteilung ist deutlich breiter als

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die asymptotische Verteilung des Schätzers (rot) vermuten lässt. Die senkrechten Linien geben einen 95%-Unsicherheitsbereich für das Überschreiten des HQ100 an, zum einen für die asymptotische Verteilung (rot) und die Bootstrap-Verteilung (schwarz). 4 Ausblick Das BMBF-geförderte Vorhaben "Skalenanalyse" hat gezeigt, dass Korrelationen und das damit assoziierte Phänomen der Persistenz die Schlussfolgerungen aus der konventionellen statistischen Analyse von Abflüssen stark beeinflussen können. Dies hat insbesondere direkte Auswirkungen auf die hydrologische Bemessung (Extremwertstatistik) sowie auf die Fragestellung, ob der Klimawandel bereits aus den aktuell vorliegenden Zeitreihen abzulesen ist (Trenduntersuchungen). Die vorliegenden Erkenntnisse stellen somit die theoretischkonzeptionelle Grundlage für einen künftigen Praxistransfer und eine mögliche breitere Anwendung der entwickelten Methoden dar. Wichtige Teilergebnisse des Vorhabens "Skalenanalyse" wurden im Rahmen einer Abschlussveranstaltung im Dezember 2005 öffentlich vorgestellt. Eine detaillierte Darstellung in Form einer abschließenden Publikation ist zur Zeit in Vorbereitung. Weitergehende Informationen zum Projekt sind unter http://www.pikpotsdam.de/skalenanalyse/ verfügbar.

Literatur BUNDE, A., J. KROPP, & H.J. SCHELLNHUBER, (eds.) (2002): The Science of Disasters: Climate Disruptions, Heart Attacks, and Market Crashes. Springer, New York. BUNDE, A., J.F. EICHNER, S. HAVLIN & J.W. KANTELHARDT (2004): Return intervals of rare events in records with long-term Persistence. - Physica A 342: 308-314 KALLACHE, M., H. RUST &, J. KROPP (2005): Trend assessment: applications for hydrology and climate research. - Nonlinear Processes in Geophysics, 12: 201-210. LANGE, H., S. ENDRES & B. THIES (2005): Correlated extreme events in hydrological records. - In: Hydrology: Science & Practice for the 21st Century (in press). LANGE, H. & K. BERNHARDT (2004): Long-term components and regional synchronization of river runoffs. - In: Webb, B. et al. (Eds.), Hydrology: Science & Practice for the 21st Century British Hydrological Society, p. 165-170. MARAUN, D., H. W. RUST, & J. TIMMER (2004): Tempting long-memory: Studies on the interpretation of DFA results. - Nonlinear Processes in Geophysics 11: 495-503. KANTELHARDT, J.W., D. RYBSKI, S.A. ZSCHIEGNER, P. BRAUN, E. KOSCIELNYBUNDE, V. LIVINA, S. HAVLIN & A. BUNDE (2004): Multifractality of river runoff and precipitation: comparison of fluctuation analysis and wavelet methods. - Physica A 330: 240-245. RUST, H., M. KALLACHE, J. KROPP & H.-J. SCHELLNHUBER (in prep.): Confidence Intervals for Return-Level Estimation using a Bootstrap Approach. VENEMA, V., S. BACHNER, H.W. RUST & C. SIMMER (2006): Statistical characteristics of surrogate data based on geophysical measurements. - Nonlin. Proc. Geophys. (submitted).

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ASGi (WaSiM-ETH): Systematischer Vergleich des Topmodels- und RichardsAnsatzes für die ungesättigte Bodenzone Sabine Pakosch, Markus Disse Zusammenfassung Seit seiner Entwicklung in den 90er Jahre wurde das Niederschlag-Abfluss-Modell (N-AModell) WaSiM-ETH, das eine Komponente von ASGi darstellt, um weitere Berechnungsmodule erweitert. Unter anderem wurde neben dem bereits integrierten konzeptionellen Topmodel-Ansatz der physikalisch basierte Richards-Ansatz für die Berechnung der Wasserflüsse in der ungesättigten Bodenzone implementiert. Ob und inwieweit eine Verbesserung der Simulation der einzelnen Wasserflüsse in der ungesättigten Bodenzone sowie des Gesamtabflusses durch Verwendung des Richards-Ansatz erreicht werden kann, wird in diesem Beitrag diskutiert. Für die Untersuchung wurde das Einzugsgebiet der Itz bis zum Pegel Coburg herangezogen und ein N-A-Modell mit einer Auflösung von 1000 x 1000 m aufgestellt. In der ersten Phase des systematischen Vergleichs wurde das Modell für beide Berechnungsansätze kalibriert und validiert. Es zeigte sich, dass in diesem Fall der Richards-Ansatz zu besseren Simulationsergebnissen führt, die Unterschiede jedoch nicht gravierend sind. Weitere zukünftige Vergleichsrechnungen werden zeigen, ob und wie eine feinere Modellauflösung, eine verbesserte Parametrisierung der bodenhydraulischen Funktionen des Richards-Ansatz sowie die Anbindung eines Grundwassermodells die Simulationsergebnisse des ASGi-Modells im Richards-Modus gegenüber dem Topmodel-Modus deutlich verbessern. 1. ASGi / WaSiM-ETH Das Programm ASGi (Kontinuierlicher Abfluss und Stofftransport – Integrierte Modellierung unter Nutzung von Geoinformationssystemen) vereinigt das N-A-Modell WaSiM-ETH und das Erosionsmodell AGNPS innerhalb einer GIS-basierten pre- und post-processing Oberfläche. Das N-A-Modell WaSiM-ETH selbst wurde an der ETH Zürich entwickelt und wird stets um weitere Berechnungstools erweitert (SCHULLA 1997; SCHULLA & JASPER 2001). 1.1 Topmodel-Ansatz In der WaSiM-ETH Version 1 wird ein erweiterter Ansatz nach Beven and Kirkby (1979) verwendet, der Kapillaraufstieg bzw. Ausgleich von Verdunstungsverlusten aus dem Grundwasser sowie den Zwischenabfluss berücksichtigen kann. Hierbei handelt es sich um einen konzeptionellen Ansatz, bei dem die Verteilung der Sättigungsflächen in Abhängigkeit des mittleren Sättigungsdefizits berechnet wird. Das Sättigungsdefizit selbst hängt von der Verteilung des topographischen Index ab, der die Grundlage des Modells bildet. Die Berechung des mittleren Sättigungsdefizits erfolgt mit dem modifizierten Ansatz für jede Gridzelle und nicht wie im originalen Ansatz für Klassen topographischer Indizes. Wie in Abbildung 1 dargestellt, ist die ungesättigte Bodenzone in drei Speicher eingeteilt: Bodenspeicher (Wurzelspeicher, SB), Interflowspeicher (SH) und Speicher der ungesättigten Zone (SUZ). Bei einem hohen Sättigungsdefizit, tritt ein vierter Speicher, die sog. inaktive

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Zone, auf. Aufgrund dieser Zone ist kein kapillarer Aufstieg zwischen der gesättigten Zone und dem Bodenspeicher mehr möglich. Ist das mittlere Sättigungsdefizit gering, d.h. es herrscht ein hoher Grundwasserstand vor, findet der kapillare Aufstieg zwischen der gesättigten Zone und dem Bodenspeicher statt. Um mit diesem Topmodel-Ansatz Simulationen durchführen zu können, müssen insgesamt 9 Parameter für das Bodenmodell kalibriert und validiert werden. evaporation

SB

SH

infiltration

inactive zone

evaporation

QD

SB

SH

infiltration

QI capillary rise

SUZ

QI

SUZ infiltration

infiltration

saturated zone

QD

QB

saturated zone

QB

Abb. 1: Aufbau der Bodenzone für den Topmodel-Ansatz (links: hohes Sättigungsdefizit; rechts: geringes Sättigungsdefizit; SB: Bodenspeicher, SH: Interflowspeicher, SUZ: Speicher der ungesättigten Zone, QD: Direktabfluss, QI: Interflow, QB: Basisabfluss). B

1.2 Richards-Ansatz Die Modellierung der Bodenzone in der WaSiM-ETH Version 2 ist aufgrund der Verwendung der Richards-Gleichung physikalisch basiert. Hierbei erfolgen die Berechnungen der Wasserflüsse in der ungesättigten Bodenzone in einer für jede Gridzelle schichtweise diskretisierten Bodensäule in 1-dimensional vertikaler Form. Folglich ist die ungesättigte Bodenzone nicht länger in unnatürliche Speicher, sondern in Bodenschichten unterteilt (Abbildung 2). Im Anschluss an die ungesättigte Zone kann ein 2-dimensionales Grundwassermodell gekoppelt werden. Bei der Verwendung des Grundwassermodells sind für die Simulation der ungesättigten Bodenzone 5 Parameter, ansonsten 7 Parameter zu kalibrieren. Um unter gleichen Voraussetzungen einen direkten Vergleich beider Berechnungsansätze für die ungesättigte Bodenzone zu ermöglichen, wird auf den Einsatz des Grundwassermodells verzichtet. evaporation

soil(root)storage unsaturated zone

saturated zone

QD

QI

QB

Abb. 2: Aufbau der Bodenzone für den Richards-Ansatz (soil(root)storage unsaturated zone: geschichtete ungesättigte Bodenzone inklusiver der Wurzelzone; QD: Direktabfluss, QI: Interflow, QB: Basisabfluss). B

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2. Kalibrierung der Modelle Als Vergleichsgrundlage der beiden Berechnungsansätze wird ein Teileinzugsgebiet des Oberen Main, das Gewässer Itz bis zum Pegel Coburg (AE = 368 km²) betrachtet. Das Modell basiert auf den Daten des DGM 25, der BÜK 1000 sowie der CLC 2000 und weist eine Auflösung von 1000 x 1000 m auf. Für die Simulationen wird der Berechnungszeitschritt auf 1 Stunde festgesetzt. Zur Kalibrierung wird die Zeitperiode vom 01.05.1994 bis zum 30.04.1996 herangezogen, da diese sowohl Niedrigwasser im Sommer wie auch Mittelwasser und Hochwasserabfluss im Winter aufweist. Für die Parameter der meteorologisch gesteuerten Prozesse (Interzeption, Evapotranspiration) wird eine Vorkalibrierung vorgenommen und während des systematischen Vergleichs der beiden Bodenmodelle konstant gehalten, so dass gleiche Bedingungen bestehen. Die Kalibrierung der Bodenmodelle erfolgt hinsichtlich der Maximierung der in ASGi berechneten Gütewerte, wobei die Schwerpunkte auf die richtige Wiedergabe der Scheitelabflüsse sowie der Volumenbilanz liegen. Hierbei wird versucht, beide WaSiM-ETH Versionen bestmöglich an die gemessenen Abflüsse anzupassen und auf auftretende Schwierigkeiten bei der Bestimmung der einzelnen Parameter geachtet. 3. Erste Ergebnisse und Ausblick Für beide Berechnungsansätze konnte innerhalb des gleichen Untersuchungszeitraums eine gute Kalibrierung mit einem linearen Bestimmtheitsmaß linR2 von 0,85 erzielt werden. Auf den ersten Blick erscheinen die Simulationsergebnisse mit dem Richards-Ansatz besser als mit dem Topmodel (Abbildung 3). Jedoch werden im Falle des Richards-Ansatz die Hochwasserspitzen stets unterschätzt, im Falle des Topmodels hingegen sowohl unter- wie auch überschätzt.

Abb. 3: Vergleich der gemessenen und simulierten Abflüsse und deren absolute Differenz (links: Topmodel, rechts: Richards-Ansatz; Ausschnitt vom15.10.94 bis 12.02.96). Werden neben den Abflussganglinien die absoluten Differenzen der Monatssummen (Abbildung 4) betrachtet, wird deutlich, dass trotz der unterschätzen Hochwasserspitzen die Volumina mit dem Richards-Ansatz besser modelliert werden. Dies wird durch die Volumenbilanzwerte (sim./gem.) mit 1,111 für den Topmodel- und 0,999 für den Richards-Ansatz bestätigt.

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Abb. 4: Absolute Differenzen der Monatssummen (links: Topmodel, rechts: Richards-Ansatz) Ein Vergleich der einzelnen Abflusskomponenten (Abbildung 5) zeigt, dass im Falle des Topmodel-Ansatzes die Verteilung der Zwischen- und Basisabflussvolumina sehr unrealistisch wiedergegeben wird, da der Basisabfluss ca. 64 % vom Gesamtabfluss ausmacht. Im Gegensatz hierzu beträgt im Falle des Richards-Ansatz der Basisabfluss nur ca. 16 % vom Gesamtabfluss und erscheint aufgrund seines weniger dynamischen Verhaltens realistischer.

Abb. 5: Darstellung der einzelnen Abflusskomponenten (links: Topmodel, rechts: RichardsAnsatz) Aufgrund der bisherigen Ergebnisse werden derzeit weitere Untersuchungen durchgeführt. So wird der Einfluss der Modellauflösung analysiert, da bei feiner werdender Auflösung größere Unterschiede in den Simulationsergebnissen vermutet werden. Des Weiteren wird eine Sensitivitätsanalyse hinsichtlich der effektiven Bodenparameter, wie z.B. Porosität, gesättigte hydraulische Leitfähigkeit, etc. durchgeführt, da diese mit großen Unsicherheiten behaftet sind. Zum Schluss wird untersucht, ob und inwieweit eine Kopplung des Grundwassermodells mit dem Richards-Ansatz zu einer Verbesserung der Simulation führen kann. Literatur SCHULLA, J. (1997): Hydrologische Modellierung von Flussgebieten zur Abschätzung der Folgen von Klimaänderungen. - Züricher Geographische Schriften, Heft 69, Geographisches Institut der ETH Zürich, Zürich. SCHULLA, J. & K. JASPER (2001): Model Description WaSiM-ETH. - Institute for Atmospheric and Climate Science, Swiss Federal Institute of Technologie, Zürich.

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Risikobewertung extremer Hochwasser an der Freiberger Mulde/Sachsen Ina Pech, Heiko Apel, Annegret H. Thieken, Karl-Erich Lindenschmidt, Bruno Merz Zusammenfassung Durch Hochwasser entstehen vor allem in besiedelten Gebieten hohe Schäden für die Volkswirtschaft. Dabei ist die Höhe der Schäden nicht nur von der Überflutungsdauer und –höhe, sondern im Wesentlichen von der Art der Nutzung des betroffenen Bereiches abhängig. Die Bestimmung der Höhe des Schadens und des Schadenrisikos für die Gemeinde Döbeln an der Freiberger Mulde/Sachsen ist Gegenstand dieser Arbeit. Dabei soll ermittelt werden, wie unterschiedlich das Risiko bei verschiedenen Datengrundlagen bewertet wird. Verglichen werden dabei die ATKIS – Landnutzungsdaten (BKG 2004) mit den CORINE – Landnutzungsdaten (DLR-DFD & UBA 2005) bei einem 200 jährlichen Ereignis. 1. Einführung Kartographische Darstellungen spielen für die Sensibilisierung gegenüber Hochwassergefahren eine wichtige Rolle. Nach den verheerenden Hochwassern der letzten Jahrzehnte (Oder 1997, Donau 1999 und Elbe 2002) wurden in Deutschland verstärkt Hochwasserrisikokarten für besonders gefährdete Gebiete vor allem auf der Mikroskala erstellt. Mikro-, Meso- bzw. Makroskalen beziehen sich dabei auf die Genauigkeit der Landnutzungsdaten (ALK, ATKIS, bzw. CORINE). Die vorliegende Arbeit soll, am Beispiel der Gemeinde Döbeln an der Freiberger Mulde/Sachsen, einen Ansatz diskutieren, der das Risiko bei extremen Hochwassern auf der Makroskala betrachtet. Dabei wird sich an den Arbeiten zur Erstellung von Hochwasserrisikokarten auf der Mikroskala orientiert. 2. Schadenrisikokarte der Gemeinde Döbeln (Freiberger Mulde/Sachsen) Die Extremwertstatistik, zur Bestimmung der Jährlichkeiten, wurde mit Hilfe von dafür geschriebenen MatLab – Routinen durchgeführt (APEL et al. 2004). Döbeln ist keine hydrologische Station, daher wurden die Berechnungen mit den Abfluss- und Durchflusswerten des Pegels Nossen durchgeführt. Berechnet wurden so Abflüsse für Wiederkehrintervalle 10, 20, 50, 100, 200, 500 und 1000 Jahre. Die Gefährdung, als Resultat der Ausdehnung des Hochwassers und der Wassertiefe wurde mittels des hydrologischen Modells LisFlood – FP (BATES & DE ROO 2000) bestimmt. Die berechneten Wasserspiegellagen der verschiedenen Jährlichkeiten wurden im Geoinformationssystems ArcGIS (ESRI) sowohl mit den ATKIS – Landnutzungsdaten (BKG 2004), als auch mit den CORINE – Landnutzungsdaten (DLR-DFD & UBA 2005) verschnitten. Die dadurch entstandenen Vulnerabilitätskarten zeigen die verschiedenen Risikobereiche, also die Anfälligkeit verschiedener Nutzungen bei einem Hochwasserereignis an. Mit Hilfe der in Tabelle 1 aufgeführten relativen Schadenfunktionen wurde der Schädigungsgrad Y errechnet, er ist eine Funktion der Überflutungstiefe x. Die verwendeten Schadensfunktionen entstammen für die ATKIS – Landnutzung der MURL – Studie (MURL 2000) und zum Teil der Arbeit der Hydrotec GmbH (HYDROTEC 2001). Für die CORINE – Landnutzung wurden die Funktionen aus dem Rheinatlas (IKSR – Rheinatlas 2001) verwendet.

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Tab. 1: Schadenfunktionen nach räumlicher Gliederung für die ATKIS – und CORINE – Landnutzung (nach MURL – NRW, 2000 und IKSR – Rheinatlas, 2001) Funktion Nutzung (ATKIS) (MURL) Industrie und Y=27*√x Gewerbe Gemischte NutY=27*√x zung Funktionale Prägung

Nutzung (CO- Funktion (IKSRRINE) Rheinatlas) Siedlung

Y=2x²+2x

Industrie

Y=2x²+2x

Y=30*√x Landwirtschaft

Y=1

Forst

Y=1

Anschließend wurde der Schädigungsgrad mit den Daten des spezifischen Wohnvermögens (KLEIST et al. 2004; THIEKEN et al. 2006) zu einem absoluten Schaden verrechnet. Die Schadenrisikokarte zeigt die erwarteten Schäden für die verschiedenen Nutzungen in €/m² für eine bestimmte Jährlichkeit an. Die Höhe der Schäden in der Land- und Forstwirtschaft sind nicht abhängig vom Wasserstand, sondern von der Größe der betroffenen Flächen. Die spezifischen Schäden für diese Flächen (HYDROTEC 2001) sind nicht explizit aufgeführt, sie können direkt aus der Karte in Abbildung 3 entnommen werden. Das Risiko ist definiert als eine Funktion aus Gefährdung und Verwundbarkeit (MERZ & GOCHT 2003). Die Gefährdung trifft Aussagen über die Intensität des Ereignisses (Überflutungstiefe, Ausdehnung der Flächen, usw.) und über dessen Wiederkehr und die Vulnerabilität gibt Auskunft über die Verletzlichkeit oder Anfälligkeit der betroffenen Risikoelemente. Abbildung 1 gibt einen Überblick über die Methode der Schadenrisikoabschätzung nach MERZ & THIEKEN (2004).

Abb. 1: Methode der Schadenrisikoabschätzung (MERZ & THIEKEN 2004)

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3. Ergebnisse Die Vulnerabilitätskarten in Abbildung 2 beinhalten Informationen über die Gefährdung der Risikoelemente der verschiedenen Landnutzungen bei einem Hochwasser mit einer Jährlichkeit von 200 Jahren. Deutlich zu erkennen ist, dass die Informationen der ATKIS – Landnutzung wesentlich detaillierter sind. Man erhält auch innerhalb der Siedlung Informationen über die Verteilung der verschiedenen Nutzungen. Die CORINE Landnutzung dagegen wirkt stark generalisiert. Flächen werden erst ab einer Mindestgröße von 25 ha und lineare Objekte ab einer Breite von 100 m dargestellt. Kleinere Flüsse, wie die Freiberger Mulde werden daher nicht abgebildet.

Abb. 2: Vulnerabilitätskarten: Darstellung der betroffenen Risikoelemente bei einem 200jährlichen Ereignis für die ATKIS-Landnutzungsdaten (links) und die CORINELandnutzungsdaten (rechts) Industrie- und Gewerbeflächen beispielsweise liegen bei der CORINE Landnutzung außerhalb der Siedlung und somit auch außerhalb des vom Hochwasser betroffenen Gebietes. Die ATKIS Landnutzung dagegen zeigt in der Siedlung ein sehr heterogenes Bild, Industrieflächen liegen auch direkt am Gewässer und werden im Falle eines HQ200 Schäden aufweisen. Auf der Grundlage der Vulnerabilitätskarten wird mit Hilfe der oben aufgeführten Schadenfunktionen aus der MURL–Studie und dem IKSR–Rheinatlas der Schädigungsgrad berechnet. Das anschließende Verschneiden mit den spezifischen Vermögenswerten ermöglicht die Darstellung des Schadenrisikos wie sie in Abbildung 3 gezeigt ist. Der Vergleich der beiden Landnutzungen zeigt, dass der Schaden bei CORINE höher eingeschätzt wird. Das ist vor allem darauf zurückzuführen, dass hier der Bereich, der eigentlich im Fluss liegt, mit in die Berechnung einbezogen wurde, während er bei der ATKISLandnutzung nicht zu der betroffenen Nutzung zählt. Daher müssen die CORINE-Landnutzungsdaten für eine Risikoabschätzung entlang kleinerer Flüsse überarbeitet bzw. mit anderen Datensätzen kombiniert werden.

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Abb. 3: Schadenrisikokarten: Darstellung der erwarteten Schäden in €/m² bei einem 200jährlichen Ereignis für die ATKIS-Landnutzungsdaten mit den Schadenfunktionen nach MURL (2000) und HYDROTEC (2001) (links) und die CORINE-Landnutzungsdaten mit den Schadenfunktionen nach IKSR – Rheinatlas (2001) (rechts). Literatur APEL, H., A. H. THIEKEN, B. MERZ & G. BLÖSCHL (2004): Flood risk assessment and associated uncertainty – Natural Hazards and Earth System Sciences. S 1-14 BATES, P. D. & A. P. J. ROO (2000): A simple raster-based model for floodplain inundation – Journal of Hydrology 236. S. 54-77 BKG (Bundesamt für Kartographie und Geodäsie) (2004): ATKIS Basis-DLM 1:25 000. - Frankfurt/Main DLR – DFD, (Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. – Deutsches Fernerkundungsdatenzentrum), Umweltbundesamt (2004): CORINE Land Cover 2000. Daten zur Bodenbedeckung – Deutschland. Oberpfaffenhofen – Berlin ESRI (www.esri.com) HYDROTEC GMBH (2001): Hochwasser-Aktionsplan Angerbach. Teil I: Bericht und Anlagen. (im Auftrag des StUA Düsseldorf). – Aachen IKSR (Internationale Kommission zum Schutz des Rheins) (2001): Atlas der Überschwemmungsgefährdung und möglicher Schäden bei Extremhochwasser am Rhein. – Koblenz KLEIST, L., A. H. THIEKEN, P. KÖHLER, M. MÜLLER, I. SEIFERT & U. WERNER (2004): Estimation of building values as a basis for a comparative risk assessment. - In: Malzahn, D. and T. Plapp, (Eds.): Disasters and Society - From Hazard Assessment to Risk Reduction. LogosVerlag, Berlin, S. 115 – 122 MERZ, B. & M. GOCHT (2003): Karten für die Hochwasservorsorge und das Risikomanagement auf der lokalen Skala – Hydrologie und Wasserbewirtschaftung 47, H 5, S. 186-194 MERZ, B, & A. H. THIEKEN (2004): Flood risk analysis: concepts and challenges. - Österreichische Wasser- und Abfallwirtschaft 56(3-4), S. 27-34 MURL NRW (2000): Potentielle Hochwaserschäden am Rhein in NRW - Ministerium für Umwelt. Raumordnung und Landwirtschaft des Landes Nordrhein-Westfalen. Düsseldorf THIEKEN, A. H., M. MÜLLER, L. KLEIST, I. SEIFERT, D. BORST, & U. WERNER (2006): Regionalisation of asset values for risk analyses - Natural Hazards and Earth Systems Sciences (accepted).

97

Landnutzungsänderungen und Hochwasserschutz im Osterzgebirge: Sinn und Unsinn der staatlichen Maßnahmeprogramme Hannaleena Pöhler, Volkmar Dunger, Jörg Matschullat Zusammenfassung Für verschiedene Teileinzugsgebiete der Wilden Weißeritz und Roten Weißeritz (Osterzgebirge) wurden im Rahmen des BMBF-Verbundprojektes EMTAL (Einzugsgebietsmanagement von Talsperren in Mittelgebirgslandschaften) mehrere realistische Landnutzungsszenarien erstellt. Am Beispiel des Waldmehrungsprogramms und des Programms „Umweltgerechte Landwirtschaft“ des Bundeslandes Sachsen wurde die Wirkung der staatlichen Maßnahmeprogramme untersucht. Zum Vergleich dienten das Extremszenario einer vollständigen Aufforstung aller landwirtschaftlichen Flächen sowie eine Erhöhung des Versiegelungsgrads im Einzugsgebiet um 10%. Die „Neubauten“ wurden an realistischen Standorten vorgenommen. Für diese Szenarien wurden mit Hilfe des Wasserhaushalts-Simulations-Modells WaSiM-ETH die Auswirkungen auf Hochwasserabflüsse abgeschätzt. Eine vollständige Aufforstung bewirkt erwartungsgemäß eine deutliche Abflussreduktion durch erhöhte Evapotranspiration. In kleineren Nebenbächen birgt dies, bedingt durch die Morphologie und geringe Grundwasserbürtigkeit des Untersuchungsgebiets, sogar die Gefahr kurzzeitigen Austrocknens. In den untersuchten Einzugsgebieten führte die um 10% erhöhte Versiegelung nicht zu einem signifikanten Einfluss auf die Abflüsse am Gebietsauslass. Daneben zeigt sich aber auch, dass weder die Umstellung von konventionellem auf konservierenden Landbau, noch die Aufforstung der durch die Waldmehrungskarten festgelegten Flächen hier bedeutende Wirkung auf die Abflusshöhe der Vorfluter haben. Während bei Waldmehrung die Abflussspitzen in kleinem Rahmen verringert werden können, steigt der Gesamtabfluss bei konservierender Bodenbearbeitung unter den vorliegenden Bedingungen durch den signifikant erhöhten Zwischenabfluss an. Der Direktabfluss nimmt bei konservierender Bodenbearbeitung ab. Aufgrund der Ergebnisse können die untersuchten staatlichen Maßnahmenprogramme im Untersuchungsgebiet nicht als hochwassermindernd eingestuft werden. 1. Einleitung und Gebietsbeschreibung Indem der Mensch das Land für Land- und Forstwirtschaft, für seine Siedlungen, Infrastruktur und Freizeitgestaltung nutzt, nimmt er auf die hydrologischen Eigenschaften dieser Gebiete Einfluss. Unter dem Eindruck der Hochwässer der letzten Jahre, in diesem Fall vor allem des Hochwassers 2002, gewinnt die Diskussion um hochwassermindernde oder fördernde Eigenschaften verschiedener Landnutzungsarten immer weiter an Bedeutung. Im Rahmen des Emtal-Projektes (Einzugsgebiets-Management von Talsperren in Mittelgebirgslandschaften) werden Werkzeuge entwickelt, die eine übertragbare Abschätzung solcher Veränderungen ermöglichen sollen. So werden in der Emtal-Arbeitsgruppe Hydrologie verschiedene realistische Szenarien erstellt und modelliert. Im vorliegenden Beitrag wird eine Auswahl dieser erläutert.

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Abb. 1: Bearbeitungsgebiet Für die Modellierung wurden die beiden Einzugsgebiete der Pegel Dippoldiswalde und Ammelsdorf ausgewählt, da sie keiner Beeinflussung durch die Talsperren unterliegen (Abbildung 1). Innerhalb dieser beiden Einzugsgebiete wurden wiederum die Teileinzugsgebiete Weißbach und Schwarzbach untersucht. Das Einzugsgebiet des Weißbaches weist eine Verteilung der Landnutzung und der Böden auf, die typisch für das Einzugsgebiet der Wilden Weißeritz auf deutscher Seite ist, das Einzugsgebiet des Schwarzbaches repräsentiert die mittleren Lagen des Einzugsgebiets, die von landwirtschaftlich genutzter Fläche dominiert sind. Die Kenndaten der Einzugsgebiete sind in Tabelle 1 zusammengefasst. Tab. 1: Kenndaten der vier untersuchten Einzugsgebiete. Fläche Höhenlage ü. NN Landnutzung in % der Gesamtfläche Boden in % der Gesamtfläche

Acker Grünland Forst Siedlung Sandiger Lehm Lehmiger Sand Schluffiger Lehm Toniger Schluff versiegelt

Ammelsdorf 50,63 km² 527,31 908,1 m 10 20 52 7 37 38 10

Weißbach 7,31 km² 580,70 – 804,50 m 27 44 18 11 32 14 7

Dippoldiswalde 73,71 km² 340,31 904,7 m 16 15 57 11 50 37 4

Schwarzbach 4,97 km² 354,20 – 367,90 m 68 13 12 5 86 10 -

9 2

38 8

1 7

3

99

2. Methodik Nach Vergleich mehrerer Modelle wurde wegen der guten Ausgangsbedingungen das Niederschlag-Abfluss- und Wasserhaushaltsmodell WaSiM-ETH (SCHULLA & JASPER 2001) ausgewählt. Das Modell ist frei verfügbar und gut dokumentiert und besteht aus mehreren Teilmodulen, die auf verschiedenen Gleichungssystemen beruhen und an die jeweilige Datenlage und die Struktur des Untersuchungsgebietes angepasst werden können. Dadurch weist es weitgehend die im Emtal-Projekt geforderte Flexibilität und Übertragbarkeit auf. WaSiM-ETH wurde für die Einzugsgebiete der Roten und der Wilden Weißeritz in einer Auflösung von 20 m und täglichen sowie stündlichen Zeitschritten kalibriert und validiert. Die erhaltenen Modellierungsgüten von beispielsweise 0,81 im zehnjährigen Mittel (1991-2000) am Pegel Dippoldiswalde zeigen, dass das Modell für die Darstellung der Abflüsse im Untersuchungsgebiet sehr gute Eignung aufweist. Im Emtal-Projekt wird großer Wert auf realistische Szenarien gelegt. Die hier vorgestellten Berechnungen basieren auf dem Waldmehrungsprogramm (RL-Nr. 52/2004) sowie auf dem Förderprogramm „Umweltgerechte Landwirtschaft (UL)“ des Freistaates Sachsen (konservierende Bodenbearbeitung). Zudem wurde durch die direkte Nachbarschaft zur prosperierenden Stadt Dresden ein leicht steigender Pendelverkehr sowie stärkere Nutzung von Erholungsangeboten der Untersuchungsregion angenommen, ausgedrückt durch eine regional spezifizierte 10 %ige Steigerung versiegelter Flächen. Als Hintergrund für Diskussionen mit Forstwirtschaft und Naturschutz dient das Szenario einer vollständigen Aufforstung des Gebiets mit der potentiell natürlichen Vegetation. Die Parametrisierung erfolgte mithilfe der zuständigen Behörden, mit Literaturwerten und verschiedenen Untersuchungsdaten. 3. Ergebnisse Eine vollständige Aufforstung bewirkt erwartungsgemäß eine deutliche Abflussreduktion durch erhöhte Evapotranspiration. In kleineren Nebenbächen ist dies besonders im Sommer, bedingt durch die Morphologie und geringe Grundwasserbürtigkeit des Untersuchungsgebiets, von hoher Bedeutung für die angrenzende Aue (Abbildung 2). Die um 10 % erhöhte Versiegelung führte im Untersuchungsgebiet nicht zu einem signifikanten Einfluss auf die Abflüsse am Gebietsauslass. Auf Tagesbasis haben weder die Umstellung von konventionellem auf konservierenden Landbau, noch die Aufforstung der durch die Waldmehrungskarten festgelegten Flächen bedeutende Wirkung auf die Abflusshöhe der Vorfluter, während sich in Stundenschritten vor allem bei Umstellung der Bodenbearbeitungstechniken eine Vergleichmäßigung der Abflüsse zeigt (Abbildung 3). Im täglichen Mittel konnten bei konservierender Bodenbearbeitung keine hochwassermindernden Einflüsse festgestellt werden

100

Abb. 2: Szenarien Waldmehrung und vollständige Aufforstung im Einzugsgebiet „Weißbach“. Zeitschritt: 1 Tag

Spende [mm/h]

0.7 0.6

Qges konventionell Qges konservierend

0.5

Qd konventionell Qd konservierend

0.4 0.3 0.2 0.1 0.0 09.07.1997 00:00

29.07.1997 00:00

18.08.1997 00:00

Abb. 3: Szenario konventionelle und konservierende Bodenbearbeitung im Einzugsgebiet „Weißbach“. Zeitschritt: 1 Stunde. 4. Diskussion und Schlussfolgerungen Sowohl bei Aufforstung als auch bei konservierender Bodenbearbeitung können die Abflussspitzen durch schnellen Direktabfluss verringert werden, allerdings – mit der Ausnahme der (unrealistischen) vollständigen Aufforstung des Untersuchungsgebiets – in einem sehr kleinen, für größere Hochwasser unerheblichen Rahmen. Die erhöhten Zwischenabflüsse führen bei konservierender Bodenbearbeitung teilweise sogar zu im täglichen Mittel höheren Ab-

101

flussspitzen. Trotzdem kann zu einer Umstellung des Landbaus geraten werden. Durch die Abnahme des Direktabflusses nimmt auch der Eintrag von erodiertem Material in die Flüsse und in die Talsperren ab (WEIGERT & SEIDEL 2005). So wird der Hochwasserrückhalteraum weniger beeinträchtigt als bei konventioneller Landwirtschaft. Die verschiedenen staatlichen Programme lassen für das Untersuchungsgebiet nicht zu, dass man von ihnen als hochwassermindernde Maßnahmen spricht.

Literatur SCHULLA, J. & K. JASPER (2001): Model Description WaSiM-ETH, last updated 19th july 2001 WEIGERT, A. & N. SEIDEL (2005) Vergleichende Modellierung des Abflussverhaltens und des erosiven Stoffaustrages für die Einzugsgebiete der Roten und Wilden Weißeritz. In: Matschullat (Hrsg.): Tagungsband des Emtal-Workshop Oktober 2005, S. 113-123

102

103

Untersuchung der Abhängigkeit der Schiefe von der Einzugsgebietsgröße und der Geologie für extreme Hochwasserabflüsse Wolfgang Rieger, Markus Disse, Sabine Pakosch

Zusammenfassung Für den Hochwasserschutz sensibler technischer Anlagen wie beispielsweise Kernkraftwerke oder für die Bemessung der Hochwasserentlastungsanlagen von Talsperren werden Hochwasserscheitel mit einer Jährlichkeit von 1000 Jahren benötigt. Bei Standsicherheitsnachweisen von Talsperren sind darüber hinaus Hochwasserscheitel der Jährlichkeit 5000 und 10000 von Bedeutung. Um solche Bemessungsabflüsse zu bestimmen, stellten hierzu KLEEBERG & SCHUMANN (2001) ein Verfahren vor. Dabei wird vom HQ100 ausgegangen und mit Hilfe der Pearson Verteilung Typ III und einer maximierten Schiefe cs = 4 auf die Hochwasserabflüsse entsprechender Jährlichkeiten extrapoliert. Dieser Beitrag diskutiert, ob anstelle der einheitlichen Maximierung der Schiefe auf cs = 4 nicht eine Klassifizierung der maximalen Schiefe in Abhängigkeit der Einzugsgebietsgröße und der Geologie möglich ist, um realitätsnähere Ergebnisse zu erhalten. 1. Kleeberg-Schumann-Verfahren Das KLEEBERG-SCHUMANN-Verfahren dient zur Ermittlung der Jährlichkeiten 1000, 5000 und 10000 Jahren. Zunächst wird das HQ100 mit Hilfe der Pearson Verteilung Typ III und der Schiefe cs der Verteilung der Jahreshöchstwerte wie folgt berechnet: HQ100 = MHQ + sHQ*k100 Neben dem arithmetischen Mittelwert der gemessenen Jahreshöchstwerten (MHQ) und deren Standardabweichung (sHQ) wird der so genannte Häufigkeitsfaktor kT benötigt, der von der Jährlichkeit T und, im Falle der Pearson Verteilung Typ III, von der Schiefe cs abhängt. Für T = 100 errechnet sich der kT-Wert zu: k100 = 2,318 + 0,773*cs – 0.065*cs² Weitere kT-Werte können Tabellen entnommen werden (PLATE 1993). Nachdem das HQ100 mit der tatsächlichen Schiefe der Messreihe ermittelt wurde, führen KLEEBERG und SCHUMANN die Extrapolation auf Jährlichkeiten niedriger Überschreitungswahrscheinlichkeiten durch: HQT = MHQ + (HQ100 – MHQ) *kT/k100 Die Häufigkeitsfaktoren kT und k100 werden hierbei mit der maximierten Schiefe cs = 4 bestimmt. Diese Verfahrensweise geht aus einer Untersuchung anhand 1169 Pegeln hervor, bei der festgestellt wurde, dass der Maximalwert von cs = 4 nur an 11 der 1169 Pegel, also an weniger als 1% überschritten wurde. Daraus kponnten folgende Häufigkeitsfaktoren für die Extrapolation hergeleitet werden: k100 = 4,368 / k1000 = 8,253 / k5000 = 9,472 / k10000 = 12,357 Diese Extrapolationsmethodik bietet große Sicherheiten, da die Maximierung der Schiefe eine Maximierung des kT-Wertes bedeutet. Es stellt sich jedoch die Frage, inwiefern es sinn-

104

voll ist, für alle Einzugsgebiete die Schiefe in gleicher Weise zu maximieren, oder ob es nicht plausibler erscheint, die Schiefe mit weiteren Gebietscharakteristika wie Einzugsgebietsgröße oder Geologie in Zusammenhang zu bringen. Dies könnte wirtschaftliche Vorteile bei der Bemessung der angesprochenen Bauwerke mit sich bringen, da man für gewisse Einzugsgebietsgrößen die Hochwasserabflüsse nicht zu stark überschätzen würde. 2. Datenaufbereitung, -prüfung und Berechnung von Hochwasserereignissen Um die Abhängigkeit der Schiefe von der Einzugsgebietsgröße und der Geologie zu untersuchen wurden insgesamt Messreihen von 842 Pegeln in Deutschland herangezogen. Die Daten mit weniger als 30 Messwerten wurden aussortiert. Anschließend wurden die restlichen Daten konvertiert, damit sie in das Statistikprogramm HyStat (IAWG, 2002) eingelesen werden konnten. Mit Hilfe des Programms wurde die Homogenitätsanalyse nach KOLMOGOROFF-SMIRNOFF, ein Ausreißertest und die Anpassung der Pearson Verteilung Typ III mit Hilfe der Momenten-Methode und dem KOLMOGOROFF-SMIRNOFF-Anpassungstest durchgeführt (PLATE 1993). Dabei stellte sich heraus, dass nur 539 Pegelmessreihen für die weitere Analyse nutzbar sind. Im nächsten Schritt wurde das HQ1000, HQ5000 und HQ10000 für die 539 Pegel nach dem ursprünglichen KLEEBERG-SCHUMANN-Verfahren berechnet (Tabelle 1). Tab. 1: Berechnung des HQ1000, HQ5000 und HQ10000 für die Pegel Mering, Kempten und Donauwörth Name Mering Kempten Donauwörth

Gew. Paar Iller Donau

AE (km²) 163,00 954,64 15092

cs 0,94 1,44 0,43

k(100) 2,99 3,29 2,64

HQ(100) 47,28 m³/s 738,1 m³/s 1262 m³/s

HQ(1000) 74,65 m³/s 1062 m³/s 1740 m³/s

HQ(5000) 83,27 m³/s 1165 m³/s 1891 m³/s

HQ(10000) 103,6 m³/s 1405 m³/s 2245 m³/s

3. Modifizierung des Verfahrens Der erste Schritt bestand darin, die Schiefen der vorhandenen 539 Messreihen zu untersuchen. Die Verteilung der Schiefen (Abbildung 1) hatte einen Mittelwert von cs = 1,4, ein Maximum von 5,88 und ein Minimum von 0,05. Weiterhin stellte sich heraus, dass 22 der 539 Werte und damit über 4% einen größeren Wert als als cs = 4 und 9 Werte, also 1,7%, einen größeren Wert als cs = 5 besaßen. Folglich erschien es fraglich, ob eine einheitliche Maximierung der Schiefe auf cs = 4 sinnvoll ist, oder ob nicht für bestimmte Gebiete eine größere bzw. kleinere maximierte Schiefe angesetzt werden sollte.

105

60

absolute Häufigkeiten

50 40 30 20 10

5. 5

5. 1

4. 7

4. 3

3. 9

3. 5

3. 1

2. 7

2. 3

1. 9

1. 5

1. 1

0. 7

0. 3

0

Klassen der Schiefe

Abb. 1: Histogramm der Schiefen aller 539 Pegel Anschließend wurden die Einzugsgebietsgrößen der vorliegenden Pegeldaten untersucht. Dabei wurden ein Maximum von 159300 km², ein Minimum von 1,3 km² sowie ein Mittelwert von 3689 km² festgestellt. 432 der 539 Werte lagen im Bereich unter 1000 km², wodurch für große Einzugsgebietsgrößen keine Aussagen hinsichtlich eines Zusammenhangs mit der Schiefe gemacht werden konnten. Im nächsten Schritt wurden die beiden Größen Schiefe (cs) und Einzugsgebietsgröße (AE) gegeneinander aufgetragen (Abbildung 2), um auf mögliche Abhängigkeiten schließen zu können. 100000

AE [km²]

10000 1000 100 10 1 0

1

2

3

4

5

6

7

8

Schiefe c s

Abb. 2: Einzugsgebietsgröße AE zu Schiefe Gerade für die kleineren Einzugsgebiete (AE < 500 km²) wurde erkannt, dass eine größere Streuung der Schiefe bis cs = 5,8 auftritt. Dies ist auf das dynamischere Abflussverhalten kleinerer Einzugsgebietsgrößen zurückzuführen. Ab AE > 2000 km² war kein Wert größer als cs = 2,8 zu verzeichnen.

106

7 6

Schiefe cs

5 SC-Mittel SC-Max1 MW+Abw

4 3 2 1

>1

[9 0 0 0 00 0, 0 [8 9 00 500 0 [ [ 7 , 85 00 00 0 [ [ 6 , 75 00 00 0 [ [ 5 , 65 00 0 0, 0 [ [4 5 00 500 0 [ [ 3 , 45 00 00 0 [ [ 2 , 35 00 0 0, 0[ [1 2 00 500 0, [ 15 00 [ [ 0, 50 0[

0

Klassen von AE [km²]

Abb. 3: Klassen der Einzugsgebietsgrößen für AE < 10000km², SC-Mittel: Mittelwert von cs, SC-Max1: Maximaler Wert von cs, MW+Abw: Summe aus Mittelwert und Standardabweichung von cs für jede Klasse von AE

AE [km²]

Es wurden weiterhin Diagramme (Abbildung 3) betrachtet, in denen Klassen der Einzugsgebietsgrößen mit den charakteristischen Kenngrößen der Schiefe in jeder Klasse abgebildet waren. Dies führte zu einer neuen Klassifizierung der Einzugsgebietsgröße in Abhängigkeit der Schiefe cs (Abbildung 4):

100000 10000 1000 100 10 1 0

1

2

3

4

5

6

7

8 Schiefe

Abb. 4: Einzugsgebietsgröße zu Schiefe, Klassifizierung nach maximierter Schiefe Für die Gebiete mit AE < 500 km² wurde eine maximierte Schiefe von cs = 2 gewählt, für den Bereich zwischen 500 km² und 5000 km² cs = 3 und für den Bereich von AE > 5000 km² cs = 2. Es entstehen daraus zweifach Vorteile gegenüber dem ursprünglichen KLEEBERGSCHUMANN-Verfahren. Zum einen hat man für die kleineren Einzugsgebiete (AE < 500km²) mit inhomogenerem Abflussverhalten größere Sicherheiten erhalten, zum anderen liegen für mittlere Gebiete nun realistischere Werte für die extremen Abflüsse vor (RIEGER 2005). Tabelle 2 stellt beispielhaft die Ergebnisse der Berechnungen nach dem modifizierten Verfahren dar:

107

Tab. 2: Berechnung nach modifiziertem Kleeberg-Schumann-Verfahren Name Mering Kempten Donauwörth

Gew. Paar Iller Donau

AE (km²) 163,00 954,64 15092

cmax 5 3 2

k(100) 2,99 3,29 2,64

HQ(100) 47,28 m³/s 738,1 m³/s 1262 m³/s

HQ(1000) 78,56 m³/s 1017 m³/s 1606 m³/s

HQ(5000) 88,51 m³/s 1103 m³/s 1709 m³/s

HQ(10000) 112,2 m³/s 1306 m³/s 1949 m³/s

Aufgrund mangelnder Untersuchungswerte im Bereich großer Einzugsgebiete können die neuen Grenzen nur bis AE = 20000 km² als gültig betrachtet werden. Große Flüsse, wie z.B. Rhein und Elbe, sollten gesondert betrachtet werden, da diese, aufgrund ihres Abflussverhaltens, sehr unterschiedliche Schiefewerte aufweisen. Der sehr homogene Rhein hat Werte um cs = 0,5, die durch das Mittelgebirge geprägte Elbe dagegen Werte über cs = 1. Die Untersuchung der Abhängigkeit der Schiefe und der Geologie ergab keinen Zusammenhang. Es wäre jedoch interessant, weiterhin die Abhängigkeit der Schiefe mit dem mittleren Gefälle, der Landnutzung oder der Reliefenergie des Einzugsgebiets zu untersuchen.

Literatur KLEEBERG, H.-B. & A. SCHUMANN (2001): Ableitung von Bemessungsabflüssen kleiner Überschreitungswahrscheinlichkeiten mit Berichtigung. Wasserwirtschaft 91 PLATE, E.J. (1993): Statistik und angewandte Wahrscheinlichkeitslehre für Bauingenieure, Verlag für Architektur und technische Wissenschaften, Berlin RIEGER, W. (2005): Untersuchung der Abhängigkeit der Schiefe von der Einzugsgebietsgröße und der Geologie für extreme Hochwasserabflüsse. Diplomarbeit, Institut für Wasserwesen, Universität der Bundeswehr München.

108

109

Rekonstruktion extremer Niederschläge und Abschätzung ihrer Variabilität mit Hilfe numerischer Modelle Ingo Schlüter, Gerd Schädler, Christoph Kottmeier Zusammenfassung Innerhalb des RIMAX-Verbundprojektes "Operationelles Hochwassermanagement in großräumigen Extremsituationen am Beispiel der Mittleren Elbe" wird die Kopplung meteorologischer und hydrologischer Modelle im Hinblick auf den operationellen Einsatz erprobt. Diese Kopplung soll bei künftigen extremen Hochwasserereignissen zur Verbesserung des Hochwassermanagements beitragen. Am Beispiel des Elbe-Hochwassers 2002 werden erste Ergebnisse vorgestellt, die mit dem gekoppelten GME/LM-System des DWD unter Nutzung von genesteten Modellgebieten im LM erzielt wurden. Ferner wird ein Ausblick auf laufende und geplante Arbeiten, z. B. zur Abschätzung der Streubreite der Intensität von Extremniederschlägen, gegeben. 1. Überblick Anhaltende und intensive Niederschläge sind die notwendige Voraussetzung für das Eintreten extremer Hochwasserereignisse. Die detaillierte Kenntnis der Niederschlagsverteilung in ihrer Intensität und raumzeitlichen Variabilität ist daher von grundlegender Bedeutung sowohl für das vorsorgende als auch für das operationelle Hochwasserrisikomanagement. Es bietet sich an, die für die hydrologische Modellierung erforderlichen zeitlich und räumlich hoch aufgelösten Niederschlagsdaten mit meteorologischen Modellen zu berechnen, wobei alle meteorologischen Skalen, von der großräumigen (synoptischen) bis hinunter zur regionalen und lokalen Skala (Einzugsgebiet kleinerer Flüsse), simultan berücksichtigt werden müssen. Besonders auf der regionalen Skala ist zur Verringerung des „Skalensprungs“ zwischen meteorologischer und hydrologischer Modellierung sowie zur zuverlässigen Erfassung konvektiver Prozesse und orografischer Effekte eine hohe Auflösung erforderlich. Innerhalb des RIMAXVerbundprojektes „Operationelles Hochwassermanagement in großräumigen Extremsituationen am Beispiel der Mittleren Elbe“ soll unter anderem die Kopplung meteorologischer und hydrologischer Modelle bei ausgewählten, verschiedenen Extremhochwassertypen repräsentierenden Ereignissen im Hinblick auf den operationellen Einsatz erprobt werden. 2. Zielsetzung In diesem Teilprojekt des Verbundprojektes werden räumlich und zeitlich hoch aufgelöste, mit einer genesteten Version des Lokal-Modells des Deutschen Wetterdienstes simulierte Niederschlagsdaten in ausgewählten Extremsituationen bereitgestellt, die an andere Teilprojekte zur Abflussmodellierung (BÜCHELE et al. 2006) und für Folgeuntersuchungen (Retention, Deichsicherheit) verwendet werden. Die räumliche Auflösung wird 2.8 km und 1.1 km betragen (Abbildung 1). Zur Verbesserung der Bemessungsgrundlagen und Maßnahmen im vorbeugenden Hochwasserschutz innerhalb des Gesamtprojektes soll ferner mit Hilfe von Simulationen die Streubreite der Intensität von Extremereignissen untersucht werden.

110

Abb. 1: Das Modellgebiet umfasst das Einzugsgebiet der Mittleren Elbe. Die Niederschlagsvorhersagen werden mit Gitterweiten von 7, 2.8 und 1.1 km berechnet, wobei die kleineren in die jeweils größeren Gebiete genestet sind. 3. Modellvalidierung Die Modellkette wird anhand ausgewählter historischer Hochwasserereignisse (Tabelle 1) validiert. Dazu wird das Lokal-Modell nicht nur mit den vom DWD bereitgestellten GMEAnalysen betrieben, sondern auch andere Anfangs- und Randbedingungen (Reanalysedaten vom NCEP/NCAR, ERA-40 vom ECMWF), insbesondere für weiter zurückliegende Episoden, werden verwendet. Die vom Lokal-Modell verwendeten Eingabeparameter werden zusätzlich variiert sowie die Konvektionsparametrisierung bei höheren Auflösungen abgeschaltet. Die in der Fehleranalyse erprobten statistischen Methoden (WILKS 1995) werden für die Modellvalidierung angewendet. Tab. 1: Die Extremhochwasserereignisse werden nach vier Haupttypen klassifiziert, die sich nach auslösender Wetterlage unterscheiden. Typen Winterereignisse mit pluvialer Charakteristik Winterereignisse mit Schneeschmelzanteil Sommerereignisse nach Vb-Lagen Sommerereignisse nach Westlagen

ausgewählte Ereignisse 2003, 1988 2005, 1987 2002, 1997, 1981 1980

111

4. Erste Ergebnisse Erste Simulationen wurden für das Elbe-Hochwasser im August 2002 durchgeführt. Für das Einzugsgebiet der Mittleren Elbe wurde für den Zeitraum vom 10. bis zum 13.08.2002 mit dem Lokal-Modell der Niederschlag in einer räumlichen Auflösung von 2.8 x 2.8 km² simuliert (Abbildung 2). Dieser Modelllauf wurde in eine Simulation mit einer Gitterweite von 7 km genestet, für den stündliche Randwerte übergeben wurden. Die Anfangs- und Randbedingungen für den Modelllauf mit einer Gitterweite von 7 km lieferte das Global-Modell GME des Deutschen Wetterdienstes alle 6 Stunden Analysedaten. Die Niederschlagsdaten liegen in einer zeitlichen Auflösung von einer Stunde vor.

Abb. 2: Kumulierte Niederschläge im Zeitraum vom 10.08.2002 bis zum 13.08.2002 des genesteten Lokal-Modells mit einer Gitterweite von 2.8 km. Die Ergebnisse können in stündlicher Auflösung als Eingabedaten in hydrologischen Modellen zur Abflussmodellierung verwendet werden. 5. Ausblick Neben weiteren Episoden, die in die Berechnungen einfließen, werden auch neue Versionen des Lokal-Modells und des LMK (Lokal-Modell Kürzesfrist) angewendet. Für einzelne Detailbetrachtungen, insbesondere im Erzgebirgsraum, wird das Lokal-Modell auch mit einer Gitterweite von 1.1 km betrieben. Je nach Niederschlagsereignis wird die Lage des Modellgebietes in die für die Detailbetrachtungen interessanten Bereiche verschoben. Diese Modellsimulationen werden in die Rechnungen des Lokal-Modells mit 2.8 km Gitterweite genestet.

112

Für die Abschätzung der Variabilität extremer Niederschlagsereignisse werden •

die Wetterlagen in realistischen Größenordnungen relativ zur Orografie verschoben (Abbildung 3),

•

die Luftmasseneigenschaften wie Temperatur und Wassergehalt verändert, und

• der Bodenzustand (z. B. die Sättigung) modifiziert. Damit soll bestimmt werden, ob die Hochwasserereignisse bei leichter Veränderung der Wetterlage noch extremer hätten eintreten können. Dies ist insbesondere für den Schutz vor Hochwasser von grundlegender Bedeutung.

60

55

60

50

55

45

40 -10

50

-5

0

5

10

15

20

45

40 -10

-5

0

5

10

15

20

Abb. 3: Die Analyse der Streubreite der Intensität extremer Niederschlagsereignisse wird u. a. durch eine virtuelle Verschiebung der Wetterlagen relativ zur Orografie gewonnen. Zum Ende des Gesamtprojektes soll ein validiertes prä-operationelles System für die Hochwasservorsorge und das Hochwassermanagement für Extremereignisse zur Verfügung stehen.

Literatur BÜCHELE, B. et al. (2006): Hydrologische Modellierung für das operationelle Hochwassermanagement in großen Flussgebieten (Beispiel Elbe), Forum für Hydrologie und Wasserbewirtschaftung, 15, Hrsg. Fachgemeinschaft Hydrologische Wissenschaften WILKS, D. S. (1995): Statistical Methods in the Atmospheric Sciences, Academic Press, Inc., London

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Die Informationsplattform Undine als Hilfsmittel für die Einordnung, Bewertung und Dokumentation hydrologischer Extreme Daniel Schwandt, Martin Keller, Peter Krahe, Klaus Wilke, Peter Heininger Zusammenfassung Um aktuelle hydrologische Extreme (Hochwasser, Niedrigwasser) besser einordnen und bewerten zu können, werden in der Informationsplattform Undine für einen überregionalen Überblick Fachleuten und interessierten Laien historische Vergleichsdaten und aktuelle Daten an ausgewählten Pegeln bzw. Gewässergütemessstellen bereitgestellt. Einzelinformationen der Bereiche Hydrometeorologie, quantitative Gewässerkunde und qualitative Gewässerkunde werden im Sinne eines ganzheitlichen Verständnisses des Themenkomplexes „hydrologische Extreme“ miteinander verknüpft. Je nach Datenlage werden Detailinformationen über historische Extremereignisse (auch aus der vorinstrumentellen Zeit) sowie Verweise auf Berichte, Datensammlungen und weiterführende Informationen präsentiert. Für das Pilotgebiet Elbe wird der aktuelle Entwicklungsstand dargestellt und diskutiert. 1. Einleitung Außergewöhnliche Hochwasserereignisse und extreme Niedrigwasserphasen sind mit einem erhöhten Informationsbedarf der Öffentlichkeit verknüpft. Plötzlich sind Nachrichtenredaktionen, Anwohner und Politiker am hydrometeorologischen Zustand im Einzugsgebiet, an Wasserständen und Durchflüssen sowie der hygienischen und stofflichen Belastung interessiert und von den Ereignissen teilweise auch direkt betroffen. Schon bei ‚kleinen’ Hochwasserereignissen ist der Abruf von Informationen von der Webpräsenz der Bundesanstalt für Gewässerkunde (BfG) in etwa proportional zum Anstieg des Wasserstandes (Abbildung 1).

Abb. 1: Abrufe auf dem Server www.bafg.de vs. Wasserstand des Pegels Koblenz beim ‚Märzhochwasser 2006‘. (dargestellter Zeitraum: Samstag, 4.3. bis Sonntag, 19.3.2006) Eine Bewertung und Einordnung aktueller hydrologischer Extreme erfolgt zumeist durch den Vergleich mit historischen Extremen bzw. aus langjährigen Zeitreihen abgeleiteten Kennwerten. Um die Einordnung und Bewertung aktueller Hochwasser- bzw. Niedrigwasserereignisse zu erleichtern, werden für einen überregionalen Überblick historische Vergleichsdaten und aktuelle Daten ausgewählter Gütemessstellen bzw. Pegel in der netzbasierten

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Informationsplattform Undine bereitgestellt. Die Informationsplattform Undine wird seit 2004 innerhalb des Projektes „Verbesserung der Datengrundlage zur Bewertung hydrologischer Extreme“ im Auftrag des Bundesministeriums für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit (BMU) an der BfG entwickelt. Pilotgebiet für die Datenaufbereitung und technische Umsetzung der Informationsplattform ist das Einzugsgebiet der Elbe. Es werden überregional bedeutsame Hochwasser- bzw. Niedrigwasserereignisse betrachtet. Für die Elbe bedeutet das z.B. eine Betrachtung von Ereignissen im Elbestrom und den großen Nebenflüssen (Schwarze Elster, Mulde, Saale, Havel). 2. Undine – ein Informationssystem für hydrologische Extreme Hydrologische Informationssysteme erlauben mit ihren Bestandteilen Daten, Methoden und Modelle, grafische Aufbereitung und Metainformationsschnittstellen die zeitliche und räumliche Dimension der mit dem Wasserkreislauf verbundenen Randbedingungen zu erfassen, zu analysieren und darzustellen (HEINRICH & KERN 2000). Nach ASCHWANDEN & WEINGARTNER (2000) können drei Systemebenen unterschieden werden: 1. Informationssysteme als Werkzeug zur Datenabfrage und Datenvisualisierung (für die breite hydrologisch interessierte Öffentlichkeit, für Verwaltungen) 2. Expertensysteme als dynamisches Werkzeug mit Modellmodulen (häufige Realisierung als Entscheidungsunterstützungssystem [DSS]) (für einen beschränkten Nutzerkreis, für Fachleute) 3. dynamische Informationssysteme mit online-Abfragen und der Möglichkeit einer interaktiven Auswertung (ohne Modellmodule) (eine Zwischenstufe von 1 [Visualisierungssystem] und 2 [Expertensystem]). In der derzeitigen Entwicklungsphase 1 werden im Rahmen der Informationsplattform vorrangig Aspekte der Datenabfrage und –visualisierung realisiert. Für interessierte Laien werden zusätzlich zu Erläuterungen zu Diagrammen kompakt aufbereitete Basisinformationen zu den Bereichen qualitative Gewässerkunde, quantitative Gewässerkunde und zur Hydrometeorologie bereitgestellt. Die Entwicklungsphase 2 wird Aspekte einer interaktiven Auswertung und frei konfigurierbarer Datenabfragen und -visualisierungen aufnehmen, so dass die Informationsplattform Undine künftig in Richtung eines dynamischen Informationssystems ausgebaut wird. Zielgruppen der Informationsplattform Undine sind sowohl interessierte Laien als auch Fachleute. Im Gegensatz zum Informationssystemen ELBIS, das ausschließlich die Gewässerqualität der Elbe darstellt (FRANK et al. 2003), fokussiert die Informationsplattform Undine auf die hydrologischen Extreme Hochwasser und Niedrigwasser aus den kombinierten Sichtweisen der Fachgebiete Hydrometeorologie, qualitative und quantitative Gewässerkunde. Schwerpunkt ist die einheitliche überregionale Aufbereitung historischer Daten der Gewässerbeschaffenheit und der Wassermenge. Störfälle bzw. Havarien, die mit einer Einleitung von wassergefährdenden Stoffen verbunden sind, werden nicht betrachtet. Auf weiterführende Informationen zum Thema Störfälle (Alarmpläne, etc.) wird jedoch verwiesen. Ebenso erfolgt ein Verweis auf Informationen der Hochwasserzentralen der Länder bzgl. aktueller Hochwasserwarnungen sowie Wasserstandsvorhersagen.

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3. Technische Realisierung Die Nutzeroberfläche wurde mit HTML und Javascript programmiert. Auf Plugins oder Applets wurde im Sinne einer möglichst einfachen Nutzung verzichtet. Der Raumbezug von Pegeln bzw. Gütemessstellen wird bei der Auswahl mittels verweissensitiver Karten zur intuitiven Navigation genutzt. Durch die Kombination von Javascriptfunktionalitäten mit verweissensitiven Karten können z.B. aktuelle Pegelinformationen in ‚Tooltipfenstern’ präsentiert werden oder auch Gebiete entsprechend einer Klassifizierung der Gebietsniederschläge eingefärbt werden. Die Nutzung von Internetkartenservern und Geoinformationssystemen bei der Datenpräsentation ist somit entbehrlich. Die Aufbereitung von Daten auf dem Server erfolgt mit AWK unter einer LINUX-Umgebung. Die Visualisierung ausgewählter Inhalte (z.B. Wasserstand/Durchfluss der letzten 31 Tage) durch die automatisierte Erstellung von Diagrammen ist mit AWK und gnuplot realisiert. Eine Aktualisierung dieser Diagramme erfolgt stündlich. Alle Diagramme werden auf dem Server als statische Grafiken vorgehalten. Diese Vorgehensweise kombiniert den Vorteil eines schnellen Abrufes mit einer geringen Serverlast. 4. Inhalt und Struktur der Informationsplattform Undine Für jedes Flussgebiet kann über ein Auswahlmenü der verweissensitiven Karte der direkte Sprung zu den Bereichen Stammdaten / historische Daten, historische Extremereignisse sowie aktueller Zustand erfolgen (Abbildung 2).

Abb. 2: Startseite der Informationsplattform Undine Über eine Karte des Flussgebietes ist die Auswahl einzelner Pegel oder Gütemessstellen möglich. Für ausgewählte Pegel werden z.B. Stammdaten zur Lage des Pegels, Wasserstand und Durchfluss der letzten 31 Tage, gewässerkundliche Hauptwerte (z.B. MNQ, MQ,

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MHQ), der Durchflusswert und eine Grafik des Durchflussverlaufes der 10 extremsten historischen Hochwasser- und Niedrigwasserereignisse der verfügbaren Datenreihe, die aktuelle Abflusstafel und Informationen zur Historie des Pegels angegeben. Für ausgewählte Gütemessstellen werden ebenfalls Stammdaten angegeben. Für diverse Kenngrößen, die über Auswahllisten wählbar sind, können Grafiken angezeigt werden, die die Dynamik der Messwerte über mehrere Jahre oder Einzeljahre widerspiegeln und von allgemeinverständlichen Erläuterungstexten begleitet sind. Historische Extremereignisse im Flussgebiet werden in Ereignisse im Hauptstrom (und Nebenflüssen) und Ereignisse in Nebenflüssen eingeteilt. Es werden auch Ereignisse aus der vorinstrumentellen Zeit aufgeführt. Zu den historischen Hochwasser- bzw. Niedrigwasserereignissen werden kompakte Detailinformationen (hydrometeorologische Situation, Wellenablauf, Schadensbilanz, hygienische und stoffliche Belastung) präsentiert, die durch die Verknüpfung zu Berichten unterschiedlicher Institutionen und (soweit vorhanden) detaillierten Ergebnissen von ‚Sondermessprogrammen Gewässergüte‘ ergänzt werden. Bei Hochwasser oder Niedrigwasser werden an ausgewählten, überregional bedeutsamen Pegeln auf Grundlage von Daten der Wasser- und Schifffahrtsverwaltung (WSV) der aktuelle Wasserstand, Durchfluss und die Tendenz der letzten vier Stunden bis zum aktuellen Messwert angegeben. Über eine fünfstufige durchflussbezogene Klassifizierung erschließt sich aus der farblichen Markierung der Pegel der aktuelle Zustand im Flussgebiet auf einen Blick. 5. Ausblick Die weitere Entwicklung der Informationsplattform und die Verknüpfung zu bereits bestehenden Informationsangeboten erfolgen in enger Abstimmung mit Landes- und Bundesbehörden, den Flussgebietsorganisationen und dem Auftraggeber. Ab Frühjahr 2006 wird die Informationsplattform Undine unter http://www.bafg.de/servlet/is/10886/ zugänglich sein. Als thematische Erweiterung ist geplant, Ergebnisse von abgestimmten ‚Sondermessprogrammen Güte‘, die von Länderbehörden und weiteren Akteuren im Flussgebiet erhoben werden, zeitnah in der Informationsplattform bereitzustellen. Diese Sammlung von zeitlich hochaufgelösten Messwerten der Gewässerbeschaffenheit wird archiviert und als Erfahrungsschatz für kommende Hochwasserereignisse verfügbar sein. Die Bearbeitung der Einzugsgebiete der grenzüberschreitenden Flüsse Oder, Rhein und Donau schließt sich an die Umsetzung der Informationsplattform Undine für das Pilotgebiet Elbe an. Literatur ASCHWANDEN, H. & R. WEINGARTNER (2000): Hydrologische Informationssysteme in der Schweiz. – In: GIS-gestützte hydrologische Kartenwerke in Mitteleuropa – Beiträge zum internationalen Workshop vom 12.-14.10.1999 in Koblenz. BfG-Mitteilungen Nr. 21. Hrsg. Bundesanstalt für Gewässerkunde, Koblenz, S. 79-87 FRANK, B. et al. (2003): ELBIS, an Internet Information System on the Water Quality of the River Elbe. – Acta hydrochim. hydrobiol. 31, H. 4-5, S. 275-281 HEINRICH, B. & F.-J. KERN (2000): Hydrologische Informationssysteme für Umweltverwaltung, Wasserwirtschaft und Forschung auf Bundes- und Länderebene. –Wasser & Boden 52, H. 3, S. 4-8

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Extreme Hochwasserabflüsse und Kumul-Schadenspotenziale im Bodegebiet Teilprojekt 2: Downscaling kontinuirlicher Niederschläge Eberhard Reimer, Sahar Sodoudi Zusammenfassung Ziel des Projektes ist Erstellung von lokalen Klimareihen für hydrologische Modelluntersuchungen im Bodegebiet für die letzten 1000 Jahre im Skalenbereich von 5 km sowie die Abschätzung der räumlichen Verteilungen und zeitlichen Variabilitäten der Niederschlagsaktivität, der Niederschlagsmenge und weiterer Meteorologischer Parameter (Temperatur, Wind, Strahlung und relative Luftfeuchte) für das Bodegebiet. Methodisch wird an die Untersuchung des BMBF-Projektes GLOWA-ELBE angeknüpft, in dem ein statistisch/ dynamisches Vorgehen zur Erfassung der Witterung entwickelt und verwendet wurde. Basis bilden die vorhandenen Daten aus dem Langzeitlauf des globalen Klimamodells ECHO. Für bestimmte Zeitscheiben (40 Jahre) erfolgt ein dynamisches Downscaling mit dem Modell REMO und weiterer lokaler statistischer Modelle. Das GCM-Modell (ECHO) hat eine Auflösung von 400 km. Im Bodegebiet liegt ein Modellpunkt. Das Regionale Klimamodell REMO hat eine Gitterauflösung von ca. 50 und 10 km und im Bodegebiet liegen 4, 12 Modellpunkte. Um kontinuierliche 1000-jährige Reihen räumlich hoch aufgelöster Niederschläge zu erhalten, werden die REMO Ergebnisse mit Hilfe eines Neurofuzzy-Ansatzes in Beziehung zum ECHOOutput gebracht. Für die lokalen Neurofuzzy-Modelle werden zusätzlich zum REMO die beobachteten Niederschläge, Temperatur, Feuchte, Großwetterlagen und ein Zirkulationsindex verwendet. 1.1 Methode In diesem Teilprojekt wurden für das „Downscaling“ der Klimamodellergebnisse von ECHO/REMO Fuzzy-Modelle verwendet. Fuzzyverfahren sind in der Lage nichtlineare, auch unbekannte Prozesse approximativ zu beschreiben, indem ein dem Neuronalen Netz vergleichbares Regelwerk bestimmt wird, das über unscharfe Einzelbeziehungen einen Prozess beschreibt. Das Fuzzy Inference System (FIS) besteht aus 5 Phasen: der Fuzzyfizierung der Eingaben, der Verwendung der Fuzzy-Operatoren, der Anwendung der Implikationsmethoden, der Aggregation aller Ausgaben und der Defuzzyfizierung. In der ersten Phase werden die unscharfen Zugehörigkeitsfunktionen für die erklärenden Variablen bestimmt. Jedem speziellen Wert wird über diese empirischen Funktionen ein Zugehörigkeitsgrad zwischen 0 und 1 zugeordnet. Die Zugehörigkeitsfunktionen: ƒ beschreiben unscharfe Untermengen der Prozesswerte, ƒ sind über der Werteskala verteilte überlappende Teilmengen, die den Wertebereich vollständig beschreiben ƒ ermöglichen die Transformation der Beobachtungswerte in Zugehörigkeitsgrade zwischen 0 und 1 und somit eine Normierung für den Vergleich unterschiedlicher Daten. Für das „Downscaling“ wurde die Fuzzy Logik Toolbox von MATLAB verwendet. Man kann innerhalb der Fuzzy Logik Toolbox die Form der Zugehörigkeitsfunktionen für die Regelfin-

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dung und Anwendung vorgeben. Im einfachsten Fall werden Dreieckfunktionen verwendet. Die Regeln zwischen den gegebenen Parametern werden durch Clusterverfahren erstellt. Innerhalb der Toolbox kann entweder Sugeno Fuzzy oder der C-means Algorithmus verwendet werden. Sugeno Fuzzy bietet einen schnellen Algorithmus zum Schätzen der optimalen Anzahl der Cluster und der Clusterzentren. Dabei wird ein automatisches Lernverfahren, entsprechend neuronalen Netzen, verwendet. Die Beziehungen zwischen den Clusterteilnehmern ergeben die unscharfen Regeln. Sie können auch hierarchisch aufgebaut werden. Die exakte Eingabe wird mit Zugehörigkeitsgraden unscharf und die Ergebnisse und Schlussfolgerungen, die zunächst auch als Zugehörigkeitsgrade unscharf gegeben sind, werden mit Schwerpunktverfahren in exakte Zahlen umgewandelt. In diesem Teilprojekt wird das Neuro Fuzzy Verfahren für die Regelfindung zwischen den ECHO- und Remo-Daten sowie zwischen den REMO-Daten und Beobachtungen verwendet. Die Daten werden zeitlich in Lern- und Test-Daten unterteilt. Während der Lernphase werden Regeln entworfen, die den Zusammenhang zwischen den verwendeten Inputdaten und den jeweils vorherzusagenden Klimaparametern (Output) beschreiben. Hierzu müssen beide Datensätze, d.h. Input und Output zunächst bekannt sein. Innerhalb der Testphase wird überprüft, wie gut das „trainierte“ Fuzzy-Inferenzsystem (FIS) das betrachtete System beschreiben kann. Das erstellte Modell wird mit Testdaten geprüft. Der Output wird dann mit realen Beobachtungsdaten verglichen. Beide Bearbeitungsphasen, d.h. Lern- und Testphase setzen bekannte Beobachtungsdaten voraus. Das Screening steht am Anfang der Modellerstellung. Hier werden aus allen zur Verfügung stehenden Inputparametern vier Parameter ausgewählt, die sich am besten für die Prognose des jeweils betrachteten Klimaparameters eignen. Die Auswahl der besten Kombination erfolgt dabei sequentiell. Um entscheiden zu können, welche Parameter die Besten sind, werden die beiden Fehlermaße Lern- und TestFehler berechnet. Der Lern-Fehler ist der Fehler zwischen Modelloutput und der Beobachtung während der Lernphase. Dagegen ist der Test-Fehler der Fehler zwischen dem Modelloutput und der Beobachtung während der Testphase. Um die Anzahl der Fuzzy-Regeln zu reduzieren wurden die Stationen in verschieden Gruppen unterteilt. Der mittlere Jahresgang wurde als Mittel für die Klassifikation der Stationen ausgewählt, weil er die Charakteristik des Niederschlags beschreibt. Abbildung 1 zeigt die verwendete Datensätze sowie die Verfahren.

119

Abb. 1: Modellsystem zur Erstellung lokaler Niederschlagszeitreihen im Bodegebiet

1.2 Klassifikation der Stationen Hierzu war es zunächst notwendig, den mittleren Jahresgang der beobachteten Niederschläge zu bestimmen, um die Stationen klassifizieren zu können. Die einzelnen Jahresgänge der Zeitreihen wurden über eine Tiefpassfilterung ermittelt. Der Vorteil dieser Filterungsart liegt darin, dass relativ kurze Perioden unterdrückt und relativ lange Perioden hervorgehoben werden (SCHÖNWIESE 1985). In der praktischen Durchführung erfolgte die Filterung der Zeitreihe ai symmetrisch (d.h. symmetrische Anordnung der Werte der Filtergewichte gegenüber dem „Zentralgewicht“ w0) nach folgendem Rechenformalismus:

a~ j =

+m

∑w

k =− m

k

⋅ ai + k

mit: i = 1, ....,n; k = -m, -m+1, ...,0,1, ...,m; j=1, ...,n-2m n... Länge der Zeitreihe täglicher Mittelwerte

Hierbei stellen wk nach Gauß verteilte Filtergewichte dar. Um die Zeitreihen möglichst so zu glätten, dass Perioden kleiner als einen Monat nicht mehr in den Zeitreihen enthalten sind, wurde die Zahl der Filtergewichte auf m=18 festgesetzt. Nachdem mit Hilfe der Gaußschen Tiefpassfilterung für jede Klimareihe die Jahresgänge pro Jahr ermittelt wurden, konnten dann, auf der Grundlage dieser geglätteten Reihen, über eine einfache arithmetische Mittelung die mittleren Jahresgänge berechnet werden.

120

Die Abbildungen 2 (1a-3) zeigen den mittleren Jahresgang für ausgewählte Stationen im Bodegebiet. Der mittlere Jahresgang der 36 Stationen zeigt die in der Abbildung 2 (1a) dargestellte Charakteristik. Die Stationen mit Niederschlagsmaximum im Sommer liegen in der Gruppe 1a. Die Gruppen 1b, 1c und 1d, die 10, 35 und 3 Stationen enthalten, zeigen auch die gleiche Charakteristik wie die Gruppe 1a (Sommermaximum). Der einzige Unterschied zwischen den Gruppen ist die Anzahl und die Stärke der ausgeprägten Maxima. Abbildung 2 (2) zeigt den mittleren Jahresgang für die Stationen, die in der Gruppe 2 liegen. An diesen Stationen taucht das Niederschlagsmaximum im Winter auf und sie haben eine vollkommen andere Charakteristik als die Gruppen 1(a, b, c, d). Die Gruppe 3, die 13 Stationen enthält, ist die einzige Gruppe, deren mittlerer Jahresgang ein Sommer und ein Wintermaximum hat.

1a

1d

1b

2

1c

3

Abb. 2: Klassifikation der Stationen in Bodegebiet. Die Abbildungen zeigen den mittleren Jahresgang (über 30 Jahre 1970-2000) für jede Gruppe. Manche Stationen haben ihre eigene Charakteristik und man kann sie keiner Gruppe zuordnen. Diese Stationen wurden als Einzelstationen definiert. Gruppen 4, 5, 6, 7und 8 enthalten jeweils nur eine Station. An den Einzelstationen fluktuiert der Niederschlag und sie zeigen zum Teil mehr als 3 Maxima im Jahr. Die Abbildung 3 zeigt die geographische Lage der Stationen im Bodegebiet. Die roten Punkte zeigen die Stationen der Gruppe 1. Wie man der Abbildung entnehmen kann, sind die Stationen der Gruppe 1 auf dem Flachland verteilt. Die mittlere Höhe der Stationen beträgt 171.7 m. Die mit grün eingezeichneten Stationen sind in Gruppe 2 liegende Stationen (mit Wintermaximum). Sie liegen alle im Harz und die mittlere Stationshöhe der Gruppe 2 beträgt 542.4 m. Die in der Gruppe 3 liegenden Stationen wurden mit blau eingezeichnet. Diese Stationen zeigen Winter und Sommermaximum und liegen um den Harz herum mit einer mittleren Stationshöhe von 385.91m. Die Einzelstationen liegen alle am Harz und die hohe Fluktuation des Niederschlags könnte durch den Stauniederschlag auf der Luvseite des Gebirges induziert werden. Nachdem die Stationen klassifiziert wurden, werden die besten Prädiktoren für das Niederschlagsdownscaling durch Screening bestimmt.

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Abb. 3: Die geographische Lage der Stationen im Bodegebiet. 1.2.1 weitere Arbeitsschritte - Bestimmung der besten Prädiktoren durch Screening - Entwicklung von NeuroFuzzy-Modellen zwischen REMO und Beobachtungen - Entwicklung von NeuroFuzzy-Modellen zwischen ECHO und REMO - Erzeugung langer Zeitreihen des Niederschlags und zusätzlicher Parameter

Literatur BISSOLLI, P. & E. DITTMANN (2003): Objektive Wetterlagenklassen. Klimastatusbericht des DWD 2002. CONWAY, D. (1998): Recent climate variability and future climate change scenarios for Great Britain. Progress in Physical Geography 22(3), 350-374 (R) ENKE, W. (2001): Regionalisierung von Klimamodell-Ergebnissen des statistischen Verfahrens der Wetterlagenklassifikation und nachgeordneter multipler Regressionsanalyse für Sachsen, Abschlussbericht, Sächsisches Landesamt für Umwelt und Geologie, Januar 2001. MATULLA, C. et al. (2002): Empirisches Downscaling- Überblick und zwei Beispiele. Beitrag für den Klimastatusbericht des DWD. REIMER, E. & S. SODOUDI (2005): Klimaprognose der Temperatur, der potenziellen Verdunstung und des Niederschlags mit NEURO-FUZZY-Modellen, Auswirkungen des globalen Wandels auf Wasser, Umwelt und Gesellschaft im Elbegebiet, Band 6, 96109. SODOUDI, S. (2001): Ozonprognose mit Neurofuzzy, Freie Universität Berlin, Troposphärische Umweltforschung, Abschlussbericht, Februar 2001. WILBY, R.L. & T.M.L. WIGLEY, (1997): Downscaling general circulation model output: a review of methods and limitations. Progress in Physical Geography, 21, 530-548.

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Gekoppelte Modellierung der Interaktion von Grundwasser mit Hochwasser und Kanal-Abfluss Thomas Sommer, Katja Eulitz Zusammenfassung Das Hochwasserereignis der Elbe im Jahre 2002 hat gezeigt, dass neben den oberirdischen Flutereignissen auch die Prozesse der unterirdischen Wasserausbreitung zur Schadenserhöhung geführt haben. Für die Interaktion zwischen Oberflächenwasser und Grundwasser sowie zwischen Oberflächenwasser und Kanalisation existieren derzeit einzelne modelltechnische Lösungen, die für die Simulation von Überflutungsszenarien bisher Anwendung fanden. Die Entwicklung eines Modellierungswerkzeuges zur gemeinsamen Abbildung der Interaktion zwischen den drei Komponenten Oberflächenwasser, Abfluss in der Kanalisation und Grundwasser soll anhand des Pilotstandortes Dresden zu Lösungsstrategien für die Gestaltung und Sicherung der unterirdischen Infrastrukturnetze und zum Management von Grundhochwasser führen. Ein erster Schritt für die Entwicklung der Modellkopplung ist die Erstellung eines generischen Testmodells, das alle räumlichen Verknüpfungen zwischen den Einzelmodellen abbildet. Die Definition der relevanten Wasserflüsse und der Kopplungszeiträume sind Inhalt der Prozessanalyse, die eine weitere wesentliche Vorarbeit der Kopplung darstellt. Das Grundwassermodell muss durch Aufbau von Modelllupen und Modifizierungen von Randbedingungen für die Modellkopplung angepasst werden. 1. Problemstellung Die Hochwasserereignisse der vergangenen Jahre haben auf Grund der Wertkumulation wesentliche Schäden in den urbanen Gebieten verursacht. So sind mit ca. 1 Mrd. € Schäden während des Augusthochwassers 2002 ca. 10 % der Gesamtschadenssumme Deutschlands allein in der sächsischen Landeshauptstadt Dresden angefallen. Für die Landesliegenschaften des Freistaates Sachsen sind 16 % der Schäden auf Einwirkungen des Grundwassers zurückzuführen, insgesamt 45 % der Schäden gingen auf die Wirkung von Grundwasser und Wasser aus der Kanalisation zurück (HUBER 2003). Das Hochwasserereignis der Elbe im Jahre 2002 hat gezeigt, dass neben den oberirdischen Flutereignissen die Prozesse der unterirdischen Wasserausbreitung mit der Aufnahme und Verteilung von Oberflächenwasser im Grundwasser, Aufstau des aus dem Hinterland dem Vorfluter zuströmenden Grundwassers und Verteilung des Oberflächenwassers über Infrastrukturbauwerke wie Abwasser- und Heizkanalisation in Gebiete, die außerhalb des direkten Überschwemmungsgebietes liegen zur Schadenserhöhung geführt haben. Für die Modellierung der Interaktion zwischen Oberflächenwasser und Grundwasser sowie zwischen Oberflächenwasser und Kanalisation existieren derzeit einzelne modelltechnische Lösungen, die für die Simulation von Überflutungsszenarien bisher Anwendung fanden. Für die gemeinsame Abbildung der Interaktion der drei Komponenten Oberflächenwasser, Kanalisation und Grundwasser besteht jedoch ein Defizit, das sich auf eine adäquate Nachbildung

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von Hochwasserereignissen und der Ableitung eines geeigneten Hochwasserrisikomanagements auswirkt. Für die instationäre Grundwassermodellierung sind hinreichend validierte Werkzeuge (Simulatoren) generell vorhanden. Die bisherigen Arbeiten zur Grundwassermodellierung im Hochwasserfall im Stadtgebiet von Dresden haben jedoch gezeigt, dass zur Abbildung der Volumenströme, die sich durch die Überflutung und die Ausbreitung über Kanalisation einstellen, neue Wege zur Generierung von Randbedingungen für die Berechnung der Grundwasserströmung erfordern. Dies betrifft sowohl die dynamische Gestaltung der Randbedingung Oberflächengewässer als auch die Definition einer Randbedingung, die durch den mit hoher Dynamik über die Abwasserkanalisation ablaufenden Prozess der Wasserverteilung erforderlich ist. 2. Modellkopplung 2.1 Strategie Die Strategie der Modellkopplung besteht darin, dass vorhandene Modelle für die Bereiche Überflutung, Kanalisation sowie Grundwasser genutzt und miteinander gekoppelt werden (Abbildung 1). Für die 2-dimensionale Berechnung der Überflutung, die gleichzeitig als Randbedingungen für das Grundwassermodell wirkt, wird das Programm Oberflächenwasserabflussmodell TrimR2D (FULFORD 2003), das auf der Flachwassergleichung beruht, genutzt. Die Abflüsse im Kanalnetz werden mit dem hydrodynamischen Kanalnetzmodell auf der Basis von HYSTEM-EXTRAN (ITWH) berechnet. Als Simulationssoftware für das Grundwasser kommt PCGEOFIM (SAMES & BOY 2005), das nach dem Finite-VolumenAnsatz arbeitet, zum Einsatz. In zwei Detailgebieten, in denen lokale Fragestellungen zur Auswirkung von Überflutungen auf das Grundwasser und Rückkopplungseffekte mit der Kanalisation zu untersuchen sind, wird die Kopplung zwischen dem Abflussmodell RisoSurf (FhG-ITWM), dem Kanalnetzmodell HAMOKA und PCGEOFIM vorgenommen. Die Kopplung der Einzelinstanzen wird über die Kopplungssoftware MpCCI (FhG-SCAI) realisiert. Diese bestimmt die geometrischen Nachbarschaften zwischen den inkompatiblen Gittern, bildet die physikalischen Größen aufeinander ab und sorgt für den notwendigen Datenaustausch zwischen den Programmen unter Berücksichtigung unterschiedlicher Zeitbezüge.

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TrimR2D RisoSurf

HYSTEM-EXTRAN HAMOKA

MpCCI

PCGEOFIM

Abb. 1: Schema der Modellkopplung. Die Abb. 2: Einzelmodule werden über eine Kopplungssoftware (MpCCI) miteinander verknüpft.

Generisches Testmodell der räumlichen Zuordnung der Einzelkomponenten Grundwassermodell, Kanalnetzmodell und Überflutungsmodell.

2.2 Generisches Testmodell Die Kopplung wird zunächst an einem generischen Modell getestet. In diesem Testmodell sind alle räumlichen Verknüpfungen zwischen den Einzelmodellen abzubilden. Das betrifft die Zuordnung der Gitter zwischen Überflutungsmodell und Grundwassermodell, der Zuweisung der Übergabepunkte zwischen Kanalnetz- und Überflutungsmodell sowie die räumliche Zuordnung der Kanalisation im 3-dimensionalen Grundwassermodell. In Abbildung 2 ist das Testmodell, aufgelöst in die drei Einzelmodelle dargestellt. Die Überflutung umfasst Teile eines Seitentals und eine abflusslose Senke. Die Kanalisation verläuft unterhalb und außerhalb des Überflutungsbereiches. Im Grundwassermodell sind vor allem die oberen Schichten mit einer hohen vertikalen Auflösung abzubilden, da in diesen Schichten – jedoch nicht schichtkonform - die Kanalisation verläuft und die wesentlichen Austauschprozesse zwischen Kanalisation und Grundwasser stattfinden. 2.3 Prozessanalyse Voraussetzung für die Kopplungsarbeiten ist eine Prozessanalyse der Wasserflüsse und der zeitlichen Zuordnung der Prozesse. Die Definition der relevanten Wasserflüsse zwischen den Kompartimenten Überflutung, Kanalisation und Grundwasser ist in Abbildung 3 dargestellt. Hierbei sind verschiedene Systemzustände in Abhängigkeit vom Überflutungsgeschehen zu berücksichtigen. Die Randbedingungen (Zu-/Abflüsse) werden von den jeweiligen Einzelmodulen separat verarbeitet. Ein zweiter Schritt ist die Festlegung der Kopplungszeiträume. Diese bestimmen sich nach dem Überflutungsgeschehen. Für das Pilotgebiet Dresden wird der Austausch zwischen Überflutungsmodell und Grundwassermodell auf Grund der hydraulischen Verhältnisse ab einem Elbewasserstand von 5 m (Pegel Dresden) aktiv, während der Austausch zwischen Kanalnetzmodell und Grundwassermodell abhängig vom Grundwasserstand ist. In Abbildung 4 ist der zeitliche Verlauf der Kopplung am Beispiel der Elbeganglinie vom Juli 2002 bis Februar 2003 dargestellt.

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Abb. 3: Relevante Wasserflüsse und Überga- Abb. 4: begrößen, die bei der Kopplung zwischen Kanalnetzmodell, Überflutungsmodell und Grundwassermodell zu berücksichtigen sind.

Kopplungszeiträume. Das Überflutungsgeschehen bestimmt die Austauschzeiträume mit dem Grundwassermodell (Elbeganglinie am Pegel Dresden).

3. Grundwassermodell Das bestehende Grundwassermodell der Stadt Dresden umfasst mit einer Zellengröße von 100x100 m in einer Modellschicht 30843 Zellen; das Modell ist in 9 Modellschichten aufgebaut. Der Einbau von Modelllupen dient der detaillierteren räumlichen Zuordnung der Fließgewässer-Randbedingung und der Übergabegrößen (Abbildung 5). Für Mittelwasserverhältnisse arbeitet das Grundwassermodell mit einer Q-gesteuerten Randbedingung „Fluss“ (modifizierte RB 3. Art mit h = f(QGW) + QOberlauf +QZufluss), die Anfangswasserstände, Schlüsselkurven und Flussprofile berücksichtigt und eine Durchbilanzierung der Fließgewässer gewährleistet. Dieser Randbedingung wird durch die Kopplung im Überflutungsfall die Wasserspiegelhöhe aus dem Oberflächenwasserabflussmodell zugewiesen. Für die Kopplung ist außerdem die temporäre Versickerung in der ungesättigten Zone unter Überflutungsflächen zu berücksichtigen.

Abb. 5: Aufbau von Modelllupen im Grundwassermodell und Wechsel der Randbedingung im Überflutungsfall.

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Danksagung: Die Arbeiten werden gefördert vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) durch das Verbundprojekt „Entwicklung eines 3-Zonen-Modells für das Grundwasser- und Infrastrukturmanagement nach extremen Hochwasserereignissen in urbanen Räumen (3ZMGRIMEX)“ - FKZ: 02 WH 0557. Verbundpartner sind das DGFZ, die TU Dresden, die Fraunhofer-Institute ITWM und SCAI und sowie das UFZ (Dept. f. Angewandte Landschaftsökologie) und die Landeshauptstadt Dresden (Umweltamt).

Literatur FULFORD, J. M. (2003): Computational Technique and Performance of Transient Inundation Model for Rivers—2 Dimensional (TRIM2RD): A Depth-Averaged Two-Dimensional Flow Model. U.S.G.S. Open-File Report 03-371 HUBER, G. (2003.): Konzepte de Hochwasserschutzes für die Bauten des Freistaates Sachsen im historischen Stadtkern von Dresden. – In: Landeshauptstadt Dresden (Hrsg.): Hochwassernachsorge Grundwasser Dresden. Tagungsband zum Status-Seminar am 8. Oktober 2003. S. 57-62. SAMES, D. & S. BOY (2005): PCGEOFIM. – Anwenderdokumentation. IBGW Leipzig, 2005.

128

129

Methodenentwicklung zur verbesserten Vorhersage von extremen Hochwasserscheitelabflüssen auf Basis historischer Daten Konrad Thürmer, Hans-Peter Hack, Karl-Heinz Pörtge, Karl Tilman Rost, Georg Spanknebel, Mathias Deutsch, Roy Holzhey Die durch unsere Kooperationspartner zur Verfügung gestellten transkriptierten und maßeinheitlich umgerechneten Daten wurden zunächst einer Plausibilitätskontrolle unterzogen. Dabei bestätigte sich die im Vorfeld getroffene Vermutung, dass die Wasserstandsmessungen beim Auftreten extremer Hochwasserereignisse nicht während des genauen Scheiteldurchgangs durchgeführt, sondern davor oder danach aufgezeichnet wurden. Demnach liegen die Messwerte nicht auf der stationären Wasserstands-Durchfluss-Kurve, sondern auf der sich für jedes Hochwasserereignis individuell einstellenden instationären Abflussschleife im ansteigenden Ast darüber und im abfallenden Ast darunter. (siehe Abbildung 1)

270 250

Wasserstand [cm]

230 210 190 170 150 130 110

28.02.1871

25.

22.

19.

16.

13.

10.

07.

04.

01.02.1871

90

Abb. 1: Ganglinie Pegel Sachsenburg im Februar 1871 Eine Rückrechnung auf den stationären Fall ermöglichten zum einen die im 19. Jahrhundert durchgeführten Wasserspiegelnivellements und andererseits einzelne Pegelabmessungen mit den dazugehörigen Hochwasserscheitelmarken bzw. -einmessungen an Wehren und Brücken. Anhand historischer wasserbaulicher Bestands- bzw. Planungsunterlagen, entsprechend Abbildung 2, ließen sich die Abmessungen der Bauwerke zur damaligen Zeit hinreichend genau rekonstruieren. Somit war die Grundlage zur Berechnung der entsprechenden Scheiteldurchflüsse gegeben (siehe Abbildung 3). Aus den vorangegangenen Berechnung bzw. Überprüfung der Durchflüsse für einzelne Ereignisse am Querschnitt, musste ein Abgleich zwischen den aufeinander folgenden Querschnitten mittels einer Längsschnittbetrachtung resultieren (siehe Abbildung 4). Die Grundlage hierfür bildeten die oben angespro-

130

chenen Wasserspiegelnivellements, welche durch Hochwassermarken und Scheitelein-

Wasserstand h [m]

Abb. 2: Überfallwehr bei Wendelstein Quelle: LHASA, MER, Rep. C 56 Kulturbauamt Merseburg NR. 1413, Blatt 44

119,04

6

118,04

5

117,04

4

116,04

3

115,04

2

114,04

1

113,04

0 800

0

200

400

600

Abfluss Q [m³/s]

Abb. 3: Wasserstandsabflussbeziehung Wehr Wendelstein messungen ergänzt wurden. Aus Modelluntersuchungen lässt sich ableiten, dass der unbehinderte stationäre Wasserspiegel oberhalb der Stauwurzel eines Wehres im ausgebauten, staugeregelten Flusslauf sich dadurch konstruieren lässt, indem der Wasserspiegel im Unterwasser eines Wehres mit dem korrespondierenden Wasserstand im Unterwasser des folgenden Wehres verbunden wird. Dadurch lässt sich in Verbindung mit vorliegenden Messungen für alle untersuchten Hochwasser eines Zeitraumes mit gleichartigem Ausbauzustand ein widerspruchsfrei erklärbares Bild der Wasserspiegellagen konstruieren. Nachdem sich die Längsschnitte und in den ausgewählten Profilen die Querschnitte mit den zugehörigen W-Q-Beziehungen widerspruchsfrei zusammenführen ließen, konnte dazu übergegangen werden, die unterschiedlichen Ausbauzustände untereinander zu betrachten.

131

Hierzu mussten zunächst die Wasserspiegellagen des gegenwärtigen Zustandes auf gleiche Art

118,00 116,00 114,00

Höhe [m über NN]

112,00 110,00 108,00 106,00 104,00 102,00 100,00 Wasserspiegel 98,00 0,00

20,00

Sohle

40,00

60,00

Station [km]

Abb. 4: Ausschnitt des historischen Längsschnitts mit zugehörigen Wasserspiegelnivellement; Stand: 1851 und Weise rekonstruiert werden, wie es bereits für die historischen Zustände geschah. Somit standen drei Längsschnitte mit der zugehörigen Wasserspiegellagen-Rekonstruktion für jeweils abgelaufene Hochwasser zur Verfügung. Zum einen der Zustand vor 1857 und des Weiteren die Situation ab 1865 nach der Regulierung der mittleren Unstrut (siehe Abbildung 5). Die Umbaumaßnahmen gelangten zwischen 1857 bis 1865 zur Ausführung. Sie basierten auf den Entwürfen des Königlich-Preußischen Baurat Hermann Wurfbain (18041889)

Abb. 5: Regulierung der mittleren Unstrut Quelle: Staatliches Umweltamt Erfurt

132

und umfassten im Raum Bretleben bis Nebra den Bau von ca. 100 km Deichen, die Errichtung eines 19,4 km langen Flutkanals sowie der Melioration des Unstruttales. Im dritten Ausbauzustand findet die Errichtung des HRB Straußfurt ab 1961 Berücksichtigung. Sämtliche Ausbauzustände nebst den zugehörigen Längsschnitten, Querprofilen und Einbauten sind zwecks vereinfachender Datenverarbeitung in einer GIS-gestützten Datenbank hinterlegt und für einzelne Szenarien abrufbar. Ferner besteht die Möglichkeit für verschiedene Zustände und Gebietsabschnitte entsprechende Rauigkeitsbeiwerte zu hinterlegen (siehe Abbildung 6).

Abb. 6: Ausschnitt aus Unstrut-DGM Quelle: Thüringer Landesverwaltungsamt Erfurt Zur Zeit wird unter Verwendung statistischer Methoden versucht, aus den Informationen der hydrologischen Extremwerte auf die Gesetzmäßigkeiten der Grundgesamtheit zu schließen. Wesentliche Aufgabe hierbei ist die Schätzung einer unbekannten Verteilungsfunktion der Grundgesamtheit aus der empirischen Verteilung, welche aus der Stichprobe selbst ermittelbar ist. Die Stichprobengewinnung erfolgt durch die Bildung einer jährlichen Serie. Bei der jährlichen Serie wird aus jedem Beobachtungsjahr der höchste unabhängige Scheitelabfluss verwendet, damit entspricht der Stichprobenumfang n der Anzahl der Beobachtungsjahre. Wie oben bereits erwähnt, ist es im Zuge der Untersuchung auf Grund der weit reichenden und durchgängig geführten Beobachtungsreihen absehbar, dass die Extrapolation der Bemessungshochwasser deutlich verbessert werden konnte. Gesicherte Ergebnisse hierzu können jedoch zum jetzigen Zeitpunkt noch nicht präsentiert werden. Zusammenfassung Am Beispiel der Unstrut, die mit einer Fließlänge von 198 km und einem Einzugsgebiet von ca. 6300 km² den größten Nebenfluss der Saale darstellt und somit zum Stromgebiet der Elbe zählt, werden durch die Berücksichtigung historischer Pegeldaten sowie die Beschreibung überlieferter Hochwasserereignisse des 19. und 20. Jahrhunderts die Datenreihen um mehr als 100 Jahre verlängert. Dadurch stellte sich schon während der bis dato laufenden Untersuchungen heraus, dass es möglich ist, die zur Bemessung von wasserbaulichen Anlagen herangezogenen relativ unsicheren Extrapolationskurven signifikant zu verbessern.

133

Coupling 1D hydrodynamic, dike breach and inundation models for flood risk assessment along the Elbe River Sergiy Vorogushyn, Heiko Apel, Karl-Erich Lindenschmidt, Bruno Merz Recent flood events in Europe, especially in August 2002, stress the necessity for comprehensive inundation risk assessment in flood-prone areas. Large-scale flood risk maps are one of the products of such assessments and aim at communicating inundation extent and expected damage, thus raising public awareness and setting the priorities for developing management strategies. For risk assessment an accurate estimation of the inundation depth and the extent is required. Furthermore, the uncertainty associated with the obtained results has to be analysed. During floods inundation of widespread areas can be prevented by river dikes. It is also the case along the Elbe that large flood extents have occurred due to the dike failures. A coupled model approach is proposed for the estimation of inundation areas and depth for diked reaches along the Elbe River. An explicit consideration of dike breaches due to overtopping based on critical overflow criteria is included in the modelling approach. To account for other breach mechanisms, which are difficult to describe deterministically for large-scale simulations, a stochastic approach based on the fragility curves is proposed. A full 1D hydrodynamic model of the river channel is coupled with the dike breach model. In case of a dike failure the outflow discharge through the breach serves as a boundary condition for the storage cell inundation model based on continuity and diffusion wave equations discretised over the grid. The back coupling between the dike breach and the 1D channel model is realized to correctly represent the flood wave reduction in the river due to the outflow at the breach. The back coupling of the inundation model and the channel model reflects the process of backwater flow in case of the filled hinterland areas. The modelling codes are coupled using the Typed Data Transfer (TDT) library providing an interface for data exchange between models at runtime. The challenge in coupling models of different spatial and temporal discretization is efficiently overcome by implementing the TDT library. Test runs of the modelling system for the Elbe flood 2002 in the 91 km reach between Torgau (Elbe-km 154.6) and Vockerode (Elbe-km 245.6) indicate a high sensitivity of the modelled locations and times of dike breaches to river bed geometry and dike characteristics such as course, chainage and crest height. A multi-criteria validation scheme is being developed for evaluation of the complex modelling system. The hydrodynamic model can be validated against the observed discharge and stage values at the gauge. The results of the dike breach model generated in a Monte-Carlo simulation can be compared with the observed breach locations during an event. The comparison of the modelled and observed flooded areas on a pixel-by-pixel basis is used as one of the criteria for inundation prediction efficiency.

134

The proposed modelling approach represents a compromise between the number of processes considered, the degree of model complexity and the computation time requirements relevant for the catchment scale flood hazard assessment, which is believed to be applicable for inundation assessment and uncertainty analysis within a Monte-Carlo framework using e.g. Latin-Hypercube Sampling.

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Modellgestützte Verfahren zur Abschätzung von Maximalniederschlägen in Gebirgen Janek Zimmer, Gerd Tetzlaff, Armin Raabe Zusammenfassung Die Starkregenereignisse der Jahre 1897 im Isergebirge und 2002 im Erzgebirgsraum brachten ähnliche Spitzenwerte des täglichen Niederschlags von über 300 mm hervor. In beiden Fällen führte eine nördliche Anströmung der Gebirge zu diesen hohen Mengen. Die hier beschriebenen Verfahren sollen eine Abschätzung der Einflüsse atmosphärischer Bedingungen auf den zu erwartenden maximalen Niederschlag ermöglichen. Zur Simulation dynamischer Effekte bei der Niederschlagsbildung am Gebirge wurde das Lokalmodell (LM) des DWD mit einer horizontalen Auflösung von 7 km eingesetzt. Bei der Anströmung eines idealisierten Bergrückens treten die intensivsten Niederschläge im Fall reduzierter atmosphärischer Stabilität in mittleren und hohen Bereichen der Troposphäre auf. Dennoch erreichen die modellierten Regenmengen nicht die beobachteten Werte vom 12./13.08.2002, da nur ein flaches Hebungsgebiet im Luv des Erzgebirges simuliert wird. Im Fall von stratiformem Niederschlag ohne eingelagerte konvektive Zellen lässt sich die Niederschlagsbildung durch erzwungene Hebung an einem Berghang mithilfe eines vereinfachten diagnostischen Modells abschätzen. Die Intensität des orografischen Niederschlags wurde für verschiedene Auflösungen der Erzgebirgsorografie untersucht. Die höchsten Werte einiger simulierter Strömungen überschreiten die beobachteten Nieder-schläge vom August 2002, wenn ein überlagerter frontaler Niederschlagsanteil berücksichtigt wird. Die Fähigkeit des diagnostischen Modells, Maximalniederschläge zu erfassen, wird anhand eines Fallbeispiels auf der Insel La Réunion demonstriert. Realistische Annahmen von nichtkonvektiven Wind- und Temperaturverhältnissen führen dabei zu modellierten Maximalwerten in der Größenordnung der höchsten gemessenen Niederschläge weltweit, also knapp 2000 mm in 24 Stunden. 1. Motivation Topografische Erhebungen können bei annähernd stationären Strömungsbedingungen zu einer erheblichen Verstärkung von Niederschlägen im Bereich eines Tiefdruckgebietes führen. Die Mittelgebirge im östlichen Teil Mitteleuropas ermöglichen dabei besonders bei nördlichen Windrichtungen die erzwungene Hebung feucht-warmer Luftmassen. Die Hochwasserereignisse der Jahre 2002 im Osterzgebirgsraum und von 1897 im Isergebirge brachten ähnlich hohe Spitzenwerte der Tagesmengen von über 300 mm hervor. Mit Hilfe von Strömungsmodellen können die für diese extremen Niederschläge erforderlichen Ausgangsbedingungen bezüglich ihrer Wirkung auf die orografische Verstärkung untersucht werden. Weiterhin ist es für den Fall idealisierter Eingangsdaten möglich, Maximalniederschläge über kleinräumigen Gebieten mit hydrologischer Bedeutung zu simulieren.

136

2. Simulationen mit dem LM Das Lokalmodell (LM) des DWD wurde für eine Reihe numerischer Simulationen benutzt, die die Sensitivität des orografisch induzierten Niederschlags bezüglich thermischer Schichtung, Windprofil und Struktur der orografischen Unterlage quantifizieren. Ein Auszug der Ergebnisse wird in diesem Kapitel vorgestellt. 2.1 Fallstudie: Osterzgebirge 12./13. August 2002 Eine aus dem Prager Radiosondenaufstieg vom 13.08.2002 2 Uhr abgeleitete horizontal homogene Strömung wurde zur Rekonstruktion der Stauniederschlagsbedingungen mit dem Lokalmodell herangezogen. Die modellierte Niederschlagsrate im Bereich des Osterzgebirges (Abbildung 1a) weist ein großflächiges Gebiet mit Werten um 1 mmh-1 auf. Neben der deutlich zu niedrig ausfallenden Intensität (vgl. Tagesmengen aus Radardaten in Abbildung 1b) ist auch die lokale Variabilität im gegliederten Gelände nur unzureichend erfasst. Diese ist zum großen Teil in der geringen horizontalen Auflösung des Modellgitters begründet (siehe Kapitel 3), während die schwache Regenrate durch ein lediglich bis rund 3 km Höhe ausgedehntes Hebungsgebiet verursacht wird und somit nur ein geringer Teil des verfügbaren Wasserdampfs in den Niederschlagsbildungsprozess einbezogen wird. El be

U

Dresden

U

TS Malter

TS Gottleuba

Zinnwald

Abb. 1: Links (a): Mit dem LM simulierter orografischer Niederschlag [mmh-1] im Osterzgebirge für die Anströmung aus NNW (Pfeil). Die schwarzen Umrandungen markieren die Einzugs-gebiete der Talsperren Malter und Gottleuba. Rechts (b): Aus Radardaten abgeleiteter 24 stündiger Niederschlag [mm] im Zeitraum 12.-13.08.2002, 08-08 Uhr in Sachsen.

2.2 Stabilität der thermischen Schichtung Die Stabilität der thermischen Schichtung bestimmt maßgeblich die Struktur des Strömungsfeldes über einem Hindernis. In einer stabil geschichteten Atmosphäre wird die vom Boden ausgehende Aufwärtsbewegung beim Aufgleiten auf einen Hang mit zunehmender Höhe stark gedämpft, aufgrund der rücktreibenden negativen Auftriebskraft. Überschreitet der vertikale Temperaturgradient dagegen einen gewissen Wert, kommt es zu selbständigen konvektiven Umlagerungen, die jedoch meist auf eine gewisse Gebietsgröße beschränkt sind. Starkniederschläge in einem größeren Gebiet werden daher zumeist durch das Aufgleiten schwach stabil geschichteter Luftmassen verursacht. Den Einfluss kleiner

137

10

10

a 8

RRmax=2.8

b

0,6 0,5

mmh-1

8

0,4

0,6 0,5

RRmax=3.8 mmh-1

0,4 0,3

0,3

0,2

0,2

6

0,1 0 -0,1

4

-0,2

Obergrenze Aufwind

z [km]

z [km]

6

Obergrenze Aufwind

0 -0,1 -0,2

4

-0,3

-0,3 -0,4

U

2

0,1

-0,5 -0,6

-0,4

U

-0,5

2

-0,6

0

0 100

150

y [km]

200

250

100

150

y [km]

200

250

Abb. 2: Vertikalschnitt von vertikaler Windgeschwindigkeit w (Schattierung, ms-1) und Wolkenwasser qc (Linien, Intervall 0.05 g/kg). Links: Gleichförmige schwach stabile Schichtung. Rechts: reduzierte Stabilität ab etwa 5km Höhe. Die Anströmung des idealisierten Bergrückens erfolgt von Norden (mit U gekennzeichneter Windpfeil).

Temperaturänderungen in mittleren Höhen auf die Struktur der Vertikalwindgeschwindigkeit zeigt Abbildung 2. Im Fall des gleichförmigen Temperaturgradienten ergibt sich eine wellenförmige Verteilung von Auf- und Abwindgebieten (Abbildung 2a). Ist die Stabilität der Atmosphäre durch niedrigere Temperaturen ab etwa 5 km Höhe herabgesetzt, kann sich die Aufwärtsbewegung in größere Höhen fortpflanzen (Abbildung 2b). Diese Reduktion resultiert in einer um 36 % erhöhten Intensität des Niederschlagsmaximums kurz vor dem Gipfel. 3. Hoch aufgelöste Berechnungen Ein vereinfachtes diagnostisches Modell (nach TETZLAFF & RAABE 1999) dient zur Berechnung des maximal möglichen orografischen Niederschlags mit hoher räumlicher Auflösung, um klein-skalige orografische Besonderheiten erfassen zu können. Die in Kapitel 2.1 beschriebenen Strömungsbedingungen sind für die Berechnung des Niederschlags mit dem diagnostischen Modell für 7 km und 1 km Gitterweite verwendet worden (Abbildung 3a und b). Beim groben Gitter treten zwar ähnliche Spitzenwerte des Niederschlags wie bei der hoch aufgelösten Variante auf, jedoch sind diese in ihrer Anzahl beschränkt und geben nicht die lokale Variabilität des Niederschlags über kleinräumigen Gebieten wieder. Dagegen repräsentiert die in Abbildung 3b gezeigte Verteilung gut die beobachteten Mengen vom 12./13.08.2002.

138

a

b

Abb. 3: Wie Abb. 1a, aber mit diagnostischem Modell berechneter orografischer Niederschlag (Schattierung, mmh-1) für Modellgitterweiten von a) 7km und b) 1km. Die Vertikalbewegung wurde in beiden Fällen als exponentiell mit der Höhe abnehmend angenommen.

4. Bestimmung des Maximalniederschlags am Beispiel von La Réunion Der weltweit höchste Tagesniederschlag wurde 1952 mit 1880 mm auf der Insel La Réunion im Indischen Ozean gemessen. Anhand realistischer atmosphärischer Bedingungen (Taupunkt 27 °C, 20 ms-1 Windgeschwindigkeit) lässt sich die Fähigkeit des diagnostischen Modells demonstrieren, extreme Niederschläge in dieser Größenordnung zu erfassen. Für eine südwestliche Anströmung der steilen Berghänge simuliert das Modell Maximalwerte von knapp 80 mmh-1 (Abbildung 4), die für die angenommenen Umgebungsbedingungen gut die beobachteten Mengen reproduzieren.

RRmax=79 mmh-1

Abb. 4: Orografischer Niederschlag (Schattierung, Intervall 10 mmh-1) über La Réunion für eine südwestliche Anströmung mit der Windgeschwindigkeit U = 20 ms-1. Konturlinien repräsentieren die Isolinien der Geländehöhe in einem Abstand von 400 m.

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5. Schlussfolgerung Bei der Simulation von Starkniederschlagsbedingungen mit dem LM zeigt sich die sensible Auswirkung von atmosphärischer Stabilität und Geländestruktur auf die Niederschlagsintensität. Die hohen orografisch induzierten Mengen vom August 2002 im Osterzgebirge werden nicht erfasst, da sich nur ein flaches Hebungsgebiet einstellt. Die lokale Variabilität des Niederschlags lässt sich mit Hilfe eines diagnostischen Maximalniederschlagsmodells berücksichtigen. Sowohl Position als auch Intensität der beobachteten Spitzenwerte werden vom hoch auflösenden Modell zufrieden stellend wiedergegeben, sofern die frontal bedingte Niederschlagsmenge überlagert wird. Die Berechung des maximal möglichen orografischen Niederschlags in einer Gebirgsregion lässt sich mit Hilfe des diagnostischen Modells realisieren, wenn die ausschlaggebenden Größen wie Temperatur- und Windprofil sowie die Dämpfung der Vertikalbewegung mit der Höhe bekannt sind. Die weltweit höchsten gemessenen Tagesmengen des Niederschlags auf der Insel La Réunion können für realistische Ausgangsbedingungen mit diesem Verfahren reproduziert werden.

Literatur TETZLAFF, G. & A. RAABE (1999): Räumliche und zeitliche Verteilung maximaler Niederschläge. - Extreme Naturereignisse und Wasserwirtschaft - Niederschlag und Abfluss, Internationales Symposium, Bayrisches Landesamt für Wirtschaft, Informationsheft Nr. 5, S. 57-64

140

141

Organisation, Durchführung und Management der Hochwasserschadensaufnahme und -beseitigung nach dem Augusthochwasser 2002 im Bereich der Landestalsperrenverwaltung des Freistaates Sachsen (LTV), Betrieb Freiberger Mulde/Zschopau (B FM/Z) Christian Zschammer, Frank Hunger, Olaf Schwarz

1. Zusammenfassende Darstellung der Projektbearbeitung Im Gebiet der LTV, B FM/Z wurden durch das verheerende Hochwasser vom August 2002 rd. 4.700 Schäden an den Gewässern 1. Ordnung in Zuständigkeit der LTV registriert. Hinzu kamen rd. 2.600 Schäden an Gewässern 2. Ordnung, deren Beseitigung die LTV im Rahmen eines Erlasses des Sächsischen Staatsministeriums für Umwelt und Landwirtschaft in Amtshilfe für die Kommunen übernommen hat. Die Abbildung 1 zeigt die Lage der Schäden im Gebiet der LTV, B FM/Z.

Abb. 1: Gebiet der LTV, B FM/Z mit Landkreisgrenzen und Schäden In Tabelle 1 sind die Schadensarten nach der Schadensaufnahme enthalten.

142

Tab. 1:

Schadensarten nach Schadensaufnahme und Gewässerordnung, Zuständigkeit B FM/Z Anzahl Schäden Anzahl Schäden Schadensart Gewässer Gewässer 1. Ordnung 2. Ordnung Sedimentation/Erosion 1.127 296 Beschädigung Stauanlagen 92 20 Beschädigung Verrohrungen 28 91 Beschädigung von Böschungen 1.044 812 Beschädigung von Ufermauern 1.171 983 Beschädigung von Deichen oder Dämmen 82 30 wirksame Fließhindernisse 990 238 Sonstige Schäden 213 150 Summen 4.747 2.620

Die Tabelle zeigt, dass ein Großteil der Beschädigungen die kostenintensiven Ufermauern betrifft. In Tabelle 2 sind die aktuellen Schadenshöhen, getrennt nach Landkreisen enthalten. Tab. 2:

aktuelle Schadenshöhe (Finanzmittelbedarf, brutto), getrennt nach Landkreisen und Gewässerordnung

Landkreis Annaberg Chemnitz Chemnitzer Land Freiberg Mittlerer Erzgebirgskreis Mittweida Stollberg Summen Gesamtsumme

Gewässer 1. Ordnung

Gewässer 2. Ordnung

15.598.027,87 EUR 5.683.328,97 EUR 7.337.881,14 EUR 1.694.272,27 EUR keine Zuständigkeit B FM/Z 684.589,99 EUR 32.525.821,34 EUR 18.663.061,12 EUR 40.593.964,70 EUR 25.173.356,15 EUR 10.501.811,54 EUR 9.779.200,68 EUR 3.032.353,51 EUR 7.753.531,92 EUR 109.589.860,10 EUR 69.431.341,10 EUR 179.021.201,20 EUR

2. Schadensaufnahme Die Schadensaufnahme an den Gewässern 1. Ordnung wurde bereits nach rd. 3 Wochen abgeschlossen. Hierbei waren 21 Ingenieurbüros zur Schadensaufnahme im Einsatz. Es wurden ca. 650 km Fließgewässer in kürzester Zeit begangen und die Schäden unter Zuhilfenahme eines einheitlichen Erfassungsformulars registriert und monetär bewertet. Die Einpflege der Daten erfolgte in eine internetbasierte Schadensdatenbank (M.Bau), die durch das Ingenieurbüro ARCADIS Consult GmbH in kürzester Zeit entwickelt wurde. Die Schäden an den Gewässern 2. Ordnung wurden zunächst teilweise sehr global durch die Staatlichen Umweltfachämter aufgenommen; hier erfolgte ab Oktober 2002 eine differenzierte Betrachtung durch die beauftragten Projektsteuerer der LTV und die zuständigen Flussmeistereien.

143

3. Sofortschadensbeseitigung Im Rahmen der Sofortschadensbeseitigung, die etwa einen Zeitraum von 2 Monaten einnahm, wurden 810 Schäden an den Gewässern 1. Ordnung beseitigt. Dies waren hauptsächlich Fließhindernisse, Heger, Böschungsschäden u. ä. Hierzu wurden kurzfristig 70 Baufirmen zur Abarbeitung und rd. 20 Ingenieurbüros zur Überwachung gebunden. Mit den Sofortmaßnahmen wurde ein Bauvolumen von 1,9 Mio. EUR, brutto abgewickelt. Ein Teil der Maßnahmen wurde auch durch die Flussmeistereien in Eigenleistung erbracht. Zur besseren Verfügbarkeit wurde eine Flussmeisterei zusätzlich eingerichtet. 4. Projektorganisation zur Schadensbeseitigung Unmittelbar nach dem Hochwasserereignis wurde für die Hochwasserschadensbeseitigung durch den Betrieb Freiberger Mulde/Zschopau eine Aufbauorganisation unter Einbeziehung eines Gesamtprojektsteuerers und Teilprojektsteuerer auf Landkreisebene gebildet. Hinzu kam eine zusätzliche Teilprojektsteuerung für die Grenzgewässer, die sich mit den Besonderheiten der grenzbildenden Gewässer des Gebietes beschäftigte. Die betriebsinternen Flussmeistereien stellen zudem ein wichtiges Standbein der Schadensbeseitigung dar, da diese fachlich und technisch gut für eigene Bauprojekte kleineren Umfangs ausgerüstet sind. Abbildung 2 zeigt das derzeitige Organigramm im Überblick.

Abb. 2: Organigramm der Aufbauorganisation Stand 2006 Insgesamt kann zum jetzigen Zeitpunkt festgestellt werden, dass im Wesentlichen die Aufbauorganisation zum guten Abarbeitungsstand beigetragen hat. Die Beteiligten haben bisher

144

rd. 500 verschiedene Baufirmen und Lieferanten sowie rd. 400 verschiedene Ingenieurbüros unter strikter Einhaltung der geltenden vergabe- und haushaltsrechtlichen Vorschriften betreut. 5. Verwaltung der Daten und der Projektorganisation in einer internetbasierten Schadensdatenbank M.Bau mit GIS-Anbindung Die Schadensaufnahme erfolgte mit Hilfe einer internetbasierten Datenbank. Diese wurde durch das Ingenieurbüro ARCADIS Consult GmbH in Freiberg konzeptioniert und weiterentwickelt. Zunächst wurden hierüber nur die Schäden eingegeben und die Sofortmaßnahmen verwaltet. In Abbildung 3 ist ein Screenshot eines Schadens dargestellt. Dabei ist zu erkennen, dass gleichzeitig die GIS-Anbindung mit Abarbeitungsstand (Farbumschlag) und Fotos eingepflegt wurden. Im GIS sind zusätzlich alle erforderlichen örtlichen Informationen wie Schutzgebiete und Luftbilder etc. aufrufbar.

Abb. 3: Schadensdarstellung in M.Bau Die Schäden wurden dann zu Projektabschnitten und Projekten zusammengefasst, die wiederum ebenfalls über die Datenbank zu verwalten sind (siehe Abbildung 4).

145

Abb. 4: Darstellung eines Projektabschnittes mit Kosten und Terminen Die Datenbank gewährleistet im Wesentlichen das komplette Berichtswesen der Schadensbeseitigung für die LTV. Über die Datenbank wird ebenso die komplette Budgetverwaltung überwacht. Durch Zwangseingaben sind Überzahlungen und Unterdeckungen ausgeschlossen. Der Abgleich mit dem SAP der LTV erfolgt mit einem sog. Finanztool, dass alle Knoten des SAP etc. berücksichtigt (siehe Abbildung 5).

146

Abb. 5: Finanztool als Schnittstelle zum SAP

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Kopplung von Fernerkundungsinformationen mit Simulationsmodellen zur Unterstützung des Risikomanagements André Assmann, Marek Tinz Zusammenfassung Im Rahmen von GMES (Global Monitoring for Environment and Security), einer gemeinsamen Initiative von EU und ESA, wurden in einer ersten Phase des Projektes ESA GSE Risk EOS verschiedene Systeme zur Unterstützung des Risikomanagements validiert und für den operationellen Einsatz optimiert. Neben Dienstleistungen zur Unterstützung des Managements von Waldbränden, ist das Hochwasser-Risikomanagement ein Arbeitsschwerpunkt des Projektes. Auf letzteres wird in diesem Artikel näher eingegangen. Durch die Kombination von Fernerkundungsmethoden mit weiteren Daten und Modellierungsverfahren können wichtige Informationen zur Entscheidungsunterstützung gewonnen werden. Ziel ist es, in kürzester Zeit die bestmögliche Information zur Verfügung zu stellen, und die in einer Weise, dass der Nutzer sie direkt in seine Arbeitsprozesse integrieren kann. 1. Womit beschäftigt sich Risk EOS? Im Rahmen des Projektes ESA GSE RiskEOS wurde ein Europaweites Netzwerk von Dienstleistungsanbietern aufgebaut, die mit Hilfe verschiedenartiger Geoinformationen alle Phasen des Risikomanagements (Vorsorge, Vorwarnung, Krisenmanagement und Krisennachsorge, siehe Abbildung 1) unterstützen wollen. In Risk EOS werden dazu Informationen aus Satellitendaten mit weiteren Daten und Modelltechniken verbunden. Mit der Entwicklung und Qualifizierung der Dienstleistungen wurde in Frankreich, Deutschland, Italien, Spanien und Schweden bereits 2003 begonnen, in der 2. Phase sind noch die Slowakei und Bulgarien hinzugekommen, eine Ausdehnung auf weitere Partnerländer ist in Vorbereitung. Alle Dienstleistungen werden unter enger Abstimmung mit den Nutzern weiterentwickelt und validiert, nur entsprechend verifizierte Dienstleitungen werden ins Portofolio aufgenommen.

148

Abb. 1: Übersicht über die Risk EOS-Dienstleistungen und ihre Einordnung in den Ablauf beim Krisenmanagement (Quelle: www.riskeos.com) 2. Gefahren- und Risikokarten Ein wichtiger Bestandteil des Hochwassermanagements ist die Erstellung von Gefahren(-hinweis-)karten, quasi als Bestandsaufnahme. Erste Karten liegen bereits für einige Bereiche in Europa vor, hervorzuheben sind dabei der Rheinatlas, der als erstes großes Kartenwerk länderübergreifend Gefahren- und Risikokarten präsentiert, sowie die Gefahrenhinweiskarte Sachsen, in der erstmalig ein Bundesland flächendeckend dargestellt ist. Die Inhalte sowie die Qualität der verschiedenen Kartenwerke sind jedoch recht unterschiedlich und somit häufig nur schlecht vergleichbar. Weitere Unterschiede ergeben sich aus den jeweils getroffenen Annahmen und Szenariodefinitionen. Für eine grenzüberschreitende und vergleichende Beurteilung ist eine gewisse Vereinheitlichung notwendig und sinnvoll. Dazu gibt es auf europäischer Ebene bereits erste formulierte Vorgaben, die in einer entsprechenden Direktive münden werden. Ein erster Schritt ist, die jeweilig getroffenen Annahmen und die Vorgehensweise genau zu dokumentieren (ASSMANN et al. 2006) Im Weiteren ist der oft geforderte europäische und multitemporale Vergleich von Schadenpotentialen nur anhand einheitlicher Landnutzungsdaten und mit einer vergleichbaren Vorgehensweise möglich. Je nach Nutzer sind zusätzliche Anforderungen zu beachten. Für den Katastrophenschutz z.B. sind neben einer Darstellung der gefährdeten Flächen auch die Ausarbeitung von dynamischen Szenarien notwendig. Hier muss eine zeitabhängige Darstellung erfolgen and zum besseren Verständnis visuell umgesetzt werden, z.B. in der Form von Filmanimationen bzw. multitemporalen Karten (vergleiche Abbildung 2).

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Abb. 2: Beispiel einer multitemporalen Karte Deichbruch, innerhalb einer Kartendarstellung wird die Ausbreitung nach unterschiedlichen Dauerstufen dargestellt (hier nach 1h, 6h. 12h und Tiefendarstellung nach 24h), parallel wurden für alle Deichbruchszenarien auch Animationsdateien erstellt, die die Dynamik des Ausbreitungsverhalten visualisieren. 3. Nutzerbedarf Die Analyse der Nutzerbedürfnisse ergaben hohe Anforderungen an die Genauigkeit (räumliche Auflösung sowie Zuverlässigkeit der Ergebnisse) als auch an die schnelle Verfügbarkeit. Fernerkundungsdaten haben den Vorteil, und einen schnellen flächenhaften Überblick über Ereignisse zu geben. Eine Bereitstellung im Katastrophenfall kann jedoch nur gelingen, wenn die gesamte Produktionskette etabliert ist (inkl. Finanzierung und Nutzungsrechte). Durch die Integration von Zusatzinformationen und Modellkoppelung lässt sich vielfach der Detaillierungsgrad erhöhen und die Fernerkundungsdaten sich um wertvolle Zusatzinformationen wie Überflutungstiefe bzw. Fliessrichtung anreichern. Die Angebotspalette umfasst somit folgende Produktionsstufen: •

Satellitenbild

•

Klassifizierte Satellitenkarte (mit überschwemmten Flächen) mit abgestimmter Kartographie

•

Ergänzung durch Zusatzinformationen wie Fliesstiefe/-richtung aus der Modellkoppelung

•

Überlagerung mit Landnutzungsdaten und Errechnung von Schadenpotentialen für aktuelle Ereignisse Die Bereitstellung der Ergebnisse erfolgt je nach Anforderungen des Nutzers in digitaler oder analoger Form. Für das Katastrophenmanagement ist die Verwendung robuster und leicht zu bedienender Modelle eine wichtige Voraussetzung, Im Rahmen von RiskEOS wird für die Modellierung der Überflutungsflächen z.B. das in ArcGIS integrierte rasterbasierte Modell FloodArea ein-

150

gesetzt (ASSMANN 2005, ASSMANN & JÄGER 2003, ASSMANN & RUIZ RODRIGUEZ 2002).

Abb. 3: Einbindung der Nutzer in den Validierungsprozess. Nur durch ein iteratives Verfahren und das ausführliche Testen der Produkte innerhalb der normalen Arbeitsprozesse können Risikomanagement-Dienstleitungen erstellt werden, die auch im Katastrophenfall Verwendung finden (Quelle: www.riskeos.com). 5. Ausblick auf die weitere Entwicklung Ergänzende Dienste werden aktuell in den stärker forschungsorientierten Projekt PREVIEW (6. Rahmenprogramm der EU) entwickelt und nach dem Praxistest die bestehende Produktpalette ergänzen. Schwerpunkte bei der weiteren Entwicklung sind: •

Rechenzeitoptimierung durch verteiltes Rechnen (operationeller Einsatz)

•

Kopplung der Überflutungsflächenberechnung mit Vorhersage-Modellen

•

Kombination mit Routing-Verfahren (z.B. Suche freier Evakuierungswege)

Literatur ASSMANN, A., M. GRAFE, I. RUNGE & F. THÄGER (2006): Einflüsse des Berechungsverfahrens und der Qualität der Grundlagendaten auf die Ermittelung überschwemmungsgefährdeter Gebiete. - In: Hydrologie und Wasserbewirtschaftung 50, H. 1, S. 19-24. ASSMANN, A. (2005): Simulation von Überflutungsflächen und Deichbrüchen auf der Grundlage von Rasterdaten. - In: Simulation in den Umwelt- und Geowissenschaften. Hrsg. Wittmann, J. & N. Xuan Thinh. Shaker, Aachen, S. 109-116. ASSMANN, A. & S. JÄGER (2003): GIS-Einsatz im Hochwassermanagement. - In: Angewandte Geographische Informationsverarbeitung XV, Beiträge zum AGIT-Symposium Salzburg 2003. Hrsg. J. Strobl, T. Blaschke & G. Griesebner, S. 7-14 ASSMANN, A. & E. RUIZ RODRIGUEZ (2002): Modellierung im GIS - Erfahrungen beim Einsatz eines rasterbasierten Modells für Überschwemmungssimulationen. - In: GeoBIT 7/2002, S. 14-16.

151

7 Landkreise, 4 Bundesländer, 1 Fluss Grenzüberschreitendes Handeln im Hochwasserrisikomanagement Katharina Ehrler, Swen Zehetmair, Evelyn Hendel, Uwe Grünewald, Jürgen Pohl, Yvonne Wieczorrek Zusammenfassung Extreme Hochwasser sind natürliche Bestandteile der Landschaftsdynamik und mit ihrem Eintreten muss auch in Zukunft immer gerechnet werden. Ziel aller Bemühungen des Hochwasserschutzes kann daher nur sein, das Ausmaß von Hochwasserereignissen sowie das Schadenspotential so gering wie möglich zu halten. Dies setzt jedoch ein stetig zu verbesserndes integriertes Hochwasserrisikomanagement (HWRM) voraus, das auf einem aktiven Hochwasserbewusstsein und einer funktionierenden Vernetzung und Kooperation aller Akteure, die am HWRM beteiligt sind, beruht. Probleme und Schwachstellen des HWRM im Untersuchungsgebiet „Untere Mittelelbe“ und erste Lösungsvorschläge werden vorgestellt. Die dargestellten Ergebnisse beruhen auf der Auswertung eines Expertenworkshops und von Experteninterviews. Ziel ist es, in einer administrativ sehr zersplitterten Region im Flusseinzugsgebiet der Elbe unter Mitwirkung der Akteure vor Ort eine langfristige – administrative Grenzen überwindende – Zusammenarbeit bei der Hochwasservorsorge und -bewältigung zu schaffen, so dass potentielle Schäden durch zukünftige Extremhochwasser der Elbe maximal minimiert werden. 1. Einleitung

Abb. 1 Übersicht des Untersuchungsgebietes „Untere Mittelelbe“ Von Flusskilometer 335 bis 575 grenzen an die Elbe vier Bundesländer bzw. sieben Land-

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kreise (Abbildung 1). Seit dem Extremhochwasser im August 2002 besteht zwischen den Landkreisen an der Unteren Mittelelbe eine freiwillige Zusammenarbeit im HWRM im Rahmen der „Kommunalen Arbeitsgemeinschaft zur Zusammenarbeit im Elbetal“ (KAG). Die Untersuchungen finden im Rahmen des RIMAX-Verbundprojektes „Verknüpfung von Hochwasservorsorge und -bewältigung in unterschiedlicher regionaler und akteursbezogener Ausprägung“ statt, mit dem Ziel die am HWRM beteiligten Akteure und ihre Zuständigkeiten zunächst zu identifizieren. Anschließend sollen Schwachstellen des aktuellen HWRM aufgezeigt, Lösungs- bzw. Verbesserungsvorschläge erarbeitet und diese mit Hilfe eines angeleiteten, diskursiven Verfahrens in die Praxis implementiert werden. 2. Methodik Die Analyse des HWRM in der Region Untere Mittelelbe und dessen Schwachstellen erfolgt anhand der Aufarbeitung der Bedingungen der Hochwasservorsorge und -bewältigung während der letzten Extremhochwasser (August 2002 und Januar 2003), einer Untersuchung der Aufgabenbereiche des derzeitigen HWRM in der Region und durch Befragungen von Experten und Betroffenen. In den bisher durchgeführten Interviews mit Experten aus Wissenschaft und Praxis standen allgemeine Probleme des Hochwasserrisikomanagements in Deutschland im Vordergrund. Zusätzlich fand im September 2005 ein Expertenworkshop in Lenzen (Elbe), Brandenburg statt. Der Workshop hatte zum Ziel, gemeinsam mit lokalen Akteuren und externen Experten über derzeitige Probleme bzw. über eventuelle Verbesserungsmöglichkeiten im HWRM zu diskutieren. 3. Erste Ergebnisse 3.1 Workshop in Lenzen Die Workshopteilnehmer machten in den Vorträgen und während der Diskussionen deutlich, dass Struktur- und Zuständigkeitsprobleme eine der größten Schwachstellen im HWRM in der Region darstellen. Die föderale Struktur bedingt, dass die Länder ihre Gesetze in ihren jeweiligen Landesregelungen ausformulieren was in einem Flussgebiet wie die Elbe zu stark aufgesplitterten Zuständigkeiten und unterschiedlichen Verwaltungsstrukturen führt. Dadurch kann es zu unterschiedlichen, ja sogar zu gegensätzlichen Entscheidungen und Maßnahmen kommen. Dies betrifft beispielsweise das Vorgehen bei der Festlegung der Überschwemmungs- und überschwemmungsgefährdeten Gebiete oder das Erstellen von Hochwasserschutzkonzepten, bei denen bisher keine einheitlichen Vorgaben oder Abstimmungen existieren. Weitere stark diskutierte Problembereiche waren die Koordination, Abstimmung und Kooperation zwischen den Kreisen, besonders aber zwischen den benachbarten Bundesländern. Zu lösende Aufgaben und Probleme im HWRM wurden als identisch in den einzelnen Landkreisen angesehen, trotzdem weist die bisherige Zusammenarbeit starke Defizite auf. Aktuelles Beispiel ist die Problematik der einseitigen und mit den Nachbarn nicht abgestimmten Erhöhung des Bemessungshochwassers für den Deichneubau und -sanierung seitens des Bundeslandes Brandenburg. Ebenso konnte der Staatsvertrag zur Flutung der Havelpolder aufgrund von Meinungsverschiedenheiten der beteiligten Bundesländer noch nicht unterzeichnet werden. Auch die Vorgehensweise bei der Integration von Hochwasserbelangen in

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die Regionalpläne oder die Entwicklung von GIS-gestützten Hochwassermanagementsystemen erfolgt nicht einheitlich. Unter diesen Voraussetzungen ist man von einer homogenen bzw. zumindest mit allen unmittelbaren Nachbarn abgestimmten Vorgehensweise in Fragen der Vorsorge und Katastrophenbewältigung im Flussgebiet der Elbe noch weit entfernt. Das im Mai 2005 verabschiedete Artikelgesetz (Gesetz zur Verbesserung des vorbeugenden Hochwasserschutz) sieht zumindest eine engere Abstimmung der Länder bei der Erstellung von Hochwasserschutzplänen vor. Auch der Entwurf für eine neue EU-Hochwasserrichtlinie der EU zielt in diese Richtung. Ob sich die Situation dadurch tatsächlich verbessern wird bleibt abzuwarten. 3.2 Experteninterviews Koordinations-, Kooperations- und Abstimmungsprobleme unter den verschiedenen Fachbehörden sowie die Zersplitterung der Zuständigkeiten im Hochwasserschutz wurden auch von den externen Experten als Probleme genannt. Insofern stellen die Probleme an der Unteren Mittelelbe keinen Sonderfall dar, sondern spiegeln allgemeine Probleme des Hochwasserrisikomanagements in Deutschland wider. Ein weiterer Schwerpunkt der Interviews lag in der Rolle der Raumordnung. Die raumordnerischen Instrumente wurden als ausreichend angesehen, es mangelt jedoch an ihrer konsequenten Umsetzung. Diese Aussage konnte auch durch eine Auswertung der Regionalpläne in der Region Untere Mittelelbe untermauert werden. Zwar werden die Überschwemmungsgebiete zumeist als Vorranggebiete ausgewiesen, für die Flächen hinter den Deichen gibt es jedoch keine Festlegungen beispielsweise in Form von Vorbehaltsgebieten für den Hochwasserschutz. Dies dürfte an der „Politisierung der Raumordnung“ liegen, in der es zu einer Abwägung von verschiedenen Interessen und Nutzungsansprüchen kommen muss. Dadurch können Interessen- und Zielkonflikte zwischen dem Hochwasserschutz sowie dem Naturschutz, der Landwirtschaft sowie der Siedlungsentwicklung auftreten. An der Nichtausweisung von Vorbehaltsflächen (Flächen hinter den Deichen) zeigt sich auch ein weiterer Schwachpunkt: Das unzureichende Hochwasserrisikomanagement für Extremereignisse (> HQ100). 3.3 Verbesserungsvorschläge Anhand der Workshopauswertung und der Expertenbefragung können erste Verbesserungsvorschläge für das HWRM in der Region „Untere Mittelelbe“ abgeleitet werden. Alle vorgeschlagenen Maßnahmen unterstreichen die Notwendigkeit eines flusseinzugsgebietsweisen Vorgehens mit der obersten Priorität der Kooperation und Abstimmung zwischen den beteiligten Akteuren. Die verbesserte Zusammenarbeit sollte in den verschiedenen Bereichen von Hochwasservorsorge und -bewältigung erfolgen. Beispielhaft können genannt werden: (1.) Verbesserte Abstimmung der jeweiligen Ministerien unter Einbeziehung der zuständigen Fachbehörden für die Belange des technischen Hochwasserschutzes; (2.) Gemeinsame Beschaffung von Daten für die Erstellung von Gefahrenkarten zur Verbesserung der Flächenvorsorge; (3.) Vermehrte Abstimmungen bei der Umsetzung rechtlicher Rahmenbedingungen, z.B. bei der Novellierung der Wassergesetze; (4.) gemeinsame Entwicklung und Nutzung von Hochwassermanagementsystemen zur Verbesserung der Hochwasserbewältigung.

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Ein ressortübergreifendes Modell könnte die Etablierung einer zentralen, kommunal getragenen Plattform „Hochwassergemeinschaft Elbe“ im Flussgebiet der Unteren Mittelelbe bzw. darüber hinaus darstellen. Eine solche Solidargemeinschaft beispielsweise nach dem Vorbild der „Hochwassernotgemeinschaft Rhein e.V.“ kann zu einem Ausgleich sowohl von verschiedenen lokalen Anforderungen an das HWRM als auch bestehender OberliegerUnterlieger-Interessen beitragen. Gemeinsam forcierte Informations- und Verhaltensvorsorge kann so an ihrer Basis gestärkt und die Institution als „Sprachrohr“ der Kommunen gegenüber der zuständigen Verwaltung auf Bundeslandebene genutzt werden. 4. Fazit und Ausblick Die vorliegende Arbeit zeigt zum gegenwärtigen Stand, dass die Schwachstellen weniger im technischen Hochwasserschutz liegen, sondern vielmehr in den verschiedensten Facetten der Kommunikation zwischen den Akteuren. Neben derartigen Kommunikationsproblemen werden vor allem strukturelle Aspekte als Auslöser für die derzeitigen Probleme des HWRM gesehen. Der nächste Schritt liegt in der Vertiefung und Validierung der hier vorgestellten Ergebnisse durch eine weitere Analyse der Bedingungen des HWRM bezüglich Aufgabenverteilungen und Zuständigkeiten in der Region und darüber hinaus durch Experteninterviews mit weiteren Akteuren aus dem Untersuchungsgebiet. Eine Hilfestellung sollen dabei auch Interviews und deren Auswertung mit vom Hochwasser 2002 betroffenen Bürgern bieten. Dabei stehen Aspekte der Risikowahrnehmung, der Eigenvorsorge und der Risikokommunikation von Institutionen mit der Bevölkerung im Vordergrund. Es ist zudem angedacht, die Idee und Möglichkeiten einer „Hochwassergemeinschaft Elbe“ auf einem weiterführenden Workshop weiter zu konkretisieren. Ein vergleichbares Vorgehen wie in der Region „Untere Mittelelbe“ wird auch in der Landeshauptstadt Dresden angestrebt. Auch hier wäre ein Workshop mit lokalen und regionalen Akteuren des HWRMs durchzuführen und die daraus gewonnenen Ergebnisse durch Experteninterviews zu erweitern. Zudem sollte überprüft werden, inwieweit vorhandene und erfolgreiche Lösungsansätze aus anderen Regionen Deutschlands auch für Dresden und umgekehrt übertragbar sind.

Literatur BRANDENBURGISCHE TECHNISCHE UNIVERSITÄT COTTBUS (HRSG.) (2006): Workshopbericht „Alle in einem Boot!“ Expertenworkshop 28. und 29. September 2005 Lenzen, Elbe. – unveröffentlicht, Cottbus GLÄSER, J. & G. LAUDEL (2004): Experteninterviews und qualitative Inhaltsanalyse als Instrumente rekonstruierender Untersuchungen. VS Verlag, Wiesbaden. JÜPNER, ROBERT (HRSG.) (2005): Hochwassermanagement. – Schriftenreihe des Instituts für Wasserwirtschaft und Ökotechnologie Band 1 2005. Shaker Verlag, Aachen MEUSER, M. & U. NAGEL (1991): Experteninterviews - vielfach erprobt, wenig bedacht. In: GARZ, D. & K. KRAIMER (HRSG.): Qualitativ-empirische Sozialforschung, Opladen.

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Entwicklung des Hochwasserrisikos an der Küste des Kaspischen Meeres Martin Helms, Oleg Evdakov, Jürgen Ihringer, Franz Nestmann Zusammenfassung Die Küste des Kaspischen Meeres (KM) ist hochwassergefährdet. Kritisch ist u.a. die langfristige Wasserstandsentwicklung im KM. Zur Analyse der Ursachen des Problems wurden Abflussreihen im Einzugsgebiet (EZG) der Wolga untersucht. Für mittlere jährliche Abflüsse wurde für das 20. Jhrt. eine Schwingungsstruktur nachgewiesen, deren Komponenten mit Perioden von ca. 30, 18 und 14 Jahren verschiedenen Teil-EZG der Wolga zuordenbar waren. Zur Zeit stärkster Wasserstandsänderungen im KM überlagerten sich Minima bzw. Maxima der Komponenten. Daher ist ein maßgeblicher Einfluss auf die Wasserstandsentwicklung des KM anzunehmen. Prognosen zur Wasserstandsentwicklung des KM erfordern einen umfassenden Forschungsansatz mit der Analyse der Variable „Abfluss der Wolga“ als Indikator. 1. Einführung zum Hochwasserrisiko an der Küste des Kaspischen Meeres Mit Gas- und Ölvorkommen hat die Küste des KM u.a. für Russland und Kasachstan große Bedeutung und wurde im 20. Jhrt. stark bebaut. Dem steht eine Hochwassergefährdung gegenüber, die sich aus Wasserstandsschwankungen des KM im 20. Jhrt., v.a. dem Anstieg um ca. 2.5 m seit 1977, ergibt (Abbildung 1). Hinzu kommen Windstauereignisse, die aufgrund mehrtägiger starker Winde konstanter Richtung und geringer Wassertiefen v.a. im nordöstl. Teil des KM den Wasserstand kurzzeitig um weitere 2.5 m anheben können. So wurden in den 1980/90er Jahren große Flächen (u.a. Ölförderanlagen!) überflutet, z.B. im Jahr 1990 12000 km2 allein in der Region Atyrau. Da 80 % der Zuflüsse von der Wolga stammen, ist ihr Abflussprozess eine entscheidende Randbedingungen für die langfristige Wasserstandsentwicklung im KM (GOLITSYN 1995). Im dt.-russischen Projekt „Wolga-Rhein“ wurden daher Abflussreihen im Wolga-EZG hinsichtlich der Probleme am KM analysiert. 2. Zeitreihenanalyse der Reihen mittlerer jährlicher Abflüsse am Pegel Wolgograd Für die trendbereinigte Reihe mittlerer jährl. Abflüsse (MQ) 1879-1990 des Gesamt-EZG (Pegel Wolgograd; Abbildung 1) wurden Periodogramme und indirekte Spektralschätzer (IS) berechnet. Um Fourier-Frequenzen (FF’en) langjähriger Schwingungen korrekt zu bestimmen, wurden auch sukzessive um einzelne Jahre am Beginn gekürzte Reihen analysiert (HELMS et al. 2005). Abbildung 2 zeigt neben dem Periodogramm und IS der Gesamtreihe die Reihe 1900-90 (mit größten Maxima aller Periodogramme bzw. IS). Daraus folgt, dass v.a. im 20. Jhrt. eine signifikante, komplexe Schwingungsstruktur mit mehreren Komponenten auftrat. Für die Reihe 1900-90 sind dies die Komponenten bei FF 0.033 und 0.055 bis 0.077 (Perioden: 30.3 und 18.2 bis 13 Jahre). Die Auftragung der Komponenten lokaler Periodogrammmaxima (Reihe 1900-90) zeigt, dass zu Zeiten starker Wasserstandsänderung im KM (Pfeile in Abbildung 2) die Komponenten annähernd synchron Minima (1930er) bzw. Maxima (späte 1970er/80er Jahre) durchliefen, sich sonst aber mehr oder weniger kompensierten. Die Überlagerung von Minima/Maxima der o.g. Komponenten ist also offenbar eine Hauptursache für die im 20. Jhrt. zeitweise starken Wasserstandsänderungen im KM.

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Abb.1: Wolga-Einzugsgebiet und Kaspisches Meer (KM) mit analysierten Pegeln (links), MQReihen am Pegel Wolgograd und mittleren jährl. Wasserständen im KM (rechts oben) sowie die besonders hochwassergefährdete nordöstliche Küste des KM (rechts unten).

Abb. 2: Periodogramme und indirekte Spektralschätzer IS (links) der Reihen mittlerer jährl. Abflüsse MQ 1879-1990 und 1900-90 der Wolga am Pegel Wolgograd (rechts) mit Signifikanzgrenzen SG (Irrtumswahrscheinlichkeit 0.05) für die Hypothese des Weißen Rauschens (links). Rechts zudem Schwingungen signifikanter, lokaler Periodogrammmaxima (1900-90) und Phasen starker Wasserstandsänderungen im Kaspischen Meer (Pfeile).

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3. Zeitreihenanalyse der Reihen weiterer Pegel im Wolga-Einzugsgebiet Um die Schwingungskomponenten in Wolgograd verursachenden Prozessen zuzuordnen, wurden MQ-Reihen (1881-1987) ausgewählter Pegel (Abbildung 1) bzw. Teil-EZG der Wolga analysiert. Jeweils ähnliche, signifikante Schwingungen wurden für die westl. Teil-EZG bei FF 0.037 (Oka/Gorbatov, Zwischengebiet der Pegel N. Novgorod, Sokoli Gor und Wolgograd) bzw. 0.034 (Obere Wolga/Gorodez und N. Novgorod) gefunden. Dies entspricht u.a. auch dem westl. benachbarten EZG der Neva (Novosaratovka, 281000 km2) mit signifikanter Schwingung bei FF 0.036 für die MQ-Reihe 1878-1988. Die Summe der Schwingungen für N. Novgorod und das Zwischengebiet (leicht phasenverschoben) ist der entsprechenden Komponente in Wolgograd ähnlich (Abbildung 3). Andere Schwingungen fanden sich in den Teil-EZG der Kama (Abbildung 1) mit max. Periodogrammordinaten bei FF’en um 0.07. Diese sind Teil komplexer Strukturen mit weiteren signifikanten Komponenten der FF’en 0.047 bis 0.059. Die kombinierten, signifikanten Komponenten haben Ähnlichkeit zu der entsprechenden Struktur Wolgograds (Reihe bis 1987; Abbildung 3). Im Vgl. zur Komponente der FF 0.034 zeigt sich auch hier die zeitweise annähernde Überlagerung von Minima und Maxima.

Abb. 3: Einzelne oder zusammengesetzte, signifikante Schwingungen der MQ-Reihen 18781988 (oder kürzer) in westl. Teileinzugsgebieten der Wolga (links) und Kama-Teileinzugsgebieten (rechts). Pfeile markieren Zeiten starker Wasserstandsänderung im Kaspischen Meer. Im Kama-EZG wurden Reihen mittlerer Saisonabflüsse (Apr.-Jun.; Jul.-Dez.), u.a. am Beispiel der Belaya (Pegel Birsk), analysiert. Es wurden max. Periodogrammordinaten bei FF 0.07 (Apr.-Jun.) bzw. FF 0.055 (Jul.-Dez.) gefunden (Abbildung 4). Die Schwingungen wurden mit Bezug auf das Jahr (Division durch 2 bzw. 4) über die Zeit aufgetragen. Die Ähnlichkeit zu den Komponenten bei der MQ-Reihe zeigt, dass letztere den genannten Jahreszeiten zuzuordnen sind. Zudem wurden MQ-Reihen weiterer EZG analysiert. Im nördlich an das Kama-EZG grenzenden Pechora-EZG (Ust Shugor; 67500 km2; Reihe 1914-88) fand sich ab 1919 eine signifikante Schwingung bei FF 0.057, ähnlich wie in der Saison Jul.-Dez. in den Teil-EZG der Kama (Abbildung 4). Im Hinblick auf die Verschiebung der gemäßigten und borealen Klimazonen im Jahresverlauf ist dies plausibel. Ferner wurden MQ-Reihen der asiatischen Flüsse Irtysh (Omsk; 769000 km2; 1936-90), Ob (Kolpashevo; 486000 km2; 1936-89) und Jenissei (Igarka; 2440000 km2; 1936-95) analysiert, wobei ab ca. 1950 Schwingungen mit FF’en um 0.07 gefunden wurden (s. Abbildung 4 für den Irtysh). Die Ähnlichkeit zur Schwingung der Frühjahrsabflüsse in Birsk, die v.a. aus Schneeschmelzen resultieren, ist hinsichtlich der Ausdehnung des asiatischen Winterhochs nach Westen ebenfalls plausibel. Details zu diesen Analyseergebnissen finden sich in (HELMS et al. 2005).

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Abb. 4: Periodogramme für die Reihen mittlerer Saisonabflüsse 1881-1987 (oder kürzer) der Belaya in Birsk (links). Der rechte Teil zeigt signifikante Schwingungen bzw. Schwingungskomponenten der mittleren Saison- bzw. Jahresabflüsse verschiedener Pegel. 4. Schlussfolgerungen Der Abflussprozess im Wolga-EZG wurde im 20. Jhrt. offenbar u.a. durch drei Zonen im Zusammenhang mit der Zirkulation der Atmosphäre geprägt, deren Dynamik im Wasserkreislauf verschiedene, langfristige Schwingungen im Abflussprozess bewirkte. Die bis zum Mündungsbereich wirkenden Schwingungen konnten räumlich und zeitlich recht eindeutig getrennt werden: einer ca. 30-jährlichen Schwingung des MQ im westlichen Bereich des Wolga-EZG stehen im Kama-EZG eine ca. 14-jährliche (Frühjahrsabflüsse nach Schneeschmelze) und eine ca. 18-jährliche Komponente (sommer-herbstliche Abflüsse) gegenüber. Dies wird durch ähnliche Ergebnisse für MQ-Reihen eurasischer Referenz-EZG bestätigt. Mit dem Zusammenhang zwischen Wolga-Abfluss und Wasserstandsänderung im KM (GOLITSYN 1995) und der Beobachtung, dass die stärksten Wasserstandsänderungen im KM zur Zeit annähernder Überlagerung von Minima (1930er) bzw. Maxima (späte 1970/80er Jahre) der Schwingungen stattfand, ergibt sich ein starker Hinweis darauf, dass das Schwingungsverhalten im Abflussprozess der Wolga im 20. Jhrt. eine entscheidende Wirkung auf die problematische Wasserstandsentwicklung im KM hatte. Im Hinblick auf den globalen Klimawandel ist eine zuverlässige Prognose der Wasserstandsentwicklung des KM für das 21. Jhrt. schwierig, wie auch die Tatsache zeigt, dass die Schwingungen sich im 19. Jhrt. mit ebenfalls verändertem Klima (Endphase der Kleinen Eiszeit) offenbar verlieren. Dabei ist jedoch die nur kurze Beobachtungszeit im 19. Jhrt. zu berücksichtigen. Die Thematik erfordert einen umfassenden und weiter differenzierten Ansatz, v.a. mit der Kopplung regionaler Klimamodelle und großskaliger hydrologischer Modelle. Dabei kann der hier dargestellte statistische Ansatz für die robuste, die Prozesse integrierende Variable „Abfluss der Wolga“ wertvolle Hinweise liefern, v.a. bei der Identifikation und raumzeitlichen Zuordnung maßgeblicher Prozesse für die langfristige Entwicklung des Wasserstands und Hochwasserrisikos am KM. Literatur GOLITSYN, G.S. (1995): The Caspian Sea level as problem of diagnosis and prognosis of regional climate change. – In: Atmospheric and Oceanic Physics, H. 31, S. 366-372. HELMS, M. et al. (2004): A Hydrologic Contribution to Risk Assessment for the Caspian Sea. – In: Limnologica, H. 35, S. 114-122.

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Beitrag der Forstwirtschaft zum vorbeugenden Hochwasserschutz an Gewässern 3. Ordnung Eine Simulationsstudie an der Paar Christian Macher, Franz Binder, Frauke Lücke Bei dem Forschungsvorhaben handelt es sich um ein Projekt des Sachgebietes Schutzwald und Naturgefahren der Bayerischen Landesanstalt für Wald und Forstwirtschaft (LWF). Es wird vom Bayerischen Staatsministerium für Landwirtschaft und Forsten finanziell gefördert. Ziel des Projektes ist die Entwicklung eines integralen Planungskonzeptes für den vorbeugenden Hochwasserschutz. Darüber hinaus sollte die Frage untersucht werden, wie sich der Gebietswasserhaushalt eines Fließgewässers 3. Ordnung entwickelt, wenn bislang landwirtschaftlich genutzte Flächen aufgeforstet werden. Die Idee eines integrierenden Ansatzes beim Hochwasserschutz ist nicht neu. In der Praxis jedoch führen Fachbehörden und Ingenieurbüros Planungen zum vorbeugenden Hochwasserschutz durch, beziehen aber bisher den Wald beziehungsweise Aufforstungen nicht ausreichend in ihre Vorschläge ein. Als geeignetes Instrument einer integralen Planung wird die Bildung eines runden Tisches mit allen betroffenen Fachstellen angesehen. Auf diese Weise ist auch die in der Europäischen Wasserrahmenrichtlinie geforderte Integration der Öffentlichkeit möglich. Er verbessert den Informationsfluss und bietet allen Beteiligten die Möglichkeit sich von Beginn an aktiv in den Prozess einzubringen. Entscheidend ist die Organisation und Koordination. Dafür bietet sich die Kommune an in deren Gebiet die Hochwasserschutzmaßnahmen geplant sind. Der Frage, wie sich Aufforstungen und Umbaumaßnahmen auf den Gebietswasserhaushalt auswirken, wurde von Frau Dr. Beate Klöcking mit Hilfe des Modells ArcEGMO-PSCN nachgegangen. Untersucht wurde das Einzugsgebiet der Paar im Bereich der Gemeinde Geltendorf mit einer Fläche von 38 km2, sowie das daran anschließende Einzugsgebiet bis zum Pegel Mering. Die Erweiterung des eigentlichen Untersuchungsgebiets war für die Modellvalidierung nötig. Die Simulation ergab, dass im Untersuchungsgebiet ein direkter Zusammenhang zwischen Oberflächenabfluss einerseits und Landnutzung und Böden andererseits besteht. Als besonders problematisch für die Hochwasserentstehung zeigten sich die Siedlungsgebiete sowie die landwirtschaftlich genutzten Flächen auf stark schluffigen Böden wie zum Beispiel Pararendzinen. Deutlich wird die mindernde Wirkung des Waldes. Auf bewaldeten Flächen wurde nahezu kein Oberflächenabfluss simuliert. Aufforstungsmaßnahmen einer Fläche von 130 ha (Flächen der Kat. A) haben kaum Auswirkungen auf den Gebietswasserhaushalt. Veränderungen bezüglich des Effektivniederschlages und der Grundwasserneubildung sind lokal begrenzt. Erst die Einbeziehung der Flächen der Kategorie B (entsprechend 450 ha zusammen mit den Flächen der Kategorie A) erbrachte eine deutliche Verbesserungen des Gebietswasserhaushaltes, mit einer Verringerung der mittleren Hochwasserabflüsse um 10 % und einer Erhöhung des Niedrigwasserabflusses. Als ausschlaggebend für diese im Vergleich mit anderen Studien großen Veränderungen werden die Standorteigenschaften

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der Flächen angesehen, die für die Aufforstung vorgeschlagen werden. Sie sind größtenteils grund- und stauwasserbeeinflusst. Die Simulationsstudie zeigte keine nennenswerten Auswirkungen der Waldumbaumaßnahmen (Fichten- zu Laubmischbeständen) auf den Wasserhaushalt. Dies ist aber wahrscheinlich auf das bei dieser Studie benutzte vereinfachte Vegetationsmodell und die unvollständige Information über die Grundwassersituation bedingt. Fazit: Aufforstungen mindern die mittleren Hochwasserspitzen und erhöhen den Niedrigwasserabfluss, wobei diese Effekte von der Größe der Aufforstungsfläche und der Standortswahl abhängen. Es kann mehr Wasser im Einzugsgebiet zurückgehalten, d.h. gespeichert werden.

Literatur KLÖCKING, B. et al. (2005): Auswirkungen des Borkenkäferbefalls auf den Wasser- und Stoffhaushalt zweier Gewässereinzugsgebiete im Nationalpark Bayerischer Wald, Schriftenreihe „Wasserhaushalt und Stoffbilanzen im naturnahen Einzugsgebiet der Großen Ohe“, Bd. 8, ISSN 0937-0056. LAWA, LÄNDERARBEITSGEMEINSCHAFT WASSER (2003): Instrumente und Handlungsempfehlungen zur Umsetzung der Leitlinien für einen zukunftsweisenden Hochwasserschutz. Düsseldorf PFÜTZNER, B. (ed.) (2002): Description of ArcEGMO. Official homepage of the modeling system ArcEGMO, http://www.arcegmo.de, ISBN 3-00-011190-5.

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Risikomanagement beim Frühjahrshochwasser 2005 an der Elbe im Regierungsbezirk Dresden Michael Moder, Viola Mojssetschuk Zusammenfassung Im Frühjahr 2005 bestand auf Grund der akkumulierten Schneemengen im Einzugsgebiet der Oberen Elbe sowie einer vorhergesagten plötzlichen Erwärmung, verbunden mit Niederschlägen in Form von Regen, die Gefahr eines Elbhochwassers, bei dem ein Pegelstand in Dresden von 8 m nicht auszuschließen war (HW 08/2002 9,24 m Pegel Dresden). Da sich die im Hochwasserschutzkonzept/HWSK Elbe (MODER et al. 2004) im Raum Riesa vorgeschlagenen Maßnahmen noch in der Planung befinden, sollte für den Fall des Erreichens derartiger Wasserstände und damit verbunden der Gefährdung bebauter Bereiche im Hinterland der Deichanlagen auf der Basis der Daten und Ergebnisse des HWSK ein Einsatzplan für die Sicherung definierter Bereiche erstellt werden. Es konnten verlässliche Aussagen für die Hochwasserabwehr abgeleitet werden. Durch diese Angaben konnte im Verlauf des Hochwassers auf die Aufschüttung eines vorgesehenen temporären Dammes verzichtet werden, da der Hochwasserscheitel letztendlich deutlich geringer ausfiel. 1. Hintergrund Im Ergebnis des Hochwassers vom August 2002 wurde von der Sächsischen Staatsregierung beschlossen, für die Elbe und alle Gewässer 1. Ordnung Hochwasserschutzkonzepte erstellen zu lassen. Die entsprechende rechtliche Grundlage ist auch im Sächsischen Wassergesetz vom 18.10.2004 verankert (§ 99b SächsWG i.d.F.v. 18.Oktober 2004). Für die Elbe wurde das Hochwasserschutzkonzept (HWSK Elbe) mit Datum vom 10.12.2004 durch das Sächsische Ministerium für Umwelt und Landwirtschaft als ganzheitliche Konzeption für die wasserwirtschaftliche und wasserbauliche Rahmenplanung für die kommende Jahre bestätigt, das bei Vorliegen weiterführender Untersuchungsergebnisse oder im Falle neuerer Erkenntnisse kontinuierlich fortzuschreiben bzw. zu aktualisieren ist. 2. Grundlagen und Ergebnisse des HWSK Elbe 2.1 Analyse des Hochwassers August 2002 und weiterer historischer Hochwasserereignisse Im ersten Schritt erfolgte die Zusammenstellung relevanter Informationen (Ursachen, Prozesse, Randbedingungen, Auswirkungen) zu bedeutenden Hochwasserereignissen der Vergangenheit an der Elbe sowie ein Vergleich zwischen diesen und dem Augusthochwasser 2002. Demnach lässt sich das Hochwasser vom August 2002 wie folgt in die Historie des Hochwassergeschehens an der Oberen Elbe in Sachsen einordnen:

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Tab. 1: Wahrscheinlichkeitstheoretische Einordnung des Hochwassers August 2002 (LFUG 2003) Wiederkehrintervall T [a]

HQ (T) [m³/s] Pegel Schöna

HQ (T) [m³/s] Pegel Dresden

HQ (T) [m³/s] Pegel Torgau

2 5 10 20 50 100 Hochwasser 2002 200

1.680 2.300 2.790 3.290 3.980 4.530 4.790 5.100

1.410 2.120 2.630 3.130 3.820 4.370 4.580 4.930

1.360 2.050 2.540 3.020 3.690 4.220 4.420 4.760

2.2 Digitales Geländemodell und Vermessungsdaten Durch die Bundesanstalt für Gewässerkunde (BfG) wurde auf der Basis der verschiedenen verfügbaren Geländemodelle in Sachsen ein Digitales Geländemodell für die potenziellen Überschwemmungsbereiche bis zu einem Wasserstand von 10 m Pegel Dresden erstellt. Dieses DGM wurde in mehreren Bearbeitungsschritten auf Plausibilität geprüft und verbessert. Gewässerquerprofile der Elbe (WSA Dresden) und Ergebnisse von Deichbefliegungen (LTV Sachsen) vervollständigten die geodätischen Grundlagen.

Abb. 1: Auszug aus dem Digitalen Geländemodell 2.3 Hydrologische Kenngrößen Auf der Grundlage der Wasserstands-Durchfluss-Beziehungen und der HQ(T) an den in Tabelle 1 genannten Pegeln wurde ein hydrologischer Längsschnitt für die stationären hydraulischen bzw. hydrodynamischen Berechnungen von der Staatsgrenze (Elb-km 0) bis zur Landesgrenze zu Sachsen-Anhalt (Elb-km 180) für definierte Wasserstände am Pegel Dresden (3,50 m bis 10,00 m Pegel Dresden) bzw. definierte Hochwasserwahrscheinlichkeiten (HQ2 bis HQ500) erstellt.

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2.4 Hydraulische/Hydronumerische Berechnungen Die Wasserspiegellagenberechnungen im Untersuchungsabschnitt wurden in Abhängigkeit von der Morphologie, den aus den historischen Hochwässern gezogenen Schlussfolgerungen sowie den Beobachtungen der abgelaufenen Prozesse während des Hochwassers im Jahre 2002 für einzelne Untersuchungsabschnitte mit unterschiedlichen Berechnungsverfahren ermittelt.

Abb. 2: Eingabemaske WSPWIN (1d) bzw. FES_WMS/HYDRO_AS-2D (2d-HN) 2.5 Ergebnisse Ergebnis der Untersuchungen waren flächendeckend Intensitätskarten der Überschwemmungsgebiete für verschiedene Hochwasserereignisse, Schadenspotenziale, abgeleitete Hochwasserschutzmaßnahmen, Überschwemmungsflächen nach Umsetzung der Maßnahmen, Kostenschätzungen sowie eine Priorisierung der Maßnahmen.

Abb. 3: Überschwemmungsgebiet HQ100 Ist-Zustand und nach Umsetzung des HWSK Elbe 3. Hochwasser Frühjahr 2005 – Gefährdungsbereiche im Raum Riesa Beim Frühjahrshochwasser 2005 wurden Wasserstände von bis zu 8 m am Pegel Dresden (ca. HQ20) prognostiziert. Dies hätte u. a. im Raum Riesa zu Überschwemmungen in bebauten Bereichen im Deichhinterland (Einstau, Rückstau) noch vor deren Überlastung geführt. Diese waren auch beim Augusthochwasser 2002 betroffen. Die im HWSK Elbe vorgesehe-

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nen Maßnahmen konnten allerdings noch nicht umgesetzt werden. Von betroffenen Anwohnern wurde deshalb die vorsorgliche Schüttung eines temporären Dammes vorgeschlagen.

Abb. 4: Untersuchungsgebiet 4. Ableitung von Einsatzplänen für den Hochwasserfall in diesen Bereichen auf der Basis der Daten und Ergebnisse des HWSK Elbe Auf Grundlage der Berechnungsergebnisse, des Geländemodells und der Hinweise der Bürger konnte für die Hochwasserabwehr vorgegeben werden, - dass spätestens ab einem Wasserstand von 7 m am Pegel Dresden und weiterem prognostizierten Anstieg mit der Schüttung des Dammes begonnen werden muss, - welche min./max. Bemessungshöhe unter Beachtung der Tatsache einzuhalten ist, dass ab bestimmten Hochwasserständen eine Überflutung auch von der Elbseite her erfolgt, - welchen konkreten Verlauf der Damm zum optimalen Schutz der Bebauung haben sollte, - wie viel Zeit zur Aufschüttung des Dammes (Anstieg der Hochwasserwelle aus Ereignisanalyse 2002) unter Beachtung der Fließzeit vom Pegel Dresden (km 55,6) bis zum Betrachtungsgebiet (km 114) verbleibt. Letztendlich kam es zu einem Hochwasserscheitel am Pegel Dresden von 5,96 m. Im Ergebnis der Empfehlungen an den Auftraggeber musste deshalb kein Damm geschüttet werden. Die logistischen Kräfte und finanziellen Mittel standen für andere Verteidigungsmaßnahmen zur Verfügung. Literatur LFUG (2003): Vorläufige Festlegung der HQ(T) für die sächsischen Elbpegel Schöna, Dresden und Torgau (Schreiben vom 11.06.2003) MODER; M., N. Victor, H. U. Besser, K. A. Grunske, A. Göttgens et al. (2004): Studie zur Hochwasserschutzkonzeption für die Elbe auf Sächsischem Territorium; hier: Regierungsbezirk Dresden Strom-km 0,0 (Landesgrenze) bis Strom-km 123,8. – HGN Hydrogeologie GmbH, Dresden

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Internationales Lehrmodul FLOODmaster – Integrated Flood Risk Management of Extreme Events – Jörg Seegert, Christian Bernhofer, Jochen Schanze und Katja Siemens Zusammenfassung Das umfassende Risikomanagement extremer Hochwasserereignisse stellt Forschung und Praxis vor die Herausforderung, komplexe fachgebietsübergreifende Ansätze zu entwickeln – um deren Anwendung sicherzustellen ist eine geeignete transdisziplinäre Vermittlung erforderlich. Hier setzt das Forschungsvorhaben FLOODmaster an, das an der Technischen Universität Dresden in englischer Sprache durchgeführt wird. Ziel ist die Konzipierung und Erprobung eines internationalen Lehrmoduls, in dem natur- und gesellschaftswissenschaftliche Erkenntnisse vermittelt werden, die für ein integriertes Hochwasserrisikomanagement relevant sind. Hierzu gehören die Quellen von Hochwassern, die Vulnerabilität betroffener Gebiete, daraus ableitbare Risiken sowie deren Minderung durch Vor- und Nachsorge sowie das Katastrophenmanagement. Alle Aspekte sind in ein Studienkonzept integriert, das aus zwei Ringvorlesungen, vier Workshops, einer mehrtägigen Exkursion sowie einer praxisbezogenen Studienarbeit besteht. Zielgruppen sind Studenten/innen höherer Fachsemester und Graduierte sowie Experten, die ihr Wissen erweitern wollen. Nach erfolgreicher Absolvierung aller Komponenten wird den Teilnehmern ein Abschlusszertifikat ausgehändigt. Die Lehrmaterialien werden web-basiert für ein Direkt- und Fernstudium bereitgestellt. Die Entwicklung des Moduls wird von einem wissenschaftlichen Beirat begleitet. FLOODmaster kooperiert eng mit Hochschulen und Forschergruppen im Rahmen des BMBF-rimax-Verbundes sowie des EU-Forschungsprojektes IP FLOODsite. 1. Einführung und Hintergrund Im Zusammenhang mit den drastischen Auswirkungen des Extremhochwassers 2002 an der Elbe und ihren Nebenflüssen ist insbesondere die Bedeutung von Risikokommunikation und Wissenstransfer deutlich geworden; nicht nur in Bezug auf „Preparedness“ bzw. Warnung der betroffenen Anlieger, sondern auch bzgl. einer transdisziplinären Aus- und Weiterbildung. Bislang existiert weder in Deutschland noch in Europa ein entsprechendes Studienprogramm, das auf ein integriertes Hochwasserrisikomanagement fokussiert, einen transdisziplinären Ansatz verfolgt und natur- und ingenieurwissenschaftliche Grundlagen mit Erkenntnissen der Wirtschafts- und Sozialwissenschaften sowie Raumplanung zusammenzuführen versucht (PLATE 1999, SCHANZE 2002). Deshalb wird z. Zt. im Rahmen der Förderaktivität „Risikomanagement extremer Hochwasserereignisse“ des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF 2004) an der TU Dresden in Kooperation mit dem „Dresden Flood Research Center“ das internationale Lehrmodul FLOODmaster als Schwerpunkt im MSc Studiengang „Hydro Science & Engineering“ entwickelt und getestet.

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2. Ziele, Schwerpunkte und Studienkonzept Das Lehrmodul vermittelt die komplexen Zusammenhänge eines integrierten Hochwasserrisikomanagements und basiert auf einem theoretisch-methodologischem Gesamtrahmen (Schanze 2006), der den Teilnehmern ermöglicht, ihren spezifischen fachlichen Hintergrund einzubringen. Zielgruppen sind Student/innen höherer Fachsemester und Graduierte sowie „Professionals“, die bereits im Hochwasserrisikomanagement arbeiten. Schwerpunkte des Moduls sind die Darstellung von Hochwassern als Naturgefahr, die Vermittlung einer „Risikokultur“ auf Grundlage von Risikoeinschätzung und -management, Minderungsstrategien sowie methodischen Ansätzen. Die fachlichen Aspekte sind in ein Studienkonzept integriert worden, das aus folgenden Komponenten besteht (Abbildung 1):

Abb. 1: Studienkonzept des internationalen Lehrmoduls FLOODmaster Die Ringvorlesung (class) I erfasst die Gesamtheit physischer Prozesse von extremen Hochwasserrisiken in Flussgebieten, d. h. die Kausalkette von der Entstehung (sources) über die Abflussbahnen (pathways) bis zu den Schäden in den Überflutungsbereichen (receptors). Die Konsequenzen (consequences) incl. möglicher Managementstrategien – als zentraler Schwerpunkt der Ringvorlesung II – beruhen weitgehend auf dem komplexen Verständnis dieses “Flood Risk Systems” (Schanze 2006). Am Ende der Ringvorlesung I soll der Student in der Lage sein, Risiko als (negative) Konsequenz aus Gefahr (hazard) und gesellschaftlicher Betroffenheit (vulnerability) zu begreifen. Die Ringvorlesung II vermittelt theoretischmethodologisch die Teilaufgaben des Hochwasserrisikomanagements, d. h. Analyse (risk analysis), Bewertung (risk evaluation) einschließlich Risiko-Wahrnehmung sowie Minderung (risk mitigation). Dazu gehören Vorsorge (incl. Kommunikationsinstrumente), Krisenbewältigung (incl. Frühwarnung) und Nachsorge mit dem Ziel, Optionen zur Risikominderung entwickeln und interpretieren zu können. Die Ringvorlesungen finden während der Semester im wöchentlichen Turnus statt und werden von wechselnden Dozenten bestritten. Das Studienprogramm wird von vier Workshops ergänzt – drei Fokus-Workshops, die auf dem Fortschritt der Ringvorlesungen basierend die wichtigsten Fluttypen (flash floods, river floods, coastal floods) thematisieren sowie einem Akteurs-Workshop, der abschließend in

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einem Planspiel unter Einbeziehung von Entscheidungsträgern „aus der Praxis“ versucht, relevante Konflikte bei der Entwicklung von Managementstrategien herauszuarbeiten. Eine mehrtägige Große Exkursion führt in ein größeres Flusseinzugsgebiet unter besonderer Berücksichtigung transnationaler Aspekte und Probleme. Das Modul wird mit einer praxisrelevanten Studienarbeit zu einem konkreten Untersuchungsobjekt („Fallstudie“) abgeschlossen, in der die theoretischen und praktischen Grundlagen aus den Teilveranstaltungen in einem integrierten Projekt zusammengeführt werden. Erfolgreichen Teilnehmern aller Veranstaltungen wird ein Abschlusszertifikat ausgehändigt. Die Unterrichtsmaterialen werden web-basiert bereit gestellt (www.floodmaster.de) und dienen gleichzeitig als Lehrkompendium für den 2. Projektabschnitt, in dem das Modul zu einem Weiterbildungsangebot weiterentwickelt und gezielt auch „Professionals“ aus dem Bereich des Hochwasserrisikomanagements angesprochen werden sollen. Das Programm wird von einem wissenschaftlichen Beirat nationaler und internationaler Experten beraten und vor allem von regionalen Entscheidungsträgern und Akteuren (Sächsische Landestalsperrenverwaltung bzw. Landesamt für Umwelt und Geologie, Stadt Dresden etc.) unterstützt. Das Projekt kooperiert eng mit nationalen und internationalen Forschungsvorhaben insbesondere dem IP FLOODsite der Europäischen Kommission, innerhalb dessen an der Entwicklung einer internationalen Ausbildungsplattform gearbeitet wird. 3. Erfahrungen des ersten FLOODmaster-Jahrgangs 2005/06 FLOODmaster wurde als eines der ersten Forschungsprojekte im Rahmen der aktuellen BMBF-Förderaktivität „Risikomanagement extremer Hochwasserereignisse“ im April 2005 an der TU Dresden mit einem Kick Off-Workshop gestartet. Nach einem Grußwort des Rektors nahmen neben nationalen und internationalen Gastreferenten und Vertretern aus Hochwasserforschung und -praxis bereits auch über 60 Student/innen teil. Im Anschluss an die Veranstaltung startete die Ringvorlesung I, deren Lehrveranstaltungen von hydrometeorologischen über hydraulische Grundlagen bis zur Einführung in die sozio-ökonomischen Rahmenbedingungen des Hochwasserrisikomanagements, d. h. erste Bewertung von Schäden sowie generell Maßnahmen und Instrumente zur Risikominderung, reichten. Abb. 2: Student/innen des internationalen Masterkurses „Hydro Science and Engineering“ während eines FLOODmaster-Workshops beim Kartenstudium

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Der Workshop I fand Mitte Juni 2005 statt und konzentrierte sich auf Methoden zur Analyse und Vorhersage von „Flash Floods“ (Sturzfluten) am Beispiel des Müglitz-Hochwassers 2002 im Osterzgebirge. Die Ergebnisse wurden von den Student/innen in einer Posterausstellung aufbereitet, die abschließend auf der „Langen Nacht der Wissenschaften“ Anfang Juli der interessierten Öffentlichkeit präsentiert wurde. Eine Feldexkursion führte Mitte September 2005 eine Gruppe von 25 Student/innen in das grenzüberschreitende Einzugsgebiet der Theiß nach Ungarn, die Ukraine und Rumänien. Hier wurden Herausforderungen transnationaler Kooperationen und Probleme beim Hochwasserrisikokomanagement deutlich, da die Hochwasserentstehungsgebiete der Theiß überwiegend in der Ukraine und Rumänien liegen und die nordungarische Tiefebene mittlerweile regelmäßig alle 10-15 Jahre von sog. Extremhochwassern betroffen ist. Abb. 3: Student/innen des FLOODmaster-Programms an einer hydro-meteorologischen Monitoringstation an der Firiza (Rumänien) Im Rahmen der Ringvorlesung II im Wintersemester 2005/06 wurde unter besonderer Berücksichtigung der „Integration“ theoretisch in das Hochwasserrisikomanagement eingeführt sowie verschiedene, vorwiegend international relevante Aspekte ergänzt: bspw. vermittelte S. Jonkmann von der TU Delft in einer Videovorlesung wichtige Aspekte zur „Loss of Life“-Thematik. – Das Modul wurde mit dem Workshop II zu „River Floods“ fortgesetzt, der als komplementäre Ergänzung zum „Flash Flood“-Workshop u.a. auch eine methodische Einführung in die hydro-numerische Modellierung umfasste (zur Entwicklung von Gefahrenhinweiskarten). Abb. 4: Paul Samuels, Koordinator des EU-IP „FLOODsite“ bei seiner Einführungsvorlesung zum „River Flood“ Workshop im November 2005 in Dresden Mit dem Themenworkshop III „Coastal Floods“ wurde die Darstellung der wichtigsten Fluttypen Anfang Januar 2006 abgeschlossen. Die Veranstaltung wurde als Nordsee-Exkursion organisiert und fand mit Unterstützung des Leichtweiß-Instituts der TU Braunschweig (Dr. Kortenhaus) sowie der Arbeitsgruppe Küstengeographie der Christian-Albrechts-Universität in Kiel (Prof. Sterr) am Forschungs- und Technologiezentrum West in Büsum statt.

Abb. 5: Abschlussdiskussion beim „Coastal Flood“-Workshop im Januar 2006 in Büsum Der abschließende Akteurs-Workshop im Kloster St. Marienthal/Neiße (Oberlausitz) widmete sich praxis-relevanten “Fallbeispielen”, indem unter Einbeziehung von Entscheidungsträgern

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„aus der Praxis“ in einem Planspiel Konflikte bei der Entwicklung von Managementstrategien herausgearbeitet wurden. Die Teilnehmer/innen lernten dabei insbesondere Perspektiven realer Akteure im Hochwasserrisikomanagement kennen, die Ihnen helfen sollen, Ihre Studienarbeit zu einem konkreten Untersuchungsobjekt („Fallstudie“) abzuschließen. Dank Allen FLOODmaster-Dozenten wird sehr herzlich für Ihre Mitwirkung und Beiträge gedankt. – Das Projekt wird unter dem Förderkennzeichen 0330680 aus Mitteln des BMBF gefördert.

Literatur BMBF - Bundesministerium für Bildung und Forschung (2004): Richtlinie zur BMBF-Förderaktivität “Risikomanagement extremer Hochwasserereignisse”. Berlin, 22.03.04 PLATE, E. J. et al. (1999): Flood Risk Management: a Strategy to Cope with Floods. Proceeding of the European Expert Meeting on the Oder Flood 1997. European Commission; Ribamod concerted action. May 18th, 1998, Potsdam SCHANZE, J. (2002): Nach der Elbeflut – Die gesellschaftliche Risikovorsorge bedarf einer transdisziplinären Hochwasserforschung. GAIA 11(4), 247 – 254 SCHANZE, J. (2006): Flood Risk Management - A Basic Framework. Schanze J., E. Zeman & J. Marasalek, (Eds.) Flood Risk Management – Hazards, Vulnerability and Mitigation Measures, Springer, 1-19.

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Bewusstseinsbildung für Hochwassergefahren und den Hochwasserschutz in Köln Reinhard Vogt, Hochwasserschutzzentrale Köln

Abb. 1: Kulissenstadt Für den Hochwasserschutz insgesamt und für den vorsorgenden Hochwasserschutz insbesondere, ist ein ständiges, offensives Engagement bei der Bewusstseinsbildung für Hochwassergefahren und notwendige Hochwasserschutzmaßnahmen unabdingbar. Diese Bewusstseinsbildung muss bei allen Akteuren des Hochwasserschutzes erfolgen. Auch um effektiv Frühwarnungen kommunizieren zu können, sind eine vorzeitige Information und eine aktive Diskussion mit den Betroffenen erforderlich. Wenn man bis zum Hochwasserereignis warten würde, könnte eine Krisenkommunikation nicht erfolgreich ablaufen. Köln, die am meisten von Hochwasser betroffene Großstadt Europas, konnte beim „Jahrhunderthochwasser“ 1995 auf die Erfahrungen der vergangenen Jahre, zurückgreifen. Durch optimierten Maßnahmenablauf war eine Schadenshalbierung - 35 Mio. € statt 70 Mio. €- möglich. Jedoch entging Köln 1995 nur knapp einer großen Katastrophe. Mit einem nur 30cm höheren Wasserstand wären ca. 250.000 Menschen in Köln betroffen gewesen und Milliardenschäden in Köln entstanden. Als Folge verabschiedete Köln 1996 ein Hochwasserschutzkonzept, das die Grundlagen für den vorsorgenden und baulichen Hochwasserschutz, sowie für das Hochwassermanagement bildet. Im Hochwasserschutzkonzept der Stadt Köln werden wichtige Grundlagen einer Schadensvermeidung und -verringerungsstrategie bei Hochwasser geschaffen. Die ständige Sensibilität für das plötzliche Auftreten von Naturkatastrophen, die dauernde Bewusstseinsbildung über deren Ursachen und die Auswirkungen menschlicher Eingriffe sind zur Verhinderung von Hochwasserschäden wichtige integrale Bestandteile des ganzheitlichen Konzeptes ebenso wie die Optimierung von Bau-, Flächen- und Verhaltensvorsorge.

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Trotz der zwei großen Hochwasser am Rhein 1993 und 1995, bei denen die Stadt Köln fast eine Hochwasserkatastrophe erlebt hätte, wird auch in Köln, wie auch an der Elbe und an anderen Flüssen die Hochwassergefährdung sehr schnell vergessen. Die Sensibilität der durch Hochwasser gefährdeten Bewohner muss aber auf Dauer erhalten bleiben. Daher wird das Thema „Hochwasser“ permanent in der breiten Öffentlichkeit, mittels verschiedener Medien und Aktionen mit jeweils unterschiedlichen Schwerpunkten und Zielgruppen bewusst gemacht: Hochwassermerkblatt Bürgerabende „Hochwasser“ in allen gefährdeten Ortsteilen Hochwasserfilm Hochwasser-Spaziergang Hochwasserausstellung an zentralen Orten Hochwasserprojekte in Schulen Hochwassertage mit Hilfsorganisationen und Aktivitäten für Kinder Hochwasserübungen Hochwassermodell Events wie die „Längste Pegellatte der Welt“ Hochwasserinfoseite im Internet, mit ständig aktuellem Wasserstand und Prognose Hochwassergefahrenkarten als CD, gedruckt und im Internet

Abb. 2: Hochwasserpräsenz im Kölner Karneval Alle diese Aktivitäten unterstützen das Bewusstsein für einen notwendigen Hochwasserschutz.

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Insbesondere muss immer wieder verdeutlicht werden, dass es keinen absoluten Hochwasserschutz gibt, das die Hochwasservorsorge mit Flächen- und Bauvorsorge das wichtigste Mittel zur Vermeidung von Hochwasserschäden ist, aber auch optimierte Verhaltensvorsorge und operatives Hochwassermanagement bedeutsam zur Schadensverringerung sind.

Abb. 3: Infostände bei Messen, z.B. Messestand bei der WasserLeben in Berlin zur Sensibilisierung von Kindern und Jugendlichen

In Köln ist die ständige Sensibilisierung für Hochwasserschutz sehr erfolgreich, jedoch gibt es auch Rückschläge bei der Umsetzung des Hochwasserschutzes und Interessenkonflikte mit der Stadtentwicklung. So konnte hochwasserangepasstes Bauen in der Vergangenheit nicht immer durchgesetzt werden. Durch das jetzt vorliegende Artikelgesetz zum vorsorgenden Hochwasserschutz ist den Hochwasserschützern jedoch ein Werkzeug in die Hand gelegt worden, dem Hochwasserschutz in der Stadt- und Raumplanung noch mehr Bedeutung zu verschaffen.

Zwei Retentionsräume, die natürlich auch gegen Partikularinteressen durchgesetzt werden müssen, werden gebaut! Auch hierbei ist, ebenso wie bei der Rückverlegung von Deichlinien und bei der Versickerung von Niederschlagswasser eine ständige offene Öffentlichkeitsarbeit und die Einbeziehung von Bürgern und Bürgerinitiativen, sowie der Politik unerlässlich. Die Schaffung einer Basis gegenseitigen Vertrauens, insbesondere zwischen Bürgern und Verwaltung, ist von herausragender Bedeutung. Bei der Umsetzung des baulichen Hochwasserschutzes in Köln wird jedoch bereits jetzt immer versucht dem Fluss Raum zu geben. Die 60km Mauern und Deiche werden - wenn möglich- nah an die Bebauung verlegt. Um jeden Kubikmeter Retentionsraum wird gerungen und um die Akzeptanz von Hochwasserschutzanlagen „vor der Nase“ zu verbessern, werden als Hochwasserschutz 10 km mobile Wände erstellt. In der Gebietsentwicklungsplanung, sowie in der Bauleitplanung und in der Planung von bedeutsamen Projekten in Rheinnähe wurde in den letzten Jahren die Zusammenarbeit der Raum- und Stadtplaner mit der Hochwasserschutzzentrale Köln intensiviert und optimiert, so dass jetzt hier der vorsorgende Hochwasserschutz die notwendige Bedeutung erhält. Für hochwasser- und grundwassergefährdete Gebiete, auch für zukünftig geschützte Bereiche, für die es schließlich dennoch keinen absoluten Schutz vor Überschwemmungen gibt, ist die Bau- und Verhaltensvorsorge unerlässlich und besonders wichtig zur Schadensminimierung. Hier bestehen große Möglichkeiten zur Verringerung des Schadenspotentials. Da die Eigenvorsorge gestärkt werden muss, sind die Gefahrenkarten für das gesamte

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Kölner Stadtgebiet mit verschiedenen Pegelständen bis zu Katastrophenwasserständen entwickelt worden. Diese stehen dem Bürger in gedruckter Form, als CD und auch im Internet zur Verfügung. Jeder Bürger kann auf Hochwassergefahrenkarten ersehen, wie sein Haus oder Grundstück bei welchem Kölner Pegelstand betroffen ist und wie hoch das Wasser in seiner Strasse steht. Kein Bürger wird mit der Problematik des Hochwasserschutzes allein gelassen, sondern Informationsveranstaltungen in allen gefährdeten Gebieten, in Zusammenarbeit mit Energieversorgern, Haustechnik- Beratern, Stadtentwässerung und Fachberatern zum Thema Dichtungsmaterialen, leisten Hilfestellungen zur Selbsthilfe. Die Hochwasserschutzzentrale Köln bietet auf ihrer Internetseite www.hochwasserinfokoeln.de nicht nur zu jeder Zeit den aktuellen Kölner Pegel mit der aktuellen Hochwasserprognose und -Warnung für Köln, sondern auch viele nützliche Informationen für ratsuchende Bürger.

Abb. 4: Internetseite Vor Beginn der hochwassergefährdeten Jahreszeit wird zur Information und für einen ausreichenden Selbstschutz der Bewohner in den Überschwemmungsgebieten das ständig zu aktualisierende "Hochwassermerkblatt für Bewohner gefährdeter Gebiete" verteilt. Das Merkblatt informiert über die wichtigsten Ansprechpartner des Hochwasserdienstes, die Informations- und Hilfsstellen sowie über vielfältige Vorsorge- und Verhaltensmaßnahmen im akuten Hochwasserfall. Je nach vorausgesagter Hochwasserentwicklung werden verschiedene Warn- und Informationsmedien wie das Hochwassermerkblatt, Warnplakate und Lautsprecherdurchsagen/ Sirenen eingesetzt.

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Die Einbindung von Rundfunk und Fernsehen in das Warngeschehen ist äußerst hilfreich. So ist „Radio Köln“ Tag und Nacht in der Hochwasserschutzzentrale vertreten und sendet aktuelle Lageberichte zeitnah. Ein wichtiger Faktor für Warnung und Hilfe der betroffenen Bürger sind die Bürgerinitiativen und -gemeinschaften. Sie arbeiten mit der Einsatzzentrale der Hochwasserschutzzentrale Köln zusammen und informieren vor Ort über Schutzmaßnahmen, Entwicklungen und Hilfeleistungen sowie den allgemeinen Hochwasserdienst.

Abb. 5: Hochwassermerkblatt Mittels des EU-Projektes „NOAH“ sollen zukünftig Informationen und Daten des Kölner Hochwasserinformations- und –managementsystems in das Internet einfließen. Aus der Hochwasservorschrift und der Wasserstandsprognose wird grafisch und GIS- basiert ein Maßnahmen-Fahrplan erstellt, der auch die Vorbereitungs- und Durchführungszeiten der einzelnen Maßnahmen berücksichtigt und die wichtigsten Maßnahmen bedarfsgerecht der Öffentlichkeit zugänglich gemacht. Die überregionale interkommunale Zusammenarbeit im Flusseinzugesgebiet und mit anderen Flusseinzugsgebieten mit Auslobung von Hochwasserpreis, Erfahrungsaustausch und Fachausstellungen stärken das Bewusstsein, dass nur gemeinsam und über Grenzen Hochwasserschutz sinnvoll ist. Viele weitere Aktivitäten der Sensibilisierung für den Hochwasserschutz sind geplant: - Hochwasserfilm- Übersetzung ins englische und französische - Weiterführung der Hochwasserausstellung an markanten Plätzen in Köln, an der Elbe, Donau und Rhein - Entwicklung weiterer Hochwasserpartnerschaften - Messepräsenz - Schulungen - Internationale und nationale Sensibilisierungsprojekte Trotz aller Aktivitäten und Schutzmaßnahmen und trotz eines optimierten gemeinsamen Handelns der Bürger mit den öffentlichen Institutionen der Hochwasservorsorge und des Hochwasserschutzes können Hochwasserschäden nicht gänzlich verhindert werden. Es bleiben immer Unwägbarkeiten und die Grenzen der Technik und das nächste Hochwasser kommt bestimmt.

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Effektive Ansätze zur Beschreibung des Hochwasserrisikos urbaner Räume Thilo Weichel, Karsten Schulz, Dagmar Haase Zusammenfassung Urbane Räume benötigen aufgrund ihrer Werteakkumulation und Schadenspotentiale eine besondere Effektivität und Nachhaltigkeit hinsichtlich des Hochwasserschutzes. Die Autoren beschäftigen dazu mit Fragen der Bewertung der Effektivität hydrodynamisch ausgewiesener Hochwasserrisikoflächen, welche eine wesentliche Basis raumplanerischer Entscheidungen darstellen. Die Ergebnisse sollen als Entscheidungsgrundlage für effektive kommunale Hochwassermanagementstrategien mit dem Ziel der Minderung von Schadenspotentialen exponierter urbaner Strukturen dienen. Methodisch werden dazu die Berücksichtigung und Qualität ausgewählter hydrodynamischer Prozessgrößen sowie deren raum-zeitliche Veränderlichkeit bzw. Unsicherheiten untersucht. 1. Einleitung Die Entwicklung der Ausweisung von Hochwasserrisikoflächen ist eng an den Bedarf dieser raumplanerischen Basisinformation, als auch an die technische Entwicklung von Verfahren und Modellen gekoppelt. Informationen zu potentiell vom Hochwasser betroffenen Flächen werden dementsprechend vor allem in dynamischen und durch Nutzungskonkurrenzen geprägten urbanen Räumen benötigt (MIGNOT et al. 2006). Die technischen Entwicklungen der Computer- und Fernerkundungstechnologien (BATES et al. 2003, MASON et al. 2003) ermöglichen es zudem, mittels hoch aufgelöster Geländemodelle und mehrdimensionaler hydrodynamischer Modelle zur Hochwassersimulation, detaillierte Aussagen zu diesen erforderlichen Planungsgrundlagen zur Verfügung zu stellen. Inwieweit diese Technologien vor dem Hintergrund der Komplexität der Wassertransportwege urbaner Räume als auch hinsichtlich deren räumlicher und zeitlicher Auflösung hinreichend genaue Aussagen liefern, untersuchen die Autoren am Beispiel der Stadt Dresden im Rahmen des BMBF-Projektes 3ZM-GRIMEX. 2. Projekt 3ZM-GRIMEX Das BMBF-Projekt „3ZM-GRIMEX - Entwicklung eines 3-Zonen Modells für das Grundwasser- und Infrastrukturmanagement nach extremen Hochwasserereignissen“ bildet den derzeitigen Rahmen der Arbeiten. Dazu werden beispielhaft für die Stadt Dresden die komplex ineinander greifenden Wechselwirkungen des Wassertransportes innerhalb urbaner Räume im Hochwasserfall untersucht. Motivation hierzu waren die extremen Folgen des Augusthochwassers 2002, bei dem neben den direkten Überschwemmungen vor allem Überflutungen des Hinterlandes durch die Kanalisationsnetze sowie lang anhaltende Grundwasserhochstände erhebliche Schäden verursachten. Der Schwerpunkt im Gesamtprojekt liegt in der Entwicklung eines Werkzeuges zur gekoppelten modellgestützten Abbildung des Oberflächen-, Kanal- und Grundwasserabflusses. Das hier vorgestellte Teilprojekt beschäftigt sich dazu mit der hydrodynamischen Modellierung des Oberflächenabflussverhaltens.

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3. Effektive Ansätze zur Ausweisung von Hochwasserrisikoflächen Die Ausweisung von Hochwasserrisikoflächen, d.h. Überschwemmungsflächen und überschwemmungsgefährdeten Flächen lt. §31b, §31c Wasserhaushaltsgesetz (WHG 2005), stellen für den Gesetzgeber ein bedeutendes Werkzeug der Raumplanung dar. Dabei erhöhen sich in dicht besiedelten Räumen, u. a. aufgrund der geometrischen Komplexität zu berücksichtigender Strukturen, die Anforderungen an die hydrodynamische Modellierung (MIGNOT et al. 2006). Insbesondere für diese schadenssensiblen Räume ist es von immenser Bedeutung vom Hochwasser betroffene Flächen effektiv und nachhaltig, entsprechend dem Stand der Technik und vor dem Hintergrund der anzustrebenden Zielgrößen zu bestimmen. Anhand nachfolgender Arbeitsansätze soll deren Effektivität, als Maß für die Zielerreichung möglichst genauer Informationen zur Ableitung von Hochwasserrisikoflächen, beschriebenen werden. 3.1 Daten und Skalen Der Stand der Technik (BATES et al. 2003, MASON et al. 2003) ermöglicht es, räumlich und zeitlich sehr hoch aufgelöste Daten als Grundlage der Modellierung von Überschwemmungsflächen zur Verfügung zu stellen. Diesbezüglich stellt sich u. a. die Frage, welche räumliche Auflösung vor welchem angestrebten Zielmaßstab notwendig ist. Dieser liegt z.B. in Sachsen für die Gefahrenhinweiskarten Hochwasser bei 1:100.000 (LFUG 2005). Um den Einfluss und die Effektivität der Maßstabsabhängigkeit der Modelleingangsparameter auf die Qualität der Vorhersagen möglichst gut beschreiben zu können, werden diese mittels komplexer Sensitivitätsstudien untersucht und an ereignisbezogenen Daten kalibriert. 3.2 Berücksichtigung weiterer Wassertransportpfade Die Integration der Wassertransportpfade Grundwasser und Kanalisation (SCHMITT et al. 2004) in Hochwassergefahrenkarten stellt insbesondere für urbane Räume eine

Abb. 1: Verlauf der Hochwasserstände 07/2002 – 01/2004 (DGFZ 2004)

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unabdingbare Notwendigkeit dar. Allein für den Talauenbereich der Elbe im Stadtgebiet Dresden kam es infolge des Augusthochwasser 2002 zu Grundwasserhochständen, die bis ca. eineinhalb Jahre nach dem Ereignis anhielten (Abbildung 1). Des Weiteren wurden zahlreiche Flächen in nicht direkt an die Vorflut angeschlossenen Bereichen über Wasseraustritte aus dem Kanalisationsnetz dokumentiert. Um diese Interaktionen mit den direkten Überschwemmungsflächen zu berücksichtigen, werden innerhalb des Projektes 3ZM-GRIMEX die Kopplungen von Modellen zur Abbildung des Oberflächen-, Kanal- und Grundwasser realisiert. Im Ergebnis sollen die bisher allein vom Vorfluter ausgehenden Hochwasserrisikoflächen durch die der genannten Wassertransportpfade ergänzt werden. 3.3 Integration von Flächennutzungsänderungen Urbane Räume unterliegen aufgrund zahlreicher Interessen und Ansprüche in besonderer Weise einem dynamischen Flächennutzungs- und Flächenwertewandel. Die Entwicklungen der Vergangenheit gingen dabei oftmals zu Lasten der potentiellen Überschwemmungsgebiete (HAASE 2003). Die Ausweisungen von Hochwasserrisikoflächen (WHG 2005) berücksichtigt diese Trends sich verändernder Wertakkumulationen jedoch nicht. Um langfristig angelegte Hochwasserschutzmaßnahmen effizient umzusetzen, könnte die Integration potentieller städtebaulicher Entwicklungstrends, eine sinnvolle Erweiterung des Konzeptes der Hochwasserrisikoflächenausweisung darstellen. Über die Zielgröße Flächennutzung sollen der dynamische Landnutzungs- und Schadenpotentialwandel urbaner Räume in die Modellergebnisse bzw. die Erstellung von Hochwasserrisikokarten integriert werden. Dadurch erhöht sich deren nachhaltige Belastbarkeit. Als Prozessvariablen werden neben dem flächennutzungsabhängigen Rauhigkeitsverhalten (WERNER et al. 2005), Änderungen der Topographie betrachtet und auf ihre Wirksamkeit (ARONICA et al. 1998) in der hydrodynamischen Modellierung hin analysiert. Dazu wird u. a. die Erfassung hydrodynamisch wirksamer Veränderungen mittels flugzeuggetragener Laserscannersysteme (LIDAR) untersucht. Über die bidirektionale Kopplung an ein räumlich explizites Stadtmodell (Abbildung 2) werden die Arbeiten diesbezüglich weitergeführt.

Abb.2: Modellkopplung

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4. Hydrodynamisches Modell - TRIMR2D Die Autoren verwenden zur hydrodynamischen Modellierung des Oberflächenwassers das Programm TRIMR2D (Transient Inundation Model for Rivers-2 Dimensional). TRIMR2D ist ein 2-dimensionales hydrodynamisches Modell, welches ursprünglich als Modell TRIM (CASULLI 1990) für die Modellierung von Küstengewässern entwickelt und später durch den U.S. Geological Survey (WALTERS & DENLINGER 1999) für Fließgewässer weiterentwickelt wurde. Es basiert auf einer semi-impliziten numerischen Umsetzung der Kontinuitätsund Massenerhaltungsgleichung mittels semi-Lagranian Finite Differenzen Methode. Neben der hohen Stabilität des Modells, auch für große Untersuchungsgebiete, stellte die „open source“ Nutzung einen wesentlichen Grund für die Auswahl des Programms hinsichtlich der projektbezogenen Modellkopplung dar. Im Zuge der Modellanwendung und zur Plausibilitätsprüfung der Ergebnisse werden zudem Vergleiche mit weiteren Modellen (TELEMAC-2D, MIKE FLOOD) angestrebt.

Literatur ARONICA, G. et al. (1998): Uncertainty and equifinality in calibrating distributed roughness coefficients in a flood propagation model with limited data. Advances in Water resources 22(4): 349 - 365. BATES, P. D. et al. (2003): Optimal use of high-resolution topographic data in flood inundation models. Hydrological Processes 17(3): 537-557. CASULLI, V. (1990): Semi-implicit finite difference methods for the two-dimensional shallow water equations. Journal of Computational Physics 86(1): 56. DGFZ - DRESDNER GRUNDWASSERFORSCHUNGSZENTRUM E.V. (2004): Auswirkungen des Hochwassers auf das Grundwasser in Dresden. Workshop zum BMBF-Projekt. HAASE, D. (2003). Holocene floodplains and their distribution in urban areas - functionality indicators for their retention potentials. Landscape and Urban Planning 66(1): 5. LFUG - Sächsisches Landesamt für Umwelt und Geologie (2005): Hochwasser in Sachsen – Gefahrenhinweiskarte. MASON, D. C. et al. (2003): Floodplain friction parameterization in two-dimensional river flood models using vegetation heights derived from airborne scanning laser altimetry. Hydrological Processes 17(9): 1711-1732. MIGNOT, E. et al. (2006): Modeling floods in a dense urban area using 2D shallow water equations. Journal of Hydrology In Press, Corrected Proof. SCHMITT, T. et al. (2004): Analysis and modeling of flooding in urban drainage systems. Journal of Hydrology 299(3-4): 300. WALTERS, R.A. & R.P. DENLINGER (1999): Appendix C – Description of flood simulation models: Bureau of Reclamation Report 99-7,12p. WERNER, M. G. F. et al. (2005): Identifiability of distributed floodplain roughness values in flood extent estimation. Journal of Hydrology 314(1-4): 139. WHG – Wasserhaushaltsgesetz (2005): geändert durch: Gesetz zur Verbesserung des vorbeugenden Hochwasserschutzes vom 03.05.2005. Bundesgesetzblatt 2005 Teil I Nr. 26.

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Ausweisung von Überflutungsflächen und Ermittlung von Schadenspotenzial-Verteilungen Astrid Zimmermann, Winfried Willems Zusammenfassung In dem RIMAX-Projekt „Extreme Hochwasserabflüsse und Kumul-Schadenspotenziale im Bodegebiet“, das sich im ersten von drei Förderungsjahren befindet, wird die gesamte Ursache-Wirkungskette vom hochwasserauslösenden Starkniederschlag bis zum resultierenden Schaden abgebildet. In den Teilprojekten 1 bis 3 werden Bemessungsniederschläge in unterschiedlicher Weise generiert. Teilprojekt 4 ermittelt daraus die entsprechenden Bemessungsabflüsse. Das hier vorgestellte Teilprojekt 5 befasst sich mit der Ermittlung der Überflutungsbereiche sowie den daraus abzuleitenden Schäden. Dazu werden aus den innerhalb von Teilprojekt 4 ermittelten Abflüssen Hochwasserserien extrahiert und diese mittels eindimensionaler Wasserspiegellagenberechnung zu einer Vielzahl ereignisbasierter Überschwemmungsgrenzen weiter verarbeitet. Die Überschwemmungsgrenzen werden dann mit den Vermögenswerten des Gebietes verschnitten und zu ereignisbasierten Schadenssummen aufsummiert, so dass im Ergebnis Häufigkeitsverteilungen von Schadenssummen vorliegen. Dabei werden entgegen der sonst üblichen Vorgehensweise Hochwasserschadenssummen ereignisbasiert bestimmt („KumulSchadenssummen“) und auf dieser Grundlage Erwartungswerte, Standardabweichungen und Wahrscheinlichkeitsverteilungen von Hochwasserschadenssummen im gesamten Flussgebiet abgeleitet. Im bisherigen Verlauf des Projektes erfolgten sowohl Arbeiten im Bereich der hydraulischen Modellierung als auch im Bereich der Schadensmodellierung. 1. Automatische Generierung von Querprofilen Bei der hydraulischen Modellierung des Bodeflussgebietes sind Fluss-Querprofile für sämtliche Gewässerstrecken des Gewässernetzes, also sämtliche 1900 Kilometer, zwingend erforderlich. Da im Bodeeinzugsgebiet Querprofilvermessungen nur im Bereich der Bode bis Kilometer 105 vorliegen, müssen die Querprofile für die unbeobachteten Flussverläufe generiert werden. Dies erfolgt über drei Schritte: die Extraktion von TalQuerprofilen aus dem Höhenmodell, die Generierung von Fluss-Querprofilen über Hilfsgrößen und die Zusammenführung von Tal- und Fluss-Querprofilen zu GesamtQuerprofilen. Für die automatische Ermittlung der Tal-Querprofile sollte ein möglichst genaues hochauflösendes Digitales Geländemodell (DGM) vorliegen. Für das Bodeeinzugsgebiet liegt ein DGM mit 10 mal 10 m Auflösung vor. Die Extraktion erfolgt quasisenkrecht zur jeweils aktuellen Fließrichtung mit einem Abstand zwischen zwei Querprofilen von ca. 50 m. Die Fluss-Querprofile können nicht aus dem DGM extrahiert werden, weil dieses in der Regel im Bereich der Flusslage die Wasserspiegeloberfläche als Höhenangabe enthält. Aus diesem Grund werden die Fluss-Querprofile synthetisch als Rechteckprofile erzeugt. Dazu werden Informationen zur Flussbreite und zum Wasserstand bei bordvollem Abfluss benötigt. Für die Ableitung der Flussbreite sollten idealerweise georeferenzierte digitale

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topographische Karten (DTK) und Neigungsmodelle vorliegen. Für das Bodegebiet sind DTKs im Maßstab 1:25000 vorhanden. Mittels spezieller Algorithmen werden aus den DTKs Uferlinien und Flussbreiten für die Bode ermittelt. Bei den anderen Flüssen und Bächen im Bodeeinzugsgebiet, die in den DTKs nicht mit rechter und linker Uferlinie dargestellt sind, dient der über Regressionsbeziehungen ermittelte mittlere Hochwasserabfluss (MHQ) zum Bestimmen der Flussbreite. Zur Festlegung der Tiefe des FlussQuerprofils bei bordvollem Abfluss wird – die Gültigkeit der so genannten RegimeTheorie zugrunde legend – das mit einem zu kalibrierenden Faktor multiplizierte MHQ angesetzt und mittels der Manning-Strickler-Gleichung in einen Wasserstand umgerechnet. Nach Erstellung der Tal- und Fluss-Querprofile werden diese schließlich zu GesamtQuerprofilen zusammengesetzt, die letztlich dann Eingang in die hydraulische Berechnung finden (Abbildung 1). Das geschilderte Verfahren arbeitet in stark höhengegliederten Gebieten wie im Bereich des Harzes sehr gut. Probleme bei der Querprofilgenerierung treten jedoch in Flachlandgebieten wie im Teileinzugsgebiet des Großen Grabens auf, da dort die Auflösung des DGMs nicht ausreichend ist und somit zu wenig valide Querprofile erzeugt werden können.

Generiertes und gemessenes Querprofil am FKM 9,88 der Bode 63

Höhe üNN [m]

62 61 60 59 generiert

58

gemessen

57 70

90

110

[m]

130

150

170

Abb. 1: Vergleich generiertes und gemessenes Querprofil für den FKM 9,88 der Bode 2. Berechnung der Vermögenswerte Das Vermögen der Wirtschaftsbereiche setzt sich aus dem Bruttoanlagevermögen und dem Vorratsvermögen zusammen. Das statistische Landesamt Baden-Württemberg stellt Daten zum Bruttoanlagevermögen in Sachsen-Anhalt für 2003 zur Verfügung. Angaben für das Vorratsvermögen der einzelnen Bundesländer sind aus der Statistik nicht erhältlich. Es wird hier die durchschnittliche Relation des Vorratsvermögens zum Bruttoanlagevermögen in Gesamtdeutschland von 8 % angesetzt (KLAUS & SCHMIDTKE 1990). Die Bruttowertschöpfung wird zur Berechnung des Produktionsausfalls genutzt. Vom Statistischen Landesamt Sachsen-Anhalt liegen Angaben über die Bruttowertschöpfung im Jahr 2003 für die Landkreise Sachsen-Anhalts vor.

183

Angaben über die Landwirtschaftsfläche sowie über den Ertrag bestimmter Fruchtarten für jeden Landkreis können ebenfalls aus der Statistik entnommen werden. Der Erzeugerpreis für die Fruchtarten wird von der Zentralen Markt- und Preisberichtstelle (ZMP) bzw. aus der Literatur (SCHMIDT 2004) ermittelt. Aus den Angaben für Ertrag je Landkreis und Fruchtart und dem jeweiligen Erzeugerpreis kann das Vermögen für Ackerland je Landkreis berechnet werden. Das Vermögen eines Landkreises für Grünland ergibt sich aus dem Vermögen für Heu und dem Viehvermögen eines Landkreises. Das Viehvermögen ergibt sich aus der Viehanzahl und dem Erzeugerpreis. Das Wohnungsvermögen setzt sich aus dem Wohnungskapital und dem Hausrat zusammen. Für die durchschnittliche Wohnungsanzahl pro Kopf in Sachsen-Anhalt gilt der durchschnittliche Verkehrswert je Haushalt in Sachsen-Anhalt. Für Gemeinden, deren Wohnungsanzahl pro Kopf vom Durchschnitt abweicht, wird der Verkehrswert modifiziert (KLAUS & SCHMIDTKE 1990). Das Wohnungskapital wird dann aus dem gemeindespezifischen Verkehrswert und der Wohnungsanzahl für jede Gemeinde berechnet. Aus weiteren Literaturstudien wird eine Relation des Hausrats zum Wohnungskapital von 40 % festgestellt (HYDROTEC 2002; HAMANN & REESE 2000). Mit diesen Annahmen wird die Summe des Wohnungsvermögens je Gemeinde bestimmt. In Anlehnung an eine Studie von HYDROTEC (2002) wird für einige Objektarten des Digitalen Basis-Landschaftsmodells (Basis-DLM), wie z. B. Wald und Gartenland, ein spezifischer Schaden, d. h. ein von der Wasserstandshöhe unabhängiger Schaden, angenommen. 3. Verknüpfung der Vermögenswerte mit dem Basis-DLM Über die Landkreis- bzw. Gemeindekennnummer können die Vermögenswerte mit den Flächen des Basis-DLMs verknüpft werden. Die ermittelten Vermögenswerte für Ackerland, Grünland und Wohnbaufläche werden direkt übernommen, da sie bereits auf die Fläche bezogen sind. Für Ackerland und Grünland erfolgt dies auf Landkreisebene, für die Wohnbaufläche auf Gemeindeebene. Die Vermögenswerte der Wirtschaftsbereiche werden als Summen ermittelt. Sie müssen demzufolge noch auf die Fläche bezogen werden. Die berechnete Bruttowertschöpfung der Wirtschaftsbereiche für die Landkreise wird auf die Basis-DLM Objektarten aufgeteilt. Der Flächeninhalt der Objektarten, die den Wirtschaftsbereichen zugeordnet sind, wird je Landkreis ermittelt. Daraus lässt sich dann das auf die Fläche bezogene Vermögen berechnen. Ebenso wird mit dem Bruttoanlage- und Vorratsvermögen verfahren. Diese werden jedoch nur für gesamt Sachsen-Anhalt ermittelt. Für die zu Thüringen und Niedersachsen gehörenden Teilflächen des Bodeeinzugsgebiets werden mittlere Vermögenswerte, gebildet aus den Werten der zu Sachsen-Anhalt gehörenden Landkreise des Einzugsgebietes, angenommen. Den Flächen der Basis-DLM Objektarten, für die spezifische Schäden vorliegen, wird im gesamten Bodeeinzugsgebiet der gleiche Wert zugeordnet. Die Ergebnisse sind in Abbildung 2 dargestellt. Das Gebiet wird im Bereich des Harzes durch die Landnutzung Wald dominiert, die mit einem relativ geringen spezifischen Scha-

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den hinterlegt und somit in der Farbkategorie gelb < 0,05 €/m² enthalten ist. Im restlichen Gebiet tritt vorwiegend Ackerland auf. Auch hier sind die ermittelten Vermögenswerte im unteren Bereich anzutreffen. In Abbildung 2 liegen sie in der Farbkategorie orange 0,05 – 1 €/m². Deutlich sind auch die Schadensherde bei Überschwemmungen identifizierbar. In diesen Bereichen dominieren Siedlungen und Industriegebiete.

Abb. 2: Vermögen in €/m² im Bodeeinzugsgebiet

Literatur HAMANN, M. & S. REESE (2000): Wertermittlung und Schadensanalyse als Instrument für die Küstenschutzplanung in Schleswig-Holstein. - In: Bremer Beiträge zur Geographie und Raumplanung. Heft 36, S. 139-147, Bremen HYDROTEC (2002): Hochwasser-Aktionsplan Lippe, Grundlagen, Überflutungsgebiete, Schadenspotenzial, Defizite und Maßnahmen, Band I: Bericht und Karten, Hydrotec Ingenieurgesellschaft für Wasser und Umwelt mbH, Aachen KLAUS, J. & R. F. SCHMIDTKE (1990): Bewertungsgutachten für Deichbauvorhaben an der Festlandsküste - Modellgebiet Wesermarsch. Untersuchungsbericht im Auftrag des Bundesministers für Ernährung, Landwirtschaft und Forsten, Bonn SCHMIDT, T. (2004): Integrierte Methodik zur ökologischen und ökonomischen Analyse von Agrarsystemen unter Berücksichtigung von Unsicherheiten. Dissertation, Martin-Luther Universität Halle-Wittenberg

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Management lokaler hydrologischer Extremereignisse durch angepasste landwirtschaftliche Nutzung Peter Fiener 1. Einleitung Auf der unteren Mesoskala stehen extreme hydrologische Ereignisse in direktem Zusammenhang mit Landnutzung und – management. Die schadensträchtigsten Abflüsse, die oftmals mit großen Sedimentgehalten belastet sind, werden vor allem beim Zusammentreffen extremer Niederschlagsereignisse und geringer Bodenbedeckung im Frühjahr oder nach der Ernte im Spätsommer beobachtet. Im Gegensatz zu makroskaligen Extremereignissen mit entsprechenden großen Schadenssummen, sind diese lokalen Extremereignisse bisher wenig untersucht (z.B. Verstraeten et al. 2003), obwohl auch hier lokal erhebliche Schäden für Privatbesitz, Infrastruktur oder öffentliche Einrichtungen entstehen. Misst man das Abflussverhalten eines permanenten Fließgewässers, liegen wegen der Größe des Einzugsgebietes meist nur pauschale Informationen zur Landnutzung vor, die ggf. auch Eingang in die Modellierung finden. Mit diesen Pauschalangaben lassen sich häufig befriedigende Prognosen erstellen, da sich viele Einflüsse durch kleinflächige Nutzungsunterschiede kompensieren und am Gewässer kein deutliches Signal mehr erzeugen. Daraus wird häufig der Umkehrschluss gezogen, dass die landwirtschaftliche Nutzung nur wenig Möglichkeiten bietet, die Abflussgeschwindigkeit zu vermindern und dass daher Hochwasserschutzmaßnahmen an anderer Stelle greifen müssen. Das Potential hochwassermindernder Flächenbewirtschaftung in Kombination mit hochwassermindernden Landschaftsstrukturelementen wird hier anhand exemplarischer Messungen auf dem Klostergut Scheyern und eines konzeptionellen Modellansatzes dargestellt. 2. Möglichkeiten hochwassermindernder Flächenbewirtschaftung Die landwirtschaftliche Flächenbewirtschaftung beeinflusst in vielfältiger Weise das Abflussgeschehen in landwirtschaftlich geprägten Einzugsgebieten. Dies gilt insbesondere für Ackerflächen auf denen je nach Bewirtschaftungstechnik und Fruchtfolge in unterschiedlichem Maße Einfluss auf die Oberflächenverschlämmung (Roth et al. 1995), die Makroporeninfiltration (Weiler & Naef 2003), die Bodenverdichtung sowie die Bodenrauhigkeit (Takken et al. 2001) genommen wird. Insbesondere die Oberflächenverschlämmung und die Bodenrauhigkeit können durch geeignete Fruchtfolgen und Bearbeitungstechniken, die die Bodenbedeckung durch Pflanzen und Pflanzenreste so hoch wie möglich halten (Auerswald et al. 2000), direkt beeinflusst werden. Der Zusammenhang zwischen Bodenbedeckung und Abflussbildung konnte in Beregnungsversuchen in Scheyern und Umgebung deutlich nachgewiesen werden (Abbildung 1). Nun ist die Bedeckung durch Kulturpflanzen bereits aus agronomischen Gründen optimiert, nicht aber die Bedeckung durch Zwischenfrüchte und abgestorbene Pflanzenteile. Diese Bedeckung könnte gegenüber der heute üblichen Situation deutlich verbessert werden (Auerswald et al. 2000). Im konventionellen Landbau bietet sich vor allem das Mulchsaatverfahren bei Reihenkulturen an. Damit kann nicht nur die Bodenverschlämmung reduziert werden, sondern es nimmt

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100

50

B

Mahdruschkulturen Reihenkulturen Gesamt

40

yGesamt = 41.1 e-0.046 x

30

2

R = 0.74, n = 74

20 10

80 70 60 50

0

40 0

20

40

60

80

Mahdruschkulturen Reihenkulturen Gesamt

90 Curve Number

Abflussvolumen [mm] nach 65 mm Niederschlag

A

100 0 Bedeckung [%]

CNGesamt = -0.46 x + 84.62 R2 = 0.72, n = 74 20

40

60

80

100

Abb. 1: A) Abflüsse aus Beregnungsversuchen (65 mm, 1 h) unterschiedlicher Kulturen (Getreide, Raps, Mais, Zuckerrüben), Standorte, Parzellengrößen (8-35 m³) und Anbauverfahren; B) Berechnete Curve Numbers für die gemessenen Abflüsse; (Auerswald & Haider 1996, Auerswald & Kainz unveröffentlicht). auch der Fließwiderstand zu, da die Bodenoberfläche rauer bleibt und zudem die Mulchschicht einen weiteren Widerstand darstellt. Dies zeigt sich beispielsweise in einer Zunahme von Manning’s n mit zunehmender Mulchbedeckung (Gilley et al. 1991). Berücksichtigt man den höheren Fließwiderstand in einem dynamischen, räumlich hoch auflösenden Abflussmodell (Van Oost 2003), so wird zum einen der Spitzenabfluss reduziert und zum anderen steht mehr Zeit zur Infiltration nach Regenende zur Verfügung (Nachfluss-Infiltration) (Tabelle 1). Durch die dreifache Wirkung einer Mulchdecke (geringere Verschlämmung, Nachfluss-Infiltration und Wellendämpfung) kann diese Maßnahme ganz wesentlich die Hochwassersituation entspannen. Tab. 1: Einfluss der Bodenrauhigkeit (Manning's n) auf Scheitelabfluss und Infiltration nach Regenende (Nachfluss-Infiltration), ohne Berücksichtigung zunehmender Bedeckung auf die Abflussbildung. Modellergebnisse für ein 3.8 ha großes Einzugsgebiet in Scheyern (87 mm Niederschlag, Wiederkehrwahrscheinlichkeit 10 Jahre, berechneter Abfluss vor NachflussInfiltration 1273 m³). Bodenbedeckung Manning's n aus Pflanzenreste Mulchbedeckung [%] (nach Gilley et al. 1991) 5 10 20 30 40 50

0.021 0.034 0.055 0.075 0.095 0.116

Scheitelabfluss

Nachfluss-Infiltration

[m³/s]

[%]

[m³]

[%]

0.053 0.050 0.048 0.046 0.044 0.043

100 94 90 86 83 80

82 90 98 104 111 118

100 109 119 127 135 143

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3. Möglichkeiten hochwassermindernder Landschaftsstrukturelemente Landschaftselemente wie Feldraine, Grasfilterstreifen sowie begrünte Abflussmulden (Grassed Waterways – GWWs) beeinflussen ihrerseits das Abflussgeschehen aus landwirtschaftlichen Flächen. Besonders wirksam sind GWWs, da diese konzentrierten Abfluss im Volumen vermindern und die Abflussgeschwindigkeit und damit den Scheitelabfluss reduzieren (Fiener & Auerswald 2005). Die Effektivität von GWWs hängt wesentlich vom Zufluss aus den zu entwässernden Flächen ab (Abbildung 2), wird dieser reduziert steigt die GWW Effektivität. Neben der Flächenbewirtschaftung spielt auch eine flächendifferenzierte Nutzung eine entscheidende Rolle, da die abflussproduzierenden Flächen innerhalb der landwirtschaftlichen Nutzung wechseln. Die Effektivität der Kombination von flächenhaften Maßnahmen und GWW zeigen Ergebnisse aus einem 8.0 ha großen Einzugsgebiet in Scheyern, dass im Vergleich zu einem ähnlichen benachbarten Einzugsgebiet ein langfristig (19942001) um 90% reduziertes Abflussvolumen aufwies (Fiener & Auerswald 2003). 50 Zufluss 48 l s-1 Abflussrate [l s-1]

40 30 Zufluss 27 l s-1 20 Abflussversuch

10

Zufluss 9 l s-1 Zufluss 5 l s-1

0 0

120

240

360

480

600

720 min

Abb. 2: Verringerung der Abflussrate bei konzentriertem Zufluss in einen Grassed Waterway von 290 m Länge. Kreissignaturen zeigen Ergebnisse eines Abflussversuches mit konstantem Zufluss (9 l s-1, Scheyern, 02.10.01). Linien resultieren aus einer dynamischen, physikalisch basierten Modellierung des konzentrierten Abflusses (Fiener & Auerswald 2005). Wie effektiv die Kombination aus Flächenmaßnahmen und geeigneten Landschaftsstrukturelementen ist, lässt sich auch für einzelne Starkniederschläge anhand einer Modellierung, die die Abflussbildung auf Basis eines grundlegend veränderten Curve Number Ansatzes ermittelt (verändert nach Van Oost 2003), zeigen. Dabei wird zum einen die Bodenbedeckung entsprechend Abbildung 1B, zum anderen die Bodenverschlämmung in Anlehnung an Schröder & Auerswald (2000) berücksichtigt. Die Abflusskonzentration erfolgt räumlich und zeitlich hochauflösend mit Hilfe eines kinematischen Wellen-Ansatzes. Exemplarisch wurde der Scheitelabfluss und das Abflussvolumen des 8.0 ha großen Einzugsgebietes in Scheyern (bodenkonservierende Bewirtschaftung und 290 m GWW) für die reale Nutzung und zum Vergleich für konventionelle Nutzung berechnet (Tabelle 2). Ohne bodenkonservierende Bewirtschaftung und GWW ergibt sich ein um den Faktor 2.5 höher Scheitelabfluss. Der modellierte Effekt eines GWWs in Kombination mit konventioneller Bewirtschaftung im Vergleich zur Situation ohne GWW ist mit einer Reduktion des

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Scheitelabflusses um den Faktor 1.5 immer noch deutlich. Dabei muss allerdings berücksichtigt werden, dass GWWs durch große Sedimenteinträge, die bei fehlendem Flächenschutz zu erwarten sind, in ihrer Funktion geschädigt werden können. Tab. 2: Modellierte Abflussvolumina und Scheitelabflüsse am Beispiel eines Starkniederschlages (87 mm) in einem Einzugsgebiet (8.0 ha) in Scheyern. Landnutzung

Abflussvolumen [m³] [%]

Bodenschonende Bewirtschaftung in der Fläche mit Grassed Waterway 1615# ohne Grassed Waterway 2125 Konventionelle Bewirtschaftung in der Fläche mit Grassed Waterway 2223 ohne Grassed Waterway 3328 # Gemessenes Abflussvolumen 1213 m³

Scheitelabfluss [m³/s] [%]

100 132

0.063 0.080

100 127

138 206

0.103 0.156

164 247

4. Bewertung Die dargestellten Maßnahmen vermindern nicht nur den Abfluss, sondern auch den Bodenabtrag und –austrag und dies noch wesentlich effektiver, als sie zur Minderung lokaler Hochwassersituationen beitragen. Somit wird die Gewässerbelastung mit Sedimenten und Nähr- und Schadstoffen reduziert und ein wesentlicher Beitrag zum Bodenschutz geleistet. Alle Maßnahmen wurden über 10 Jahre auf dem Klostergut Scheyern (ca. 1 km³) durch den Forschungsverbund Agrarökosysteme München getestet (Auerswald et al. 2000). Dabei konnte nicht nur die Wirksamkeit, sondern auch agrarökonomische Vorteile nachgewiesen werden. Trotzdem fehlt bisher eine Etablierung der Maßnahmen in der Praxis. Dies beruht im wesentlichen auf traditionellen Vorstellungen und der Skepsis, sowohl auf hydrologischer wie auf agronomischer Seite, hinsichtlich der Wirksamkeit der vorgestellten Maßnahmen.

Literatur AUERSWALD, K et al. (2000): Principles of sustainable land-use systems developed and evaluated by the Munich Research Alliance on agro-ecosystems (FAM). Petermanns Geogr. Mitt. 144, S. 16-25. AUERSWALD, K. & J. HAIDER (1996): Runoff curve numbers for small grain under German cropping conditions. - J. Environ. Manag. 47, S. 223-228. FIENER, P. & K. AUERSWALD (2005): Measurement and modeling of concentrated runoff in a grassed waterway. - J. Hydrol. 301, S. 198-215. FIENER, P. & K. AUERSWALD (2003): Effectiveness of grassed waterways in reducing runoff and sediment delivery from agricultural watersheds. - J. Environ. Qual. 32, S. 927-936. GILLEY, J.E. et al (1991): Roughness coefficients for selected residue materials. - J. Irr. Drain. Eng. -ASCE. 117, S. 503-514.

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ROTH, C.H. et al. (1995): Oberflächenverschlämmung und Abflußbildung auf Böden aus Löß und pleistozänen Sedimenten. - Z. Pflanzenernähr. Bodenkd. 158, S. 43-53. SCHRÖDER, R. & K. AUERSWALD (2000): Modellierung des Jahresgangs der verschlämmungsinduzierten Abflussbildung in kleinen landwirtschaftlich genutzten Einzugsgebieten. - Z.Kulturtech.Landentw. 41, S. 167-172. TAKKEN, I. et al. (2001): The effect of tillage-induced roughness on runoff and erosion patterns. - Geomorphology 37, S. 1-14. VAN OOST, K. (2003): Spatial modelling of soil redistribution processes in agricultural landscapes. - Dissertation K.U. Leuven. Leuven. VERSTRAETEN, G. et al. (2003): Integrating science, policy and farmers to reduce soil loss and sediment delivery in Flanders, Belgium. - Environ. Sci. & Policy 6, S. 95-103. WEILER, M. & F. NAEF (2003): Simulating surface and subsurface initiation of macropore flow. - J. Hydrol. 273, S. 139-154.

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Vorhersage und Management von Sturzfluten in urbanen Gebieten (URBAS) Fritz Hatzfeld, Klaus Friedeheim, Arthur Kubik, Thomas Einfalt, Jörg Seltmann, Andreas Wagner, Dietmar Castro, Stefan Frerichs 1. Veranlassung Aktuelle Studien zum Klimawandel weisen für Westeuropa eine wachsende Häufigkeit und Intensität von sturzflutartigen Unwettern auf. Diese entstehen meist aus lokal begrenzten sommerlichen Starkniederschlägen, häufig begleitet von Gewitter, Hagel und Sturmböen. Solche Ereignisse überschreiten teilweise die Niederschlagssummen der statistisch ermittelten 100-jährlichen Niederschläge. Sie führen in Verbindung mit hohen Versiegelungsgraden zu extremen Abflüssen im städtischen Raum mit z.T. hohen Schadenssummen. Die herkömmlichen Instrumente der Hochwasservorsorge und der Hochwasserbewältigung für größere Gewässersysteme und Einzugsgebiete können nicht oder nur modifiziert auf Sturzflutereignisse übertragen werden. 2. Ziele Verbesserung der Kenntnisse über: - diese Ereignisse (Art, Verlauf, Häufigkeit, maßgebliche Parameter) - regionale Verteilung von Gefahren und Risiken - praktizierte Vorhersagen und Warnungen - Abflussszenarien, Überflutungen und Schadensbilder in urbanen Räumen Entwicklung von: - Methoden zur Verbesserung der Vorhersage dieser Ereignisse - praktikable und kosteneffiziente Handlungsvorschläge für Vorsorge, Warnung, Schutzmaßnahmen und Katastrophenmanagement - Operationalisierung der Handlungsvorschläge

Abb. 1: Zuständigkeiten im Katastrophenmanagement

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3. Methoden und Bearbeitung - standardisierte deutschlandweite Ereignissammlung - Fallstudien in 15 repräsentativen Kommunen - Meteorologische Untersuchungen, Gefahrenanalyse Niederschlag - Niederschlags- bzw. Abflussanalysen, Gefahrenanalyse Abfluss - mikroskalige Bewertung potenzieller Schäden - Gefahren- und Risikoanalyse als kommunale, regionale Aufgabe, Ex-Post-Analyse bisher praktizierte Reaktionsmuster der relevanten Akteure - Empfehlungen für den vorbeugenden Hochwasserschutz, Bewertung nach Kosten/Nutzen - Erfahrungsaustausch, Veröffentlichung und Verbreitung der Ergebnisse 4. Datenbank 320 Unwetterereignisse wurden über Formulare in einer Internet-Datenbank erfasst. Sie bildet die Basis für die Dokumentation und Analyse von Sturzflutereignissen.

Abb. 2: Datenbankformular

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Abb. 3: Lage der Fallstudien (grün) und Kandidaten (rot) 5. Fallstudien Anhand von Kriterien (z.B. Ereignistyp, Zeitraum, Größe der Kommune, Bundesland) wurden aus der Ereignisdatenbank 45 Kandidaten für Fallstudien ausgewählt. Davon werden 15 betroffene Orte im Rahmen von Fallstudien detailliert untersucht. Zur Zeit haben 11 Städte Interesse an einer Teilnahme an URBAS im Rahmen einer Fallstudie bekundet. Bei weiteren 26 Kandidaten ist eine Teilnahme noch offen. 6. Beispiel: Fallstudie Lohmar Es handelte sich dabei um zwei Ereignisse an zwei aufeinander folgenden Tagen. Die Niederschlagszellen formierten sich in Bereichen mit ausgeprägten Konvergenzen, die in ein ostwärts ziehendes Tief eingebettet waren.

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Abb. 4: Gewitterfront über NRW und Lohmar aufgezeichnet vom Radar Essen (Messwerte nicht angeeicht) Die Untersuchung der Fallstudie Lohmar umfasst schwerpunktmäßig die Verbesserung der Vorwarnmöglichkeiten für diese extremen Niederschlagsereignisse und die Erarbeitung und Tests von Empfehlungen für Vorsorgemaßnahmen zur Minderung und Vermeidung von Sachschäden. Tab. 1: Niederschlagsmesswerte aus Lohmar (Quelle: DWD 2005). Datum 29.06.2005 30.06.2005 Tagesniederschlag [mm] 60-80 40-50 Jährlichkeit [Jahre] 100 20 Niederschlag max. [mm] 51,6 (3 Std.) 31,2 (2 Std.) a

Abb. 5: Feuerwehreinsätze (rot) und Wasseraustritte aus dem Gewässerund Kanalnetz (blau) in Lohmar.

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7. Ergebnisse Die Ergebnisse sind für die Versicherungswirtschaft, für betroffene Kommunen und Bürger, die Stadtplanung, den Katastrophenschutz sowie für die im Bereich der Siedlungswasserwirtschaft tätigen Fachverbände, Behörden und Büros von verwertbarem Interesse.

Literatur DWD (2005): Amtliches Gutachten. Niederschlag am 29. und 30. Juni 2005 in Lohmar – Essen.

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Hochwasservorhersage und Hochwasserrisikomanagement im bayerischen Donaugebiet – Erste Ergebnisse des EU-Projektes “PREVIEW” Peter Krahe , Vera Holzhauer, Marek Tinz, André Assmann , Jan Bliefernicht, Karlheinz Daamen, Michael Kunz, Gotthard Meinel, Silke Rademacher Zusammenfassung Im 6. Rahmenprogramm der EC werden mit dem integrierten Projekt „PREVentIon and Early Warning“ (PREVIEW) operative GMES Geo-Informationsdienstleistungen zur Unterstützung des europäischen Katastrophenschutzes und der zuständigen lokalen und regionalen Behörden definiert und entwickelt sowie ihre operationelle Machbarkeit demonstriert. Thematisiert werden Risikofelder wie Waldbrand, Hochwasser, Sturm, Erdbeben und Vulkanismus bis hin zu Industrierisiken. Die Naturgefahr Hochwasser wird im Rahmen des Projektes in den vier Teilprojekten „Vorhersage von Sturzfluten“, „Kurzfristvorhersage und Hochwasserrisikomanagement“, „Mittelfristvorhersage“ und „Hochwasser in Skandinavien“ behandelt. Am Beispiel des bayerischen Donaugebietes wird ein Prototyp entwickelt, der wesentliche Komponenten eines integrierten Hochwasserrisikomanagements für die in dieser Region typischen Hochwasserereignisse enthält. Die Ergebnisse einer Nutzerbefragung die zur Definition von fünf Dienstleistungen, die im Rahmen des Teilprojektes „Kurzfristvorhersage und Hochwasserrisikomangement“ nun umzusetzen sind, werden vorgestellt. 1. Einleitung Global Monitoring of Environment and Security (GMES) ist eine gemeinsame Initiative der Europäischen Kommission (EC) und der Europäischen Weltraumbehörde (ESA) mit dem Ziel, ein aus europäischer Sicht eigenständiges und operationelles Erd-Beobachtungssystem zu etablieren, welches dauerhaft wichtige Umweltinformationen zur Unterstützung politischer Entscheidungsträger verfügbar macht. Zur Implementierung von GMES Diensten werden von der Europäischen Kommission und der Europäischen Weltraumbehörde eine Vielzahl an Aktivitäten durchgeführt, mit dem Ziel, diese Dienste ab 2008 operationell einsetzen zu können. Im 6. Rahmenprogramm der EC werden mit dem integrierten Projekt „PREVentIon and Early Warning“ (PREVIEW) operative GMES Geo-Informationsdienstleistungen zur Unterstützung des europäischen Katastrophenschutzes und der zuständigen lokalen und regionalen Behörden definiert und entwickelt sowie ihre operationelle Machbarkeit demonstriert. Thematisiert werden Risikofelder wie Waldbrand, Hochwasser, Sturm, Erdbeben und Vulkanismus bis hin zu Industrierisiken. Involviert sind 58 europäische Partner, die sich aus Vertretern der Nutzerorganisationen, wissenschaftlichen Einrichtungen, Dienste-Anbietern und der Industrie zusammensetzen. Alle Phasen des Risikomanagements, wie Vorsorge, Bereitschaft und Katastrophenmanagement, sollen dabei in einem konsistenten und harmonisierten Ansatz behandelt werden, um den Austausch der Informationen zwischen den für die Bereitstellung der Dienste zuständigen Institutionen sowie den Entscheidungsträgern zu erleichtern. PREVIEW-GMES Dienste zielen darauf ab, Satellitendaten mit in-situ Messungen, archivierten Daten und neuen Modelllierungsansätzen zu verbinden. Hierbei sind die neuesten Erkenntnisse der For-

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schung ebenso wie die der IT-Technologien einzusetzen. Im Rahmen des Projektes werden die Dienste definiert, entwickelt und schließlich unter prä-operationellen Bedingungen validiert und demonstriert. Für weitere Informationen zum Gesamtprojekt wird auf www.previewrisk.com verwiesen. Die Naturgefahr Hochwasser wird im Rahmen des Projektes unter den vier Gesichtspunkten •

Vorhersage von Sturzfluten („flash floods“),

•

Kurzfristvorhersage (Vorhersagezeit < 3 d) und Hochwasserrisikomanagement,

•

Mittelfristvorhersage (Vorhersagezeit > 3d),

• Hochwasser in Skandinavien („Northern Floods“) jeweils auch in vier separaten Teilprojekten behandelt. Zur Festlegung und Unterscheidung der Themenbereiche bilden die spezifischen Eigenarten der Hochwasser bzgl. der betroffenen Raum- und Zeitskala sowie des Naturraumes maßgebliche Kriterien. Diese Faktoren bestimmen die Vorhersagbarkeit der Ereignisse und erfordern deshalb speziell auf sie abgestimmte Dienste. 2. Kurzfristvorhersage und HochwasserRisikoManagement Auf diesem Themenbereich arbeiten sieben Projektpartner mit dem Ziel am Beispiel des bayerischen Donaugebietes einen Prototypen zu entwickeln, der wesentliche Komponenten eines integrierten Hochwasserrisikomanagements für die in dieser Region typischen Hochwasserereignisse enthält. Neben Aspekten der hydrometeorologischen und hydrologischen Vorhersage sind die für das Risikomanagement wichtigen Komponenten der Gefahrenkarten ebenso wie eine rasche Bereitstellung der aktuellen Ausdehnung der überfluteten Flächen und der davon betroffenen Infrastruktur von besonderer Bedeutung. Bei den Vorhersagediensten soll insbesondere der Aspekt der Quantifizierung der Unsicherheiten unter Berücksichtigung der Fortpflanzung der Fehler in der für die Vorhersage eingesetzten Modellkette betrachtet werden. Die bestimmten Unsicherheiten sollen dann entsprechend nutzerfreundlich aufbereitet werden, um sie im Rahmen der Entscheidungsfindungen, die von den Betroffenen auf den verschiedensten Ebenen während eines Hochwassers getroffen werden müssen, einzusetzen. Damit wird auch eine Verlängerung des Vorhersagezeitraumes von derzeit einigen Stunden auf bis zu zwei bis drei Tage angestrebt. Produkte und Dienste, welche die quantitative Niederschlagsvorhersage sowie die Niederschlag-Abfluss-Modellierung (N-A-Modellierung) verbessern sollen, werden im Einzugsgebiet der Iller (AEo= 2152 km²) validiert. Auf dem bayerischen Donauabschnitt, der durch die Pegel Neu-Ulm (Fluss-km 2586,7) und Achleiten (Fluss-km 2223,1) an der deutsch/österreichischen Grenze nähe Passau begrenzt wird, ist die hydrodynamische Modellierung unter Verwendung unsicherer (probabilistischer) Vorhersagen der Nebenflüsse zu demonstrieren. Die zum Aufbau und zur Demonstration der Gefahrenkarten und des Hochwasserinformationssystemes vorgesehenen städtischen Pilotregionen befinden sich derzeit noch in der Evaluierungsphase. Ausgewählte Hochwasserereignisse, für die im Rahmen des Projektes quasi-operationelle Vorhersagen durchgeführt und die Wirkungsweise des Hochwasserrisikomanagements auf-

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gezeigt werden, sind das Pfingsthochwasser 1999 sowie die Augusthochwasser 2002 und 2005. 3. Nutzeranforderungen und portfolio der Dienste Als ein erstes Ergebnis im Sinne der GMES-Anforderungen wurden fünf Dienste und ihnen zugeordnete Produkte definiert, die zusammen mit einem Fragenkatalog im Rahmen eines Interviews potenziellen Endnutzern vorgestellt und diskutiert wurden. Die hierbei gewonnenen Erkenntnisse flossen wiederum in eine Verfeinerung der Dienste und der Produktbeschreibungen ein. Die fünf Dienste (Abbildung 1) sind: 3.1 Hochauflösender Wettervorhersagedienst Für eine präzisere Bestimmung von Niederschlagsfeldern werden räumlich und zeitlich hochauflösende Niederschlagsdaten mit Hilfe von genesteten Simulationen des neu entwickelten Lokalmodells Kürzestfrist (LMK) des Deutschen Wetterdienstes (DWD) abgeleitet. Als höchste räumliche Auflösung wird ein 1km x 1km Raster angestrebt. Ebenso wird geprüft, inwieweit mit einer LMK-Ensemble-Vorhersage in dem angestrebten Vorhersagezeitraum bis zu drei Tagen Verbesserungen bezüglich der Quantifizierung der Unsicherheiten bei der Niederschlagsvorhersage zu erzielen sind. Infoterra GmbH Land Cover Service for Water Management

IMK High-Resolved Weather forecast Services

BLfU Rainfall-Runoff Modeling

Geomer GmbH Flood Risk Mapping and Damage Assessment Service

Infoterra GmbH Flood InformationService IÖR

BfG Ensemble ShortTerm Flood Forecasting Service

IWS Sensitivity Analysis

Abb. 1: Übersicht über das Dienste-Protfolio im Teilprojekt „Kurzfristvorhersage und Hochwasserrisikomanagement“ im Projekt PREVIEW 3.2 Ensemble Kurzfrist-Hochwasservorhersagedienst Es wird ein hydrometeorologischer Präprozessor entwickelt, der es erlaubt, die hydrometeorologischen Beobachtungswerte sowie die aus verschiedenen Quellen stammenden hydrometeorologischen Vorhersagedaten unter Berücksichtigung ihrer Fehlercharakteristik in Eingangsdaten für die hydrologischen Vorhersagemodelle umzuwandeln. Diese Daten finden zunächst Anwendung in der N-A-Modellierung, müssen dann aber auch entsprechend bei

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der Wellenablaufmodellierung in der Donau beachtet werden. Weiterhin wird eine Reduzierung der auf die hydrologischen Modellierung zurückzuführenden Unsicherheiten über eine Verfeinerung des bestehenden N-A-Modelles unter Berücksichtigung der im Rahmen des Projektes bereitgestellten Landnutzungsdaten angestrebt. Das Ergebnis dieses Vorhersagedienstes wird letztlich zu probabilistischen Vorhersagen führen, die die verschiedenen Fehlerquellen wie Eingangsdaten, mathematische Beschreibung der maßgeblichen Prozesse sowie der oft nur durch unzureichende Messdaten erfassten Anfangs- und Randbedingungen der jeweils eingesetzten Modelle berücksichtigen. 3.3 Landnutzungs/Landbedeckungsinformation aus Fernerkundungsdaten Für die Anwendung in hydrologischen Modellen ebenso wie bei der Berechnung von Schadenspotenzialen in Überflutungsräumen werden aus hochauflösenden Satellitendaten Landnutzungsklassen optimiert und modellspezifisch angepasst. Hierzu werden die im Rahmen des GMES-Projektes RISK-EOS (www.riskeos.com) bereits erzielten Ergebnisse integriert. 3.4 Gefahrenhinweiskarten und Berechnung von Schadenspotenzialen Gefahrenhinweiskarten zeigen die im Hochwasserfall überfluteten Gebiete, basierend auf Simulationen von Hochwasserereignissen bestimmter Jährlichkeiten und aktueller Vorhersagedaten. Ergänzend erlaubt die Zusammenführung der Information über Flutungsgebiete mit aus Fernerkundungsdaten gewonnener Landnutzungsinformation die multitemporale sowie ereignisbezogene Berechnung von Schadenspotenzialen. Hierbei kommt das hydraulische 2-D Modell Floodarea zum Einsatz, das im Rahmen des Projektes hinsichtlich seiner Funktionalität (insbes. verringerte Rechenzeit durch Einsatz von Multiprozessoren) weiterentwickelt wird. Über eine Kombination der Modelldaten mit Routingdaten werden Informationen über befahrbare Wegstrecken in einem Einsatzgebiet bereitgestellt. 3.5 Hochwasserinformationsystem Alle Dienste und weitere Informationsebenen werden in ein Informationssystem integriert, dessen Einsatz durch entsprechendes Training und Schulung unterstützt wird. Das Informationssystem gewährleistet die Bereitstellung und den sicheren Zugriff auf alle hochwasserrelevanten Informationen für Entscheidungsträger. U.a. wird es auch eine Datenbank zu historischen Ereignissen mit verfügbaren Luftbildaufnahmen und Daten zur Siedlungsentwicklung etc. enthalten. 4. Ausblick In der kommenden Projektphase werden die definierten Dienste entwickelt und zunächst seitens der Entwickler validiert. Über entsprechend aufzubereitende Trainings- und Demonstrationsveranstaltungen wird dann den Vertretern der Nutzerorganisationen Gelegenheit gegeben, einerseits die Dienste praktisch zu erfahren und andererseits Verbesserungsvorschläge einzubringen. Diese werden dann in der letzten Projektphase eingearbeitet.

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Entwicklung eines Systems für das operationelle Hochwassermanagement unter Einbeziehung von Ensemblevorhersagen am Beispiel der Mulde Eva Lechthaler, Jörg Dietrich, Frank Voß, Andreas Schumann, Sebastian Trepte Zusammenfassung Am Beispiel des Flussgebietes der Mulde oberhalb des Pegels Bad Düben (Freistaat Sachsen, Einzugsgebietsgröße ca. 6178 km²) werden im Rahmen eines BMBF-Verbundprojektes der Förderaktivität „Risikomanagement extremer Hochwasserereignisse“ die Möglichkeiten und Grenzen von probabilistisch bewerteten Ensemblevorhersagen untersucht. Dabei wird das Niederschlags-Abflussverhalten mit einem Hochwasservorhersagemodell beschrieben. Für die operationelle Modellanwendung in Quasi-Echtzeit werden Methoden zur Parameternachführung entwickelt. Darüber hinaus werden unter Nutzung des Modells für ausgewählte Talsperren situationsgerechte Steuerstrategien im Hinblick auf verschiedene Schutzziele und unterschiedliche Hochwasserereignistypen als Teil des Hochwassermanagements aufgestellt und getestet. Ziel der Arbeiten ist die Entwicklung eines Hochwassermanagementsystems, welches Methoden zur probabilistischen Bewertung von Vorhersageensembles mit Bewertungen der resultierenden Gefährdungslagen als Teil der Entscheidungsunterstützung im operationellen Betrieb integriert. 1. Probabilistische Abflussvorhersage Das dynamische und nichtlineare Zusammenwirken meteorologischer und hydrologischer Prozesse sowie kurze Reaktionszeiten des Flussgebietes der Mulde ergeben einen kurzen Vorhersagezeitraum. Infolge der naturräumlichen Gliederung des Flussgebietes in sehr unterschiedlich reagierende Teilgebiete hat zudem die Überlagerung und Fortpflanzung der Hochwasserwellen eine besondere Bedeutung für die Hochwasservorhersage. Entsprechend hoch sind die Vorhersageunsicherheiten. Eine rechtzeitige und zuverlässige Hochwasservorhersage ist Voraussetzung für die Hochwasserabwehr. Dabei können Entscheidungen über die Herausgabe von Hochwasserwarnungen sowie die Ausführung oder auch die Unterlassung von Katastrophenschutzmaßnahmen hohe Kosten zur Folge haben. Daher ist eine Bewertung der Unsicherheit von Niederschlags- und Abflussvorhersagen einschließlich der zeitlichen Entwicklung der Unsicherheit von erheblicher Bedeutung für die Ableitung von Entscheidungen aus modellgestützten Vorhersagen. KRZYSZTOFOWICZ (1999) unterscheidet bei der probabilistischen Abflussvorhersage mit Hilfe eines deterministischen Modells zwischen zwei grundlegend unterschiedlichen Unsicherheiten: der Unsicherheit der wesentlichen Eingangsgröße (bei der Hochwasservorhersage des Niederschlags) und der hydrologischen Unsicherheit (sämtliche weiteren Unsicherheiten, z.B. Modell- und Parameterunsicherheit oder Unsicherheit der Messgrößen). Ausgehend von der Bayes‘schen Theorie werden diese zwei wesentlichen Unsicherheiten getrennt analysiert und schließlich die Gesamtunsicherheit ermittelt.

202

Eine Möglichkeit zur Eingrenzung des Unsicherheitsbereiches der Eingangsgröße liegt in der Verwendung von Ensembles. Statt nur eine Niederschlagsvorhersage zu nutzen, werden die Berechnungen im Hochwasservorhersagemodell auf der Basis eines ganzen Niederschlagsensembles durchgeführt. Diese setzen sich aus verschiedenen mesoskaligen Ensemblesystemen und einem auf dem Lokalmodell LMK basierenden „Lagged Average Forecast“ Ensemble zusammen, die wiederum von mehreren globalen Vorhersagesystemen angetrieben werden. Die Bewertung der einzelnen Vorhersagen soll über Gewichtung der Ensemblemitglieder durch „Bayesian Model Averaging“ (BMA) erfolgen. Dabei wird die Vorhersage eines Modells mit der Posteriorwahrscheinlichkeit gewichtet, mit der das jeweilige Modell vergleichbare Trainingsdaten beschreiben konnte. Zusätzlich werden im Betrieb des Modells die bis dahin verfügbaren Messwerte mit den entsprechenden Vorhersagen eines früheren Zeitpunktes verglichen. So wird die Gewichtung der einzelnen Vorhersagen an die zwischenzeitlich verfügbaren Informationen angepasst. Hierzu kann z.B. der ExpectationMaximization Algorithmus (DEMPSTER et al. 1977) basierend auf einer Likelihood-Funktion genutzt werden. Die Niederschlags-Abflussvorhersage dient als wesentliche Grundlage für das operationelle Hochwassermanagement. Die Transformation der Niederschlagsensembles in Abflussensembles erfolgt mit Hilfe des hydrologischen, flächendetaillierten Modellierungssystems ArcEGMO©. Hiermit ist es möglich, auf verschiedenen Modellebenen unterschiedlich detaillierte Teilprozesse zu betrachten. Um die Wellentransformation im Unterlauf der Mulde besser abbilden zu können, wird ArcEGMO© mit dem Wellenablaufmodell RIMO/RIDO gekoppelt. Die hydrologische Unsicherheit ergibt sich aus den Unsicherheiten des Modells, der Modellparameter und der zur Anpassung des Modells verwendeten Messgrößen. Die Parameterunsicherheit kann (mit Einschränkungen im Hinblick auf die Interaktion der Parameter und der gekoppelten Prozessmodelle) durch die Generalized Likelihood Uncertainty Estimation (GLUE) abgeschätzt werden. Die Hochwasservorhersage erfolgt dann durch Parallelrechnung mit verschiedenen Parametersätzen, die durch Anwendung der GLUE-Methodik generiert und als gleichwertig behandelt werden können. Um die hydrologische Unsicherheit zu verringern, werden Nachführungsverfahren angewendet. Im Rahmen dieses Projektes werden hierzu drei Rückkopplungen verwendet: •

Die Unsicherheit der Vorhersage wird über Korrekturfaktoren als stochastische Variable berücksichtigt. Diese Faktoren ergeben sich aus der Analyse der Abweichungen vorangegangener Vorhersagen.

•

Einzelne Parameter, insbesondere Wellenablaufparameter, werden nachgeführt.

•

Zumindest zu Beginn des Hochwasserereignisses können die Anfangszustandsparameter nachgeführt werden.

203

Für die Parameternachführung eignen sich sowohl Filteralgorithmen (wie z.B. der Ensemble Kalman Filter, MORADKHANI et al. 2004) wie auch Bayesian Inference basierte Verfahren (wie z.B. BaRE, THIEMANN et al. 2001). 2. Entscheidungsunterstützung im operationellen Hochwassermanagement Die einzelnen Abflussvorhersagen, die sich aus den Modellrechnungen des Flussgebietsmodells mit unterschiedlichen Parametersätzen und den verschiedenen Niederschlagsensembles ergeben, charakterisieren die möglichen hydrologischen Entwicklungen im Vorhersagezeitraum und werden nach zwei Gesichtspunkten bewertet: 1. der Posteriorwahrscheinlichkeit ihres Auftretens unter Beachtung der in Quasi-Echtzeit vorliegenden Daten; 2. der unter Berücksichtigung der Häufigkeitsaussagen zu erwartenden Gefährdungslagen im Flussgebiet. Zum letztgenannten Kriterium liegen umfangreiche Gefährdungsanalysen vor, die in einem Entscheidungsunterstützungssystem in Relation zu den Abflussvorhersagen analysiert werden. Ziel ist es, durch die probabilistische Bewertung der Ensembles verbesserte Möglichkeiten zur Beurteilung der Notwendigkeit zur Herausgabe von Hochwasserwarnungen und zur Einleitung von Maßnahmen zur Hochwasserabwehr bereitzustellen und damit entsprechende Entscheidungen zu unterstützen. Beispielsweise kann durch eine situationsgerechte Talsperrensteuerung gezielt Einfluss auf den Verlauf von Hochwasserwellen genommen werden. Der Umfang der möglichen Einflussnahme ist jedoch von verschiedenen Faktoren abhängig. Daher wird als Grundlage für die Entwicklung von situationsgerechten Steuerstrategien zunächst die Hochwasserschutzwirkung der einzelnen Talsperren im Bezug auf unterschiedliche Ereignistypen bei verschiedenen Steuerungsarten in Abhängigkeit von den technischen Parametern der Anlagen (z.B. Grundablasskapazität) untersucht. Dabei soll insbesondere der Einfluss von Zwischeneinzugsgebieten zwischen dem Bauwerk und verschiedenen unterhalb gelegenen Gefährdungspunkten berücksichtigt werden. Darauf aufbauend werden unter Nutzung des Hochwasservorhersagemodells anhand vergangener Hochwasserereignisse sowie ensemblebasierter Szenarienrechnungen verschiedene Steuerstrategien entwickelt und deren Auswirkungen simuliert. Im Rahmen des Projektes wird ein prototypisches Hochwassermanagementsystem für den operationellen Einsatz entwickelt. Dabei werden die verwendeten hydrologischen Modelle und Parameternachführungsverfahren sowie Module zur Talsperrensteuerung und Entscheidungsunterstützung in das wasserwirtschaftliche Informationssystem WISYS® integriert. Für die Kommunikation zwischen den verschiedenen Komponenten und der im Verbundvorhaben verwendeten Geodatenbank wird eine, im BMBF-Verbundvorhaben „ISSNEW“ von der WASY GmbH entwickelte, intelligente bidirektionale Schnittstelle weiterentwickelt. Für ein Pilotgebiet werden neue GIS-gestützte Methoden zur automatisierten Ermittlung von Überflutungsflächen entwickelt und das System um Module zum Katastrophenmanagement erweitert.

204

Gemessene Niederschläge

Gemessene Abflüsse Probabilistische Bewertung

Ensemblevorhersagen Niederschlag

Probabilistische Bewertung

Parameternachführung

Hochwasservorhersagemodell

Ensemblevorhersagen Abfluss Talsperrensteuerung

Entwicklung der Gefährdungssituation

Bewertung und Entscheidung zu Warnung und Vorhersage

Gefährdungsanalysen

Abb. 1: Konzeption eines ensemblebasierten Hochwassermanagements Abbildung 1 zeigt einen Überblick über das oben vorgestellte Konzept eines ensemblebasierten operationellen Hochwassermanagements. Am Beispiel der Mulde wird ein entsprechendes Hochwassermanagementsystem entwickelt und in Quasi-Echtzeit erprobt. Dabei liegt der Schwerpunkt auf der Untersuchung der Möglichkeiten und Grenzen ensemblebasierter Prognosen und deren probabilistischer Bewertung für die Unterstützung von Entscheidungen im Hochwasserfall, hier am Beispiel der Talsperrensteuerung sowie der Herausgabe von Warnungen.

Literatur BEVEN, K. & A. BINLEY (1992): The future of distributed models: model calibration and uncertainty prediction, Hydrological Processes, H. 6, S. 279-298 DEMPSTER; A., N. LAIRD & D. RUBIN (1977): Maximum likelihood from incomplete date via the EM algorithm, Journal of the Royal Statistical Society, Series B, 39 (1), S. 1-38 KRZYSZTOFOWICZ, R. & D.R. DAVIS (1983): A methodology for evaluation of flood forecast-response systems, 1. Analyses and concepts, Water Resources Research, 19 (6), S. 1423-1429 KRZYSZTOFOWICZ, R. (1999): Bayesian theory of probabilistic forecasting via deterministic hydrologic model, Water Resources Research, 35 (9), S. 2739-2750 MORADKHANI H. et al. (2005): Dual state-parameter estimation of hydrologic models using ensemble Kalman filter, Advances in Water Resources, 28, S. 135-147 THIEMANN M., M. TROSSET, H. GUPTA & S. SOROOSHIAN (2001): Bayesian recursive parameter estimation for hydrologic models, Water Resources Research, 37 (10), S. 2521-2535

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Concept for provision management of extreme floods in large river basins using a computer modelling system Karl-Erich Lindenschmidt, Katrin Fleischbein, Theresia Petrow, Sergiy Vorogushyn, Bruno Merz Abstract A concept is introduced for developing a computer-aided modelling system to aid in devising management schemes for extreme flood events in large river catchments. The core of the system consists of the following models: hydrology (J2000), hydrodynamic (RIV1H), dike breach, inundation and quasi-2D polder system. The uncertainty in flood frequency estimations including extreme events is reduced by incorporating historical data in the analyses. Extreme meteorological and hydrological conditions are to be included in the scenario library which includes the estimate of a probable worst flood. Criteria are to be selected for the evaluation of these scenarios and multi-criteria or multi-objective algorithms will be implemented for the derivation of appropriate management schemes. Parts of the modelling system has been developed for a 91 km reach on the Elbe river between Torgau and Vockerode and the system will be tested on the Mulde river basin (6171 km2). 1. Introduction Time series of river discharge at gauging stations are used as a basis for the design of flood protection measures. The maximum discharge used for the design specification of the measure is usually defined from flood frequency analyses in which the annual maximum discharges are fitted to a probability function according to exceedance probabilities or return periods (=1/exceedance probability). Since most discharge data cover only short durations of 50 years, there is a large uncertainty in characterising extreme events with return periods of 100 years or more. In addition, these flood frequency analyses do not incorporate the probabilistic nature of failure of these protection measures such as dike breaches. Hence, additional methods can be incorporated to reduce the uncertainty in the flood frequency analysis and provide more accurate estimates of the discharge design specifications. In this paper, three such methods are introduced to reduce the uncertainty in estimating flood frequencies: i) incorporation of historical data ii) inclusion of the probability of dike breaches iii) calculation of a probable worst flood Figure 1 shows theoretically how these three methods can be implemented to reduce uncertainty in the flood frequency analysis. Several probability functions can be drawn upon to fit discharge to return periods (or exceedance probabilities). These functions often coincide very closely for less extreme floods with return periods of less than 50 years. However, as shown in Figure 1a, these diverge for extreme events greater than 100 years making selection of the most appropriate function difficult and increasing the degree of uncertainty when extrapolating the curves to very extreme events with return periods greater than 250 or 500 years (STEDINGER 2000).

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Figure 1: Theoretical description of a flood frequency analysis (a) showing the range of the probability functions used and the improvement in the statistics by (b) incorporating historical data to reduce the uncertainty range, (c) considering dike breaches and (d) simulating a probable worst flood event for an upper discharge bound Additional historical extreme floods prior to 1900 can be compiled from historical sources (THORNDYCRAFT et al. 2002). Chronicles may provide insight on water levels and precipitation. Artworks may additionally provide estimates of water levels at certain locations for corresponding discharges from documented meteorological conditions. Gaps between these discrete events can be filled with duplicates of the existing gauge time series (DVWK 1999). Synthetic time series may also be generated to produce data to fill gaps. Hence, a much longer time series of annual maximum discharges can be incorporated to reduce the uncertainty in the ranges between the frequency distributions used (see Figure 1b). For river stretches with dikes the probability of dike breaching increases with the extremity of the flood. Dike breaching increases the retention surfaces for flood water storage causing the trend in the flood frequency statistics to shift to lower discharges for extreme events (see Figure 1c) (APEL et al. 2004). An approximate upper discharge bound can also be estimated using techniques such as i) probable maximum flood PMF which is simulated by combining the probable maximum precipitation PMP over a catchment with critical hydrological conditions, ii) calculating a worst flood based on observed extreme areal rainfall in

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combination with other hydrological extreme conditions, e.g. snowmelt (HARLIN & KUNG 1992) or iii) modifying the flood frequency analysis distribution function by increasing the skewness to a maximum value for floods with return periods greater than 500 years (e.g. see Kleeberg & Schumann 2001). This upper bound yields an additional constraint on the frequency distribution in the flood frequency statistics (see Figure 1d). In order to incorporate dike breaches and calculate a worst flood event, a modelling system is being developed by the junior research group “Flood” at GeoForschungsZentrum in Potsdam, which is described next. 2. Modelling System

Figure 2: The modelling system consisting of five models: hydrology, 1D river hydrodynamics, dike breach, 2D inundation and quasi-2D polder system The concept of the modelling system is illustrated in Figure 2 and consists of the coupling of five models. The hydrology model J2000 (KRAUSE 2000) is used to simulate the runoff generation components to describe the precipitation runoff on the land surfaces. As flooding events become more extreme hydrograph routing of the generated runoff becomes increasingly important, especially in the lowland river reaches. For this, the 1D model RIV1 (ENVIRONMENTAL LABORATORY 1995) which uses the full dynamic wave equation is implemented. A dike breach model (APEL et al. 2004) calculates the probability of a dike failure depending on the condition and type of dike, the failure mechanism (overtopping, piping or underflow) and on the hydraulic load variables in the river, such as water level and water velocity. In the event of a dike breach a 2D storage cell inundation model based on the diffusion wave equation (MERZ 1996) is executed to simulate the movement of water from the breach area into the hinterland. Since the dispersed water also affects the hydraulics in the river, there is an interactive linkage between the dispersion and routing components. A

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quasi-2D model (1D model DYNHYD (AMBROSE et al. 1993) with a 2D discretisation scheme) simulates peak discharge capping from the main river. The Typed Data Transfer (http://www.pik-potsdam.de/software/tdt) library developed by the Modelling Environment Group at the Potsdam Institute for Climate Impact Research provides a simple interface of data transfer between the computer programs across the computing platforms. Data is required as input to run the modelling system, which needs to be collected, homogenised and regionalised from point samples to area descriptions. Estimates of the statistical uncertainty in the data and parameter values are required for an uncertainty analysis. Uncertainty analysis includes error propagation due to parameters, boundary conditions and modelling system structure (i.e. processes). An additional output from the modelling system can also be the simulation of climate change scenarios in which data consisting of trends in meteorological variables until 2055 are used for the simulation. A flood frequency analysis of the future 50 years situation can be compared with the analysis from the past 50 years to record changes in spatial patterns of the flood frequencies in a river catchment. Risk analysis and mapping is also an important output component to aid in the conceptualisation and evaluation of management schemes. References Ambrose, R.B., Wool, T.A. & Martin, J.L. (1993): The Water Quality Simulation Program, WASP5: model theory, user’s manual, and programmer’s guide. U.S. Environmental Protection Agency, Athens, GA. Apel, H., Thieken, A.H., Merz, B. & Blöschl, G. (2004): Natural Hazards and Earth System Sciences (2004): 1-14. DVWK (1999) Statistische Analyse von Hochwasserabflüssen. DVWK-Merkblatt 251, Bonn. Environmental Laboratory (1995): CE-QUAL-RIV1: A Dynamic, One-Dimensional (Longitudinal) Water Quality Model for Streams. User’s Manual. Final Report. Environmental Laboratory, U.S. Army Corps of Engineers, Vicksburg, MS. Harlin, J. & Kung, C.-S. (1992): Parameter uncertainty and simulation of design floods in Sweden. Journal of Hydrology 137: 209-230. Kleeberg, H.-B. & Schumann, A. (2001): Ableitung von Bemessungsabflüssen kleiner Überschreitungswahrscheinlichkeiten. Wasserwirtschaft 91 (2): 90-94. Krause, P. (2000): J2000 - Ein Modellsystem zur physikalisch basierten Nachbildung der hydrologischen Prozesse in großen Flusseinzugsgebieten. Geowissenschaftliche Fakultät. Dissertation, Freiburg; 212p. Merz, B. (1996): Modellierung des Niederschlag-Abfluß-Vorgangs in kleinen Einzugsgebieten unter Berücksichtigung der natürlichen Variabilität. Dissertation, Mitteilungen des Instituts für Hydrologie und Wasserwirtschaft, Universität Karlsruhe, 56, 215p. Stedinger, J.R. (2000): Flood frequency analysis and statistical estimation of flood risk. In: E.E. Wohl (ed.) Inland Flood Hazards – Human, Riparian and aquatic communities. Cambridge University Press, New York, pp. 334-358. Thorndycraft, V.R., Benito, G., Barriendos, M. & Llasat, M.C. (eds.) (2002): Palaeofloods, Historical Data and Climate Variability: Applications in Flood Risk Assessment. CSIC - Centro de Ciencias Medioambientales. ISBN-84-921958-2-7.

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Risikomanagement von Mehrzwecktalsperren in extremen Trockenperioden am Beispiel der Aabachtalsperre Klaus-Joachim Prien, Matthias Büttner Zusammenfassung Am Beispiel der Aabach-Talsperre wird ein Verfahren zur aktuellen Leistungsbemessung vorgestellt. Das stochastische Bewirtschaftungsmodell ist mit einem wasserwirtschaftlichen Informationssystem verbunden und berücksichtigt Mengen- und Gütedaten. Kritische Anlagenzustände infolge langer Niedrigwasserperioden werden durch ein entsprechendes Risikomanagement rechtzeitig erkannt. Negativen Auswirkungen auf das hydrologische Regime kann durch flexible, aktuell angepasste Bewirtschaftung begegnet werden. Der Stauraum von Mehrzwecktalsperren wird durch das Stauziel in HochwasserrückVhalteraum und Betriebsraum geteilt. Die Größe des Betriebsraumes ist so bemessen, dass die Trinkwasserabgabe und Mindestabgabe mit einer festgelegten Sicherheit bereitVgestellt werden können. In sommerlichen Trockenperioden kann es zu kritischen Anlagenzuständen kommen. Seit 1993 ist das stochastische Speicherbewirtschaftungsprogramm WinMBM an der Aabach-Talsperre im Einsatz. WinMBM erlaubt eine Beurteilung der aktuellen hydrologischen Lage auf wahrscheinlichkeitstheoretischer Grundlage, arbeitet im aktuellen Monat auf Tagesbasis, ist an ein wasserwirtschaftliches Informationssystem angeschlossen und ermittelt für die zukünftigen Monate die Eintrittswahrscheinlichkeiten für die zu erwartenden Speicherinhalte (Abbildung 1). Mit diesem Programm kann die Auswirkung von unterschiedlichen Speichersteuerungen (Trinkwasserbedarf, Mindestabgabe, Stauraumaufteilung) untersucht werden.

Abb. 1: Stochastisches Speicherbewirtschaftungsmodell WinMBM (ohne Berücksichtigung der Wassergüte)

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1. Problem: Muss die Trinkwasserabgabe infolge Güteentwicklung in sommerlichen Trockenperioden reduziert werden? Im Zuge der Sommerstagnation bildet sich in tiefen Staugewässern eine thermische Dichteschichtung aus, die durch eine obere Warmwasserzone (Epilimnion), eine Sprungschicht (Metalimnion) und eine kalte Tiefwasserzone (Hypolimnion) geprägt ist (Abbildung 2). Die Entnahme von Wasser für Trinkwasserzwecke erfolgt aus gütewirtschaftlicher Sicht ausschließlich aus dem Hypolimnion. Da das Epilimnion sich im Spätsommer in der Regel bis in große Tiefen ausdehnt, sind temporär die Ressourcen für Trinkwasserzwecke deutlich eingeschränkt.

Abb. 2: Stauraumaufteilung während er Sommerstagnation Diesem Umstand wurde in der Vergangenheit durch die Festlegung eines über den Jahresgang einheitlichen gütesichernden Mindestinhaltes Rechnung getragen. Unter Anwendung neuer Verfahren wird nunmehr zwischen Zirkulationsphase und Stagnationsphase differenziert und der Verlauf der Sprungschicht bei der Bewirtschaftung im Modell berücksichtigt. Am Beispiel des Jahres 1998 zeigt sich, dass die Ausbildung des Epilimnions im April beginnt und im September beendet ist (Abbildung 3). Aus allen zur Verfügung stehenden Messreihen wurde ein mittlerer Verlauf der Größe des Epilimnions bestimmt und ins Verhältnis zum jeweiligen Speicherinhalt gesetzt (Abbildung 4).

Abb. 3: beobachtetes Epilimnionvolumen, 1998

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Abb. 4: Verlauf des Epilimnionvolumens 2. Lösung: stochastisches Speichermodell WinMBM unter Berücksichtigung der Güteentwicklung Die mittlere Ganglinie des Epilimnion (bezogen auf den Inhalt) wird an das aktuelle Verhältnis Epilimnion/Speicherinhalt angepasst. Mit dieser Ganglinie erfolgt mit WinMBM die Speichersimulation im ersten Prognosejahr. In den folgenden Prognosejahren wird die mittlere Kurve unverändert verwendet. Die stochastische Simulation des Zuflusses erfolgt unverändert (Abbildung 5, obere Grafik). Die darauf aufbauende Speicherbewirtschaftung (Abbildung 5, untere Grafik) berücksichtigt den Verlauf des Epilimnions. Dadurch steht für die Trinkwasserentnahme in den Sommermonaten nur ein reduzierter Inhalt (grüne Ganglinien) zur Verfügung.

Abb. 5: stochastische Simulation des Zuflusses (oben) und Speicherbewirtschaftung unter Berücksichtigung der Güte (unten, grüne Linien)

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Durch die Berücksichtigung der Güte verringert sich in der Regel die Bereitstellungssicherheit (Abbildung 6). Der für die Trinkwasserabgabe tatsächlich nutzbare Speicherinhalt kann mit der geforderten Sicherheit nicht gewährleistet werden. So können in Trockenperioden rechtzeitig kritische Systemzustände erkannt und entsprechende Vorsorgemaßnahmen ergriffen werden.

Abb. 6: Ergebnis der Speicherbewirtschaftung unter Berücksichtigung der Güte, Quantile der Inhalte

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Analyse von Niederschlagsextremen zur Verbesserung der Steuerung der Abwasserförderung in Berlin Eberhard Reimer, Erika Pawlowsky-Reusing Zusammenfassung Im Rahmen des Schwerpunktprogrammes „Quantitative Niederschlagsvorhersage“ der DFG werden hochaufgelöste Niederschlagsdaten räumlich, zeitlich und in ihrem Extremverhalten analysiert. In Zusammenarbeit mit dem KompetenzZentrum Wasser Berlin und den Berliner Wasserbetrieben soll anhand der zeitlich und räumlich hochaufgelösten Niederschlagsreihen die Steuerungsmöglichkeit der Abwasserförderung untersucht werden. 1. Datenbasis In Berlin wurde von den Berliner Wasserbetrieben ein Messnetz von ca. 50 Niederschlagsmessstellen aufgebaut, das bis zu einer Auflösung der Summen von 5 Minuten ausgelegt ist und für die Steuerung der Abwasserförderung eingeplant wird (Abbildung 1). Das Institut für Meteorologie der FU Berlin betreibt im Stadtgebiet weitere 8 Niederschlagsmessstationen mit einer Auflösung von 5 Minuten. Darüber hinaus werden vom Institut weitere 18 private Stationen betreut und zusätzlich 58 gesammelt, die tägliche Summen erfassen. Es gibt ca. 60 Niederschlagsstationen mit 5 Min-Summen und 76 Niederschlagsstationen mit Tagessummen.

Abb. 1: Areal mit den Messorten der 60 zeitlich hochauflösenden Stationen Zum Vergleich und zur Verbesserung der Niederschlagsanalyse werden die in Niederschlagsstufen umgerechneten Radardaten des Baltrad-Archivs verwendet. Für die überge-

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ordnete Niederschlagsanalyse werden die stündlichen und dreistündlichen Summenmessungen der europäischen Wetterdienste verwendet. 2. Problemstellung Im Zusammenhang mit intensiven Regenschauern werden im Berliner Raum Probleme bei der lokalen Abwasserführung beobachtet. So kommt es wiederholt örtlich zu Überbelastungen der Mischwasserkanalisation und zu Notentlastungen der stark verdünnten Abwässer aus der Schmutzkanalisation in die Gewässer, was auch durch eine ungünstige Anordnung von Schächten der Schmutzkanalisation an topografischen Tiefpunkten und infolge von fehlangeschlossenen Abflussflächen an die Schmutzwasserkanalisation hervorgerufen wird. Bei dem Hochwasserereigniss vom 12. August 2002 betrugen zum Beispiel die Überlaufmengen aus Abwasser 1,8 Millionen m³ = 55% des Gesamtvolumens an den Regenüberlaufbecken im Jahre 2002. Diese Notauslässe werden der Wasserbehörde gemeldet mit dem Nachweis des Notstandes infolge Katastrophenregen. In diesem Projekt soll untersucht werden, ob eine genauere Kurzfristprognose von lokalen Starkniederschlägen eine verbesserte Steuerung im Abwassernetz Berlins ermöglicht. 3. Beispiel einer Niederschlagsanalyse vom 12.8.2002 Die Aufarbeitung der Niederschlagsdaten im Berliner Stadtgebiet wurde für Zeitintervalle von 5 Minuten durchgeführt. Die horizontale Interpolation wird mit einer statistischen Prozedur durchgeführt und in Summen, wie in den Abbildungen 2 und 3 dargestellt, ausgewertet und abgeglichen.

Abb. 2: Tagessumme des Niederschlags für den 12. August 2002

Abb. 3: Monatssumme des Niederschlags für den Monat August 2002

Diese Analysen werden zur Zeit mit den unabhängig aufbereiteten Radardaten des BALTRAD- Datenarchivs verglichen.

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Abb. 4: Dargestellt sind die 15-minütigen Niederschlags-Intensitäten für den 12.8.2002 in Marzahn (blaue Rhomden) und die umgerechneten und interpolierten Intensitäten aus BALTRAD-Daten zugefügt (rote Dreiecke) In Abbildung 4 ist ein Vergleich zwischen umgerechneten Radardaten des BALTRADDatenarchivs und den Intensitäten an der Station Marzahn dargestellt. Es zeigt sich eine generelle Übereinstimmung im zeitlichen Ablauf, jedoch ergeben sich quantitative Unterschiede, die auf die Auswertungsstatistik der BALTRAD-Daten und auf die komplizierte Zuordnung der 15-min-Intensitäten am Boden zu den Intensitäten der Radarbeobachtungen zurückzuführen sind. Diese Unterschiede sind zu dieser Episode an den verschiedenen Stationen zeitlich und größenmäßig auch stärker, was auf die vertikale Windscherung in den unteren 2 km zurückgeführt werden kann. 4. Weitere Arbeiten Für das Jahr 2002 sind alle Berliner Messungen digitalisiert und zusammengestellt worden. Diese Daten werden im Vergleich untereinander und im Vergleich zu Radardaten intensiv auf Messfehler und einer entsprechenden Ergänzung bei Datenlücken untersucht. Zum Vergleich zu den Vorhersagen des Lokalmodells des Deutschen Wetterdienstes werden die Niederschläge und die Radarbeobachtungen räumlich zugeordnet und verglichen. Mit den Modellvorhersagen in Verbindung mit den räumlich und zeitlich hoch aufgelösten Daten wird die Möglichkeit einer prognostischen Steuerung der Abwasserförderung für extreme Fälle im Stadtgebiet Berlins untersucht werden.

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Literatur CUBASCH, U. et al. (2005): Progress report of the first phase of the project: “statisticaldynamical methods for scale dependent model evaluation and short term precipitation forecasting” - DFG Schwerpunkt-Programm “Quantitative Niederschlagsvorhersage”, FU Berlin MICHELSON, B. et al. (2000): Baltex Radar Data Centre Products and their Methodologies. – Swedish Meteorological and Hydrological Institute, ‘SHMI-Reports Meteorology and Climatology’, Band No 90 PAWLOWSKI, L. et al. (2006): KWB-Projekt „Umsetzung eines Entscheidungshilfesystems zur Verbundsteuerung von Abwasserpumpwerken und Analyse weitergehender Steuerungsvarianten (EVA)“– KompetenzZentrum Wasser Berlin gGmbH , Berlin REIMER, E. & B. SCHERER (1992): An operational meteorological diagnostic system for regional air pollution analysis and long-term modelling. - Air Poll. Modelling and its Applications IX. Plenum Press

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Entwicklung eines Hochwasserfrühwarnsystems für kleine Einzugsgebiete Angela Sieber, Ute Badde, Manfred Bremicker Zusammenfassung Hochwasser in kleinen Einzugsgebieten (< 500 km2) treten häufiger und für die Gewässeranlieger überraschender auf als überregionale Ereignisse und können Schäden in Millionenhöhe verursachen. Die Starkregen- und Gewitterwarnungen der Wetterdienste geben keine ausreichenden Hinweise auf die Hochwassergefahr in kleinen Gebieten, da sie deren Hochwasserdisposition sowie den zeitlichen Intensitätsverlauf des Niederschlags nicht berücksichtigen. An der Hochwasser-Vorhersage-Zentrale (HVZ) der Landesanstalt für Umwelt, Messungen und Naturschutz Baden-Württemberg (LUBW) wird daher ein Hochwasserfrühwarnsystem für kleine Einzugsgebiete entwickelt, das meteorologische und hydrologische Informationen berücksichtigt. Das Herzstück des Frühwarnsystems bildet das operationelle Wasserhaushaltsmodell LARSIM, dessen Abflussabschätzungen mit Hilfe von Regionalisierungsverfahren auf Warnregionen übertragen werden. Ziel ist die Veröffentlichung einer Karte mit farbiger Darstellung der regional zu erwartenden Hochwassergefahr für den aktuellen Tag und den Folgetag im Internet. 1. Problemstellung Hochwasser in Einzugsgebieten kleiner 500 km² treten häufiger und überraschender als überregionale Ereignisse auf und verursachen oft Schäden in Millionenhöhe. Die von den Wetterdiensten herausgegebenen Starkregen- und Gewitterwarnungen geben keine ausreichenden Hinweise auf die konkrete Hochwassergefahr, da sie die Hochwasserdisposition als Folge der aktuellen Bodenfeuchte sowie den zeitlichen Intensitätsverlauf des Niederschlags nicht berücksichtigen. An der Hochwasser-Vorhersage-Zentrale der Landesanstalt für Umwelt, Messungen und Naturschutz Baden-Württemberg wird daher im Rahmen des InterregProjekts TIMISflood (www.timisflood.net) ein operationelles Hochwasserfrühwarnsystem für kleine Einzugsgebiete entwickelt. 2. Lösungsweg Das Wasserhaushaltsmodell LARSIM (Large Area Runoff Simulation Model) (BREMICKER 2000) ermöglicht eine kontinuierliche, prozessorientierte und flächendetaillierte Simulation des terrestrischen Wasserkreislaufs in hoher zeitlicher Auflösung (Abbildungen 1 und 2). Das Modell basiert auf Gebietsdaten (Geländehöhe, Gefälle, Landnutzung und Gerinnegeometrie) und wird von meteorologischen Eingangsdaten (Niederschlag, Lufttemperatur, Luftfeuchte, Windgeschwindigkeit, Globalstrahlung) angetrieben. Die HVZ betreibt für BadenWürttemberg flächendeckend solche Wasserhaushaltsmodelle (WHM) im operationellen Betrieb.

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Vegetation Ù Boden Interzeption, Infiltration, Bodenwasser, Sättigungsflächen, Direktabfluss, Interflow, GWNeubildung, Verdunstung, Zustand Schneedecke

Einzugsgebiet Ö Gewässer Speicherung u. laterale Wasserbewegung in der Fläche: Grundwasser, Interflow, Direktabfluss

Flussnetz, Seen Translation und Retention im Gerinne, Retentionswirkung von Seen und Speicherbecken, Verzweigungen, Wasserein- und -überleitungen

Abb. 1: Im Wasserhaushaltsmodell LARSIM berücksichtigte Prozesse Auf der Basis von meteorologischen Vorhersagen kann mit dem WHM LARSIM die Abflussentwicklung der kommenden sieben Tage für jeden Gewässerknoten im Modellgebiet abgeschätzt werden. Die Hochwasserfrühwarnung für kleine Einzugsgebiete wird jedoch aufgrund der Unsicherheit der Niederschlagsvorhersage nur 48 Stunden abdecken. Neue Produkte der Wetterdienste wie online angeeichte Radardaten (Abbildung 3) und Nowcasting-Verfahren sollen integriert werden.

Abb. 2: Beispiel eines flächendetaillierten LARSIM-Ergebnisses (relative Bodenfeuchte für das Neckar-Einzugsgebiet)

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Abb. 3: Angeeichtes Radar-Niederschlagsbild (links) und interpolierter Niederschlag am Boden (rechts) (DEUTSCHER WETTERDIENST 2004) Die mit dem WHM LARSIM punktuell vorhergesagten Abflussscheitelwerte werden nach ihrer Hochwasserjährlichkeit klassifiziert und die Jährlichkeiten auf größere Warnregionen übertragen, indem den Punktwerten ein räumlicher Wirkungsbereich zugewiesen wird. 3. Ergebnis Aufgrund der unzureichenden Genauigkeit der meteorologischen Vorhersagen sowie der kurzen Reaktionszeit kleiner Einzugsgebiete sind keine verlässlichen pegelbezogenen Abflussvorhersagen möglich. Es können jedoch in Warnklassen eingeteilte Hochwasserfrühwarnkarten erstellt werden. Diese stellen farblich differenziert die zu erwartende regionale Hochwassergefahr in kleinen Einzugsgebieten für den aktuellen Tag und den Folgetag dar. Abbildung 4 zeigt einen Prototyp einer solchen Karte, die im Internet bereitgestellt werden soll. Auf lokaler Ebene ist eine Verknüpfung der Frühwarnkarten mit Hochwassergefahrenkarten möglich. Die flächenhaften Warnkarten für kleine Einzugsgebiete ergänzen die für Einzugsgebiete > 500 km2 verfügbaren, in Abbildung 5 exemplarisch dargestellten pegelbezogenen Frühwarnungen. Detaillierte Informationen zur Hochwasserfrühwarnung und –vorhersage für die baden-württembergischen Pegel finden sich bei BREMICKER et. al. (2006).

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Abb. 4: Prototyp einer Karte der Hochwassergefahr

Abb. 5: Punktbezogene Hochwasservorhersage und –frühwarnung für Einzugsgebiete größer 500 km2

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Literatur BREMICKER, M. (2000): Das Wasserhaushaltsmodell LARSIM - Modellgrundlagen und Anwendungsbeispiele. Freiburger Schriften zur Hydrologie, Band 11. Institut für Hydrologie der Universität Freiburg. BREMICKER, M., P. HOMAGK & K. LUDWIG (2006): Hochwasserfrühwarnung und Hochwasservorhersage in Baden-Württemberg. Zur Veröffentlichung angenommen in: Wasserwirtschaft Heft 7-8/2006. DEUTSCHER WETTERDIENST (2004): Projekt RADOLAN. Routineverfahren zur OnlineAneichung der Radarniederschlagsdaten mit Hilfe von automatischen Bodenniederschlagsstationen (Ombrometer). Deutscher Wetterdienst Offenbach.

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August Hochwasser 2005 Prognoseergebnisse des European Flood Alert Systems EFAS Karl Wachter, Maria-Helena Ramos, Jutta Thielen, Jens Bartholmes, Ad de Roo Zusammenfassung Dieser Poster-Beitrag veranschaulicht das Konzept des Europäischen Hochwasser-Frühwarnsystem (EFAS) Projektes und zeigt einige ausgewählte Vorhersage-Ergebnisse vom alpinen Hochwasserereignis im August 2005. Die Vorhersagen beruhen auf Wettervorhersagen des Deutschen Wetterdienstes und des Europäischen Zentrums für mittelfristige Wettervorhersagen (ECMWF) und dem hydrologischen LISFLOOD Modell. Schlüsselworte: Hochwasserprognose, grenzüberschreitende Flussgebiete, Europäisches Hochwasser-Frühwarnsystem Das Projekt eines Europäischen Hochwasser Alarm Systems (European Flood Alert System - EFAS) wurde auf Initiative der Europäischen Kommission nach den Extremhochwässern an Elbe und Donau im Jahre 2002 gestartet. Dieses Projekt ist an der Gemeinsamen Forschungsstelle der Europäischen Kommission (GFS/JRC) in Ispra/Italien derzeit in der Entwicklungs- und Testphase. EFAS soll insbesondere in transnationalen großen europäischen Flussgebieten eine Verbesserung der Vorwarnzeiten von möglichen Hochwasserereignissen auf 3-10 Tage bieten. Die Vorhersagen beruhen auf den Wettervorhersagen des Europäischen Zentrums für mittelfristige Wettervorhersagen (ECMWF, 10 Tage), des Deutschen Wetterdienstes (7 Tage) und dem hydrologischen LISFLOOD Modell sowie der Abschätzung der Hochwassermöglichkeit mit Hilfe des Ensemble Vorhersage Systems (ECMWF-EPS, 10 Tage). Die Simulationsergebnisse werden auf Vertragsbasis den nationalen hydrologischen Vorhersagestellen zur Verfügung gestellt. Legende zu den VorhersageGrafiken ExtremÆ besonders hohe Wahrscheinlichkeit von Hochwasser HochÆ starker Anstieg des Abflusses mit Überflutungsgefahr MittelÆ signifikanter Anstieg des Abflusses ohne Überflutung NiederÆ erhöhter Abfluss ohne Überflutungsgefahr

Abb.1: Zeitliche Entwicklung der EFAS-Warnstufen am Beispiel der Isar (vgl.Pkt.2 in Abb.2), basierend auf mittelfristigen Wettervorhersagen (links DWD, rechts ECMWF)

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Das alpine Hochwasser im August 2005 wurde im EFAS bereits mehrere Tage im Voraus im Simulierungsprogramm ausgewiesen. Die Hochwasserspitze wurde, basierend auf die ECMWF und DWD Wettervorhersagen, für den 24. August 2005 im Einzugsgebiet der Oberen Donau prognostiziert.

Abb.2: EFAS-Warnstufen für 24. August 2005 basierend auf der DWD Wettervorhersage vom 21.8.2005, 00:00 Die Abschätzung mit Hilfe des Ensemble Vorhersage Systems (ECMWF-EPS, 10 Tage) zeigte bei 5-20 aus 51 EFAS-EPS Simulierungen einen Anstieg der Abflüsse auf extreme Alarm Pegel (High Alert Level-HAL) in den internen Vorhersagen vom 15.– 21. August 2005. Das eingeholte Feedback von den nationalen Hydro-Diensten zu den EFAS-Ergebnissen war recht positiv: Die EFAS-Vorhersagen wurden im wesentlichen als akkurat von den lokalen hydrologischen Diensten bestätigt. Die hydrologischen EFAS Simulationsdaten wurden als nützliche Zusatz-Informationen zu den eigenen Vorhersagen angenommen.

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Quelle: Holle & Wilhelm (2005), Hochwasser in Bayern. Hydrobrief Nr. 29; Müller & Godina (2005), Das Augusthochwasser 2005 in Österreich . Hydrobrief Nr. 30

Abb.3: Beobachtete Abflüsse während des August-Hochwassers 2005 Die Erfahrungen, die EFAS bei diesem Hochwasser gemacht hat, wie zum Beispiel eine Unterschätzung beim Inn und eine Überschätzung in der Donau, fließen in die fortschreitende Weiterentwicklung und Tests von EFAS ein. Durch das Ereignis wurden weitere nationale hydro-meteorologische Dienste animiert einen Informationsvertrag (Memorandum of Understanding) zur Zusammenarbeit mit JRC-EFAS zu unterzeichnen.

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Literatur DE ROO, A. et al. (2003): Development of a European Flood Forecasting System. - International Journal of River Basin Management, Vol. 1, No. 1, 49-59. DE ROO, A. et al. (2000): The LISFLOOD model. - Hydrological Processes, 14, p. 19811992. HOLLE, F.K. et al. (2005): Hochwasser in Bayern. - Hydrobrief Nr. 29, September 2005. MÜLLER G. & R. GODINA (2005): Das Augusthochwasser 2005 in Österreich. – Hydrobrief Nr. 30, Dezember 2005 RUDOLF, B. et al. (2005): Hydrometeorologische Aspekte des Hochwassers in Südbayern im August 2005; Niederschlagsvorhersage, Warnung und klimatologische Bewertung des DWD. - Deutscher Wetterdienst. VAN DER KNIJFF, J. & A. DE ROO (2005), LISFLOOD user manual. - EUR report (in press).

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Vermittlung von Know-how zur Verbesserung der Hochwasservorhersage im Yangtze-Einzugsgebiet des Drei-Schluchten-Stausees (China) Massimiliano Zappa, Johannes Werhahn, Song Zhi Hong, Michael Baumgartner, Joachim Gurtz, Harald Kunstmann, Bruno Schädler Zusammenfassung Das im Rahmen der humanitären Hilfe der Schweiz lancierte Präventionsprojekt “Changjiang Flood Forecasting Assistance Project” hat sich als Ziel die Verbesserung der operationellen Zuflussvorhersagen aus dem direkt angrenzenden Einzugsgebiet zum Reservoir des DreiSchluchten-Dammes am Yangtze in China gesetzt. Durch eine Verbesserung der Hochwasservorhersage am Yangtze soll die Gefahr von Überschwemmungen verringert und damit die Bevölkerung besser geschützt werden. Dazu wurde eine räumlich differenzierte Modellierung der Abflussbildung in Verbindung mit numerischen Wettervorhersagen und Fernerkundungsinformationen bei der Changjiang Water Resources Commission CWRC (Wuhan, China) eingeführt. In PHASE I des Projektes (2003-2005) wurde eine Satellitenbildempfangsanlage zur Erfassung von Satellitendaten installiert. Weiterhin wurde das flächendifferenzierte hydrologische Modell PREVAH für die Anwendung als operationelles Prognosemodell weiterentwickelt und an die Datenbank der CWRC angebunden. Ein Modellsystem mit Graphik User Interface wurde schlussendlich installiert und für das Teileinzugsgebiet Daning (2000 km2) getestet und implementiert. In PHASE II (2005-2007) ist beabsichtigt, die Erfolge der ersten Projektphase zu konsolidieren und das Prognosesystem mit Wettervorhersagen des numerischen Wettermodells MM5 zu ergänzen. Erste Schritte in diese Richtung sind bereits erfolgt. Eine gekoppelte Version von PREVAH und MM5 wird bereits seit Ende 2005 offline getestet und im Frühjahr 2006 bei der CWRC installiert. Nach intensiver Ausbildung sollten die Mitarbeiter der CWRC selbst in der Lage sein, das System für weitere Einzugsgebiete aufzubereiten und anzuwenden.

Abb. 1: Abfluss des Yangtze am Pegel Yichang. Links: Niederwasser (28. Februar 2004, < 4’000 m3s-1). Rechts: Hochwasser (> 60’000 m3s-1) am 7. September 2004.

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1. Einleitung Der Yangtze (Changjiang) gehört zu den grössten Flüssen der Erde. Er ist bekannt für das relativ häufige Auftreten katastrophaler Hochwasserereignisse jeweils im Zeitraum von April bis Oktober (Abbildung 1). Diese haben ihre Hauptursache in räumlich und zeitlich ungleich verteilten Starkniederschlägen, die überlagert sind mit hohen Schmelzwasserabflüssen aus den im Oberlauf gelegenen Hochgebirgseinzugsgebieten. Das im Jahre 2003 begonnene “Changjiang Flood Forecasting Assistance Project” hat zum Ziel, das für den mittleren Teil des Yangtze in China schon vorhandene Hochwasservorhersagemodell vor allem durch eine flächendifferenzierte Modellierung der Abflussbildung in Verbindung mit der Verwendung von numerischen Wettervorhersagen und der Bereitstellung von dafür nutzbaren Fernerkundungsinformationen zu verbessern. 2. PHASE I / 2003-2005 In der ersten Projektphase (ZAPPA et al. 2005) ging es um einen gründlichen Know-howund Technologie-Transfer von den schweizerischen zu den chinesischen Partnern. Die Ausbildung der CWRC Spezialisten umfasste viele Fachgebiete, welche eine zentrale Rolle im modernen Hochwassersmonitoring und in der –vorhersage spielen: - Nutzung und Anwendung Geographischer Informationssysteme (GIS); - Bearbeitung und Auswertung von Fernerkundungsdaten. - Einführung in die räumlich verteilte hydrologische Modellierung. Zu den Hauptbestandteilen des Projektes gehörte der Kauf und die Installation einer Satellitenbildempfangsanlage. Die Empfangsantenne einschließlich der dafür erforderlichen Computer Hard- und Software wurde beim CWRC-Vorhersagezentrum in Wuhan in Betrieb genommen. Nach entsprechender Ausbildung waren die chinesischen Partner in der Lage, selbst Bilder zu übernehmen und für die Anwendung hydrologischer Modelle zu bearbeiten; In Ergänzung zu dem schon vorhandenen Hochwasservorhersagesystem wurde ein operationelles räumlich verteiltes Hochwasservorhersagemodell für die Einzugsgebiete der Flüsse, die direkt in den Drei-Schluchten-Stausee entwässern (ca. 42000 km2), entwickelt und installiert. Dafür wurde eine operationelle Version des Einzugsgebietsmodells PREVAH (Precipitation-Runoff-Evapotranspiration-Hydrotope–Model, GURTZ et al. 2003) inklusive einer graphischen Benutzeroberfläche bereitgestellt (Abbildung 2). Für die Erprobung des neuen Prognosemodells wurde das Einzugsgebiet des Daning-Flusses (ca. 2000 km²) ausgewählt (SONDEREGGER 2004). Das bei der CWRC schon vorhandene Flood Routing kann im Modellsystem weiter genutzt werden. Die Zuflüsse aus den oberhalb des Reservoirs liegenden Einzugsgebietsflächen des Yangtze (über 1 Million km2) gehen als beobachtete Werte in das Vorhersagesystem ein. Neben der Hochwasservorhersage ist parallel die Einbeziehung von Online-Fernerkundungsdaten z.B. für die Erfassung von Überschwemmungsflächen usw. für das direkte Einzugsgebiet des Drei-Schluchten-Stausees vorgesehen, um so das Hochwassermanagement für den Stausee in Verbindung mit der Steuerung der Wasserabgabe aus dem Speicher auf eine breitere Basis zu stellen. Die erste Projektphase wurde mit einem entsprechenden Training abgeschlossen.

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Abb. 2: Graphische Benutzeroberfläche der operationellen Version von PREVAH, wie sie derzeit bei der CWRC installiert ist. 3. PHASE II / 2005-2007 Am Anfang von Phase II wurden zwei Mitarbeiter der CWRC in der Installation und Anwendung des numerischen Wettervorhersagemodells (NWP) MM5 am Institut für Meteorologie und Klimaforschung (IMK-IFU, Garmisch, Deutschland) ausgebildet. Auf der Basis von dreifach genesteten Domänen erfolgt ein Downscaling der globalen AVN-Wettervorhersagen auf eine horizontale Auflösung von 7 km für das betrachtete Yangtze-Einzugsgebiet mit einem Vorhersagezeitraum von 72 Stunden.

Durchfluss [m3/s]

500

Beobachtung PREVAH - CTRL

400

PREVAH - MM5

300 200 100 0 5-Sep-04

6-Sep-04

7-Sep-04 8-Sep-04 9-Sep-04 Datum Abb. 3: Abflusssimulation des September 2004 Ereignisses (Daning Einzugsgebiet).

230

Für die Kopplung des MM5 mit dem Prognosemodell PREVAH wurde eine entsprechende Schnittstelle entwickelt, welche sich zurzeit in einer offline-Testphase befindet. In den kommenden Monaten wird daran gearbeitet, die beste Parametrisierung des MM5 für die quantitative Niederschlagsprognose zu finden. Dafür werden Ereignisse aus den Jahren 2004 und 2005 nachgerechnet. Abbildung 3 zeigt eine relativ gut gelungen Simulation des Hochwasser-Ereignisses im September 2004 (Abbildung 1) für das Testeinzugsgebiet des DaningFlusses. 4. Schlussbemerkungen Mit der Ausbildung in Fernerkundung, GIS, hydrologischer Vorhersage und numerischer Wettervorhersage im Rahmen dieses Projektes erfolgte ein nicht unbeträchtlicher Wissenstransfer zugunsten der CWRC. Durch die damit verbundenen Investitionen (Hardware und Software) konnte die CWRC im Rahmen einer mittelfristigen Unterstützung einen modernen Stand der Hochwasserprävention und der daraus abgeleiteten Speicherbewirtschaftung für den Drei-Schluchten-Stausee erreichen. Nach der Implementierung des Vorhersagesystems für das Testgebiet Daning und für weitere ausgewählte Gebiete soll die Anpassung und Anwendung des Modellsystems für die weiteren Teileinzugsgebiete des Drei-Schluchten-Stausees durch die chinesischen Partner selbst erfolgen. Für diese, wie auch für die unterhalb des Stausees gelegenen Gebiete, ist zur Optimierung des Hochwassermanagements eine Überarbeitung der Strategien für die Steuerung der Wasserabgabe am Damm vorgesehen. Mit dem Prognosesystem wird die Erarbeitung der notwendigen Präventions- und Bewirtschaftungsmaßnahmen ermöglicht. Verdankungen PHASE I und II des Projektes werden von der Schweiz über die Direktion für Entwicklung und Zusammenarbeit DEZA finanziert und in enger Kooperation zwischen dem Bundesamt für Umwelt BAFU der Schweiz und der CWRC in Wuhan organisiert und realisiert.

Literatur GURTZ, J., M. ZAPPA, K. JASPER, H. LANG, M. VERBUNT, A. BADOUX & T. VITVAR (2003): A comparative study in modelling runoff and its components in two mountainous catchments. - Hydrological Processes, 17, S. 297-311. SONDEREGGER, C. (2004): Rainfall/Runoff Modelling of a Sub-Catchment of the Yangtze in China. - Diploma Thesis at the ETH and University Zürich. ZAPPA, M., SONG ZHI HONG, M.F. BAUMGARTNER, J. GURTZ & B. SCHÄDLER (2005): The Changjiang Flood Forecasting Assistance Project. - International Conference on Headwater Control VI: Hydrology, Ecology and Water Resources in Headwaters. Bergen, Norway, 20 - 23 June 2005.

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Fortschritte bei der Anwendung von risikobasierten Verfahren zur Abschätzung der Hochwassersicherheiten wasserbaulicher Anlagen Markus Anhalt, Günter Meon, Stefan Meyer Zusammenfassung Seit den Hochwasserereignissen der vergangenen Jahre ist die Sensibilität dafür gestiegen, dass jede Stauanlage ein gewisses Risiko für die Unterlieger darstellt. Risikobetrachtungen sind international bereits weit verbreitet. Mit der Novellierung der DIN 19700 wird die bisherige Sicherheitsphilosophie für deutsche Stauanlagen nun ebenfalls in Richtung einer risikoorientierten Sichtweise erweitert. Im Rahmen des vom BMBF geförderten RIMAX-Projektes „Risikobasierte Verfahren zur Gewährleistung angemessener Hochwassersicherheiten bei Stauanlagen“ soll ein Gesamtverfahren entwickelt werden, mit dem eine Risikoanalyse und eine Risikobewertung für Stauanlagen praxisgerecht durchgeführt werden kann. Das Projekt wird vom Leichtweiß-Institut der TU Braunschweig koordiniert. Partner sind das Institut für Wasser und Gewässerentwicklung der Universität Karlsruhe, der Ruhrverband Essen und die Landestalsperrenverwaltung Sachsen. 1. Veranlassung Als Versagen einer Stauanlage wird in diesem Vorhaben ein unplanmäßiges und unkontrolliertes Überströmen des Absperrbauwerkes einer Stauanlage – Hochwasserrückhaltebecken, Talsperre, Staustufe – infolge extremer Hochwasserzuflüsse verstanden. Dieser Vorgang wird auch als hydrologisches Versagen bezeichnet. Risikobasierte Verfahren bei der Bemessung von wasserwirtschaftlichen Anlagen gegen hydrologisches Versagen werden zunehmend in der internationalen Bemessungspraxis eingesetzt. Auch im deutschen Sprachraum sind seit längerem risikobasierte Bemessungskonzepte und einzelne Anwendungsbeispiele verfügbar. Mit solchen Konzepten kann das vorhandene hydrologische Versagensrisiko abgeschätzt und gesellschaftlich akzeptierten Grenzwerten gegenübergestellt werden. Es kann aber auch ein Kompromiss aufgrund von Kosten-Nutzen-Betrachtungen bzw. Mehrkriterienverfahren gefunden werden. Die vorhandenen Konzepte „stagnieren“ jedoch. Sie sind in Deutschland bislang nur exemplarisch angewandt und werden nicht zur Bemessung geplanter Stauanlagen oder Sicherheitsüberprüfung bestehender Anlagen umgesetzt. Den o.g. Verfahren fehlt somit eine Art „Serienreife“. Gründe hierfür sind u.a.: -

-

Fehlen einer wissenschaftlich basierten Anwendungsempfehlung für die Praxis mit Standardbeispielen für unterschiedliche Datenvoraussetzungen. Mangel an aussagekräftigen Eingangsdaten (z. B. extreme Zuflüsse hoher Wiederholungszeitspannen, Statistiken zur Funktionsfähigkeit von Öffnungen und Sicherheitseinrichtungen an Absperrbauwerken, spezifische Schadensdaten). Fehlen von gesellschaftlich akzeptierten, quantifizierten Risikoakzeptanzgrenzen zur Bewertung des ermittelten Risikos, die fachübergreifend zu entwickeln und von Entscheidungsträgern und der Öffentlichkeit angenommen werden.

232

-

-

Nicht ausgereifte Teilkomponenten der Risikoabschätzung (z. B. Bruchwahrscheinlichkeit eines Absperrbauwerkes infolge von Überströmen). Hohe Anforderungen an die Bearbeitung (z. B. bei der Verknüpfung komplexer probabilistischer und deterministischer Modelle für die Versagenswahrscheinlichkeiten beim Umgang mit natürlichen Unsicherheiten und Modellunsicherheiten). Großer Arbeitsaufwand bei vollständiger Abarbeitung (Aufbereitung flächenhafter Daten, numerische Stabilitätsprobleme in den Modellen, Ergebnisinterpretation).

Es besteht ein Handlungsbedarf, ein zeitgemäßes Gesamtverfahren zur risikobasierten Bemessung von Stauanlagen und Sicherheitsbewertung bestehender Anlagen zu erarbeiten. Vorhandene Konzepte sind mit Konzentration auf die o. a. Defizite weiterzuentwickeln bzw. zu modifizieren. Mit moderneren und leistungsfähigen Prozeduren soll die Integration in ein zeitgemäßes Gesamtverfahren zur risikobasierten Bemessung von Stauanlagen und Sicherheitsbewertung bestehender Anlagen erfolgen. 2. Teilmodule des Gesamtverfahrens Das Gesamtverfahren mit den notwendigen Teilmodulen ist in Abbildung 1 dargestellt. Für diese einzelnen Teilmodule (1 - 6) werden vorhandene Modelle übernommen bzw. weiterentwickelt. Bei der Analyse handelt es sich um eine Wahrscheinlichkeitsuntersuchung, die auf deterministische Modelle zurückgreift und nicht rein empirisch ist.

Abb. 1: Teilmodule zur Durchführung einer Risikoanalyse und -bewertung für Stauanlagen Die Risikoanalyse beinhaltet zum einen die Ermittlung der Auftretenswahrscheinlichkeit für hydrologisches Versagen, die sich aus der Verknüpfung von Einzelwahrscheinlichkeiten eines zum Versagen führenden Ereignisablaufes ergibt. Hierzu zählt auch die wichtige Einzelwahrscheinlichkeit für Überströmen. Zur Abschätzung dieser Wahrscheinlichkeiten wird das probabilistische Verfahren von (HABLE 2001) und das analytische Konzept von (MEON 1989) angewandt und weiterentwickelt. Für die Quantifizierung der „Folgen“ eines Stauanlagenversagens sind ggf. Bruchszenarien des Absperrbauwerks sowie der Ablauf von Dammbruchwellen zu modellieren. An ein numerisches Modell für den Wellenablauf sind hohe An-

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forderungen zu stellen, da Dammbruchwellen extrem instationär sind. Um aussagekräftige Aussagen über die Versagensfolgen machen zu können, ist eine 2-dimensionale Berechnung zu bevorzugen. Verwendet wird das Finite-Elemente-Modell MeadFlow, das entsprechend der Problemstellung angepasst wird. In Abbildung 2 sind erste Ergebnisse der hydrodynamischen Modellierung dargestellt.

Abb. 2: Finite-Element-Netz unterhalb der Möhnetalsperre mit Ausschnitt im Bereich der Ortschaft Niederense (ca. 5 km unterhalb der Sperre) und Ergebnisse der hydrodynamischen Modellierung unterhalb der Möhnetalsperre mit dem Programm MeadFlow Aus der Risikoanalyse sind aussagekräftige Risikokenngrößen abzuleiten, um das Risiko zu bewerten und etwaige Risikominderungsmaßnahmen zu treffen. Risikokenngrößen sind z.B. Versagenswahrscheinlichkeiten, quantifizierbare Schäden, Versagensrisiko und Anzahl der gefährdeten Personen. Die Kenngrößen werden auf ihre Eignung im Rahmen von Beispielanwendungen (s. Abschnitt 3) geprüft, neu beurteilt und ggf. geändert (zum Beispiel durch Einbezug der Lebensdauer der Anlage). 3. Anwendung Das Verfahren wird an der Hennetalsperre und an der Möhnetalsperre im Einzugsgebiet der Ruhr erprobt (s. Abbildung 3) und anschließend zur Überprüfung auf eine Stauanlage in

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Sachsen angewandt. Hauptziel ist es nicht, für die Beispielgebiete möglichst genaue Risikoaussagen zu treffen, sondern die grundsätzliche Anwendbarkeit zu demonstrieren und Hinweise zu erhalten, wo die Unsicherheiten besonders groß sind und sich auf das Endergebnis (Risikokenngrößen) auswirken, um dann aufzuzeigen, in welchen Bereichen das Wissen und die Datenlage verbessert werden muss.

Abb. 3: Lage der Henne- und Möhnetalsperre

4. Ausblick Das im Vorhaben zu entwickelnde Instrumentarium (Vorgehensweise, Kriterien, abgestufte Verfahrensweise in Abhängigkeit vom Anwendungsfall) dient zur risikobasierten Bemessung von Stauanlagen gegen hydrologisches Versagen und zur Sicherheitsbeurteilung bestehender Anlagen. Es ist somit ein Hilfsmittel für die Umsetzung der DIN 19700. Es enthält außerdem Aussagen zum Umgang mit den Unsicherheiten in den Ergebnissen, d.h. zur Aussagekraft der berechneten Risikokenngrößen.

Literatur HABLE, O. (2001): Multidimensional probabilistic design concept for the estimation of the overtopping probability of dams. Schriftenreihe zur Wasserwirtschaft 37, Dissertation an der Technischen Universität Graz. MEON, G. (1989): Sicherheitsanalyse einer Talsperre für den Hochwasserfall. Mitteilung Heft 35 des Instituts für Hydrologie und Wasserwirtschaft, Universität Karlsruhe.

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Stochastische Niederschläge für die deterministische Ermittlung von Hochwasserabflüssen A.-D. Ebner von Eschenbach, U. Haberlandt Zusammenfassung Für die deterministische Bestimmung von Hochwasserbemessungsabflüssen werden stochastisch kontinuierliche und hoch aufgelöste Niederschlagsreihen generiert. Methodischer Ausgangspunkt ist ein univariates Alternating-Renewal-Modell, das zunächst auf die regionalen Gegebenheiten angepasst wird. Die sich anschließende Modifizierung und Erweiterung erfolgt speziell vor dem Hintergrund, dass bei der Synthese der langen Reihen die Extremwerte bewahrt bleiben. 1. Einleitung und Zielstellung Für die Bemessung von Bauwerken werden Hochwasserabflüsse mit verschiedenen Wiederkehrintervallen benötigt. Beim Fehlen ausreichend langer Abflussbeobachtungen können diese mit Hilfe von kontinuierlichen Niederschlag-Abfluss-Simulationen bestimmt werden. Voraussetzung für eine Langzeitbetrachtung sind ausreichend lange Niederschlagsreihen in einer hohen zeitlichen Auflösung (LAMB et al. 2002). Eine Alternative zu diesen nur wenig verfügbaren beobachteten Niederschlagsreihen stellen stochastische Niederschläge dar (BLAZKOVA & BEVEN 2002). Ziel ist es daher, stochastisch kontinuierliche und zeitlich hoch aufgelöste Niederschlagsreihen für die deterministische Bestimmung von Hochwasserbemessungsabflüssen zu ermitteln. Dazu wird ein univariates Alternating-Renewal-Modell (dt = 5 min) in einem ersten Schritt auf die regionalen Gegebenheiten angepasst. Die sich anschließende Modifizierung und Erweiterung erfolgt vor dem Hintergrund, dass bei der Synthese der langen Reihen die Extremwerte reproduziert werden. 2. Methodik Zur Anwendung kommt ein univariates Alternating-Renewal-Modell (HABERLANDT 1996). Alternating-Renewal-Modells beschreiben den Niederschlagsprozess auf der Basis der Ereignisstruktur. Dabei werden die Niederschlagszeitreihen in Trockenperioden (dry-spells) und Nassperioden (wet-spells) zerlegt. Nassperioden werden durch ihre Dauer wsdj (wet-spell-duration) sowie durch ihre Niederschlagsmenge wsa j (wet-spellamount) und Trockenperioden allein durch ihre Dauer dsdj (dry-spell-duration) charakterisiert. Die Abbildung 1 zeigt schematisch den Niederschlagsereignisprozess und gibt die für die Beschreibung der Alternating-Renewal-Modelle verwendete Nomenklatur wieder.

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iN

N-Gesamtereignis wet-spell

dry-spell

wsd2

dsd2

N-segment

N-interval wsi1

wsd1

dsd1

wsd3

Zeit

Abb. 1: Schematische Darstellung des Niederschlag (N)-Ereignisprozesses Der Prozess des Niederschlagsvorkommens wird bei Vorliegen eines AlternatingRenewal-Prozess vollständig durch die Wahrscheinlichkeitsverteilungen der Dauer der Nassperioden wsdj und der Dauer der Trockenperioden dsdj spezifiziert. Eine Nachbildung der Dauer erfolgt auf der Basis von unabhängigen Verteilungsfunktionen. Das Ereignisvolumen wsa dagegen kann nicht unabhängig von der Ereignisdauer modelliert werden, da beide in starkem Maße korreliert sind. Bisher kommen hier bedingte Wahrscheinlichkeiten (wsa/wsd) zum Einsatz. Damit ist das Grobstrukturmodell, welches den wesentlichen Teil des Gesamtmodells repräsentiert, vollständig beschrieben. Die Nachbildung der Feinstruktur, d.h. des Intensitätsverlaufs innerhalb der Ereignisse wird separat mit Hilfe von definierten Profilen beschrieben. 3. Untersuchungsraum und Datenlage Die Untersuchungen erfolgen am Beispiel des ca. 3.000 km² großen Flussgebietes der Bode (Sachsen-Anhalt). Zur stochastischen Synthese kontinuierlicher Niederschlagsreihen stehen im Großraum des Flussgebietes 18 Miriam-Automaten (Mi) und 11 Regenschreiber (RS) mit unterschiedlicher Beobachtungsdauer zur Verfügung. Informationen zur geographischen Lage der Stationen sowie zum jeweiligen Beobachtungszeitraum können der Abbildung 2 entnommen werden. Die geringe Anzahl von N-Stationen mit hoch aufgelösten Niederschlägen im Einzugsgebiet (AE) der Bode sowie die Tatsache, dass Niederschlagsprozesse in einem größeren Maßstab betrachtet werden, sind die Gründe für die Erweiterung und Vergrößerung des eigentlichen Untersuchungsgebietes (AE Bode).

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N01 Gardelegen

N02 Magdeburg

Legende: 18 Mi ( 7 - 12a; Jan-Dez) 6 RS (33 - 40a; Mai-Okt) 5 RS ( 6 - 8a; Jan-Dez)

N04 Harzgerode

N03 Göttingen

Abb. 2: Darstellung der Datenbasis im Untersuchungsraum

4. Vorgehen und erste Ergebnisse Ausgangspunkt der Untersuchung ist ein Alternating-Renewal-Modell, das entsprechend der Zielstellung modifiziert werden muss. Hierzu wurden, (1) die verschiedenen definierten Randbedingungen für die Ereignisseparation sowie (2) die Verteilungsfunktionen zur Modellierung der externen Niederschlagsstruktur modifiziert. In der Tabelle 1 sind die Charakteristika der aktuellen Modellvariante (Zeitschritt = 5 min) zusammengefasst: Tab. 1: Modellkomponenten der externen Struktur Definierte Randbedingungen zur Separation der Ereignisse - Mindesttrockenintervall 15 min zur Abgrenzung der Ereignisse - Mindestniederschlagsintensität 0.01 mm/ min - Mindestniederschlagshöhe 0.01 mm Komponenten

Wahrscheinlichkeitsfunktion Nassereignisse wsd [min]

Dauer des Ereignisses

Höhe des Ereignisses wsa [mm]

- kleine Ereignisse - große Ereignisse ( ≥ 1.0 mm)

Weibull-2 Pearson-2

Trockenereignisse dsd [min]

Weibull-2

- kleine Ereignisse - große Ereignisse ( ≥ 1.0 mm)

Weibull-2 bedingte Pearson-3

Die Tabelle 2 zeigt eine Gegenüberstellung wesentlicher statistischer Parameter, die aus den beobachteten (beo) Reihen (Länge 12 a) einerseits und aus den synthetischen (syn) Niederschlagsreihen (Länge = 100 a) andererseits geschätzt wurden. Es ist eine gute Übereinstimmung von Ereignisanzahl (Nwet,Jahr) und N-Volumen festzustellen. Dieses bestätigt sich auch im Vergleich der mittleren Jahresniederschlagshöhen (h N,Jahr). Festzuhalten ist, dass die beobachteten mittleren Niederschlagshöhen jeweils geringer sind als die

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synthetisch erzeugten. Die höheren Momente werden durch das aktuelle N-Modell unterschätzt, wodurch sich Probleme bei der Nachbildung der Extremwerte ergeben. Tab. 2: Direkter Vergleich der N-Verifizierungsparameter Stat. N wet, Jahr [mm] wsa Erwartungswert [mm] beo syn beo syn N01 N02 N03 N04

723 649 824 863

725 651 830 869

0.75 0.81 0.76 0.70

wsa

0.77 0.82 0.79 0.71

Standardabw.

[mm]

wsa

Schiefe

[-]

h N, Jahr [mm]

beo

syn

beo

syn

beo

syn

1.92 2.17 2.10 2.19

1.85 2.07 1.97 1.95

8.42 8.07 8.67 13.93

6.55 6.94 6.71 7.56

542 525 626 604

559 531 656 620

In der Abbildung 3 sind die empirischen Verteilungsfunktionen der Extremwerte (EW) aus der Beobachtungsreihe (N02, Länge = 12 a) und von 8 synthetischen Reihen mit je 12 Jahren dargestellt. Eine befriedigende Übereinstimmung ist bei den kleineren EW festzustellen. Die selteneren beobachteten Ereignisse werden durch das Modell unterschätzt. 40.0

hN [mm]

Beobachtung (12 a)

30.0

Synthese (8 x 12a)

20.0 10.0 0.0 0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

P[hN]

Abb.3: empirische Verteilungsfunktionen der Extremwerte (N02, Dauerstufe 30 min)

5. Schlussfolgerung und Ausblick Die wesentlichen statistischen Parameter der stochastisch erzeugten N-Reihen stimmen mit denen der Beobachtungsreihe ausreichend genau überein. In Bezug auf die Extremereignisse muss das Modell jedoch noch verbessert werden. Ein möglicher Ansatzpunkt ist zum Beispiel eine Vergrößerung des Zeitschrittes. Weitere Arbeiten betreffen die Berücksichtigung der Saisonalität und die multivariate Erweiterung des N-Modells. Acknowledgement Die Untersuchungen erfolgen im Rahmen des BMBF geförderten RIMAX-Projektes „Extreme Hochwasserereignisse und Kumul-Schadenspotenziale im Bodegebiet“.

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Literatur BLAZKOVA, S. & K. BEVEN (2002): Flood frequency estimation by continuous simulation for a catchment treatet as ungauged (with uncertainty). – In: Water Resources Research 38 (8), doi: 10.1029/2001WR000500. HABERLANDT, U. (1996): Stochastische Synthese und Regionalisierung des Niederschlages für Schmutzfrachtberechnungen. Mitteilungen des Institutes für Wasserbau, Heft 88. Universität Stuttgart, 166 S. LAMB, R. et al. (2002): A national System for flood frequency estimation in Great Britain using continuous catchment simulation: confidence and uncertainties. – In: M. Spreafico and R. Weingartner (Edit.). International Conference on Flood Estimation. CHR/ KHR, Bern, Switzerland, S. 559 – 565.

240

241

Rahmenbedingungen und Methoden der Deichertüchtigung in Bayern Ronald Haselsteiner, Theodor Strobl Zusammenfassung Im folgenden Beitrag wird eine Übersicht der Herangehensweise an Deichertüchtigungsmaßnahmen und der dabei verwendeten technischen Methoden gegeben. Deshalb werden auch die dabei zu beachtenden Randbedingungen aufgezählt. Dazu zählen nicht nur technische Gesichtspunkte, wie z. B. das Vorhandensein eines Altdeichs sowie Aspekte der Deichüberwachung und –unterhaltung, sondern auch die Berücksichtigung des Naturhaushaltes, städtebauliche und landschaftsästhetische Gesichtspunkte und rechtliche Rahmenbedingungen. Die Methoden zur Ertüchtigung von Deichen reichen von herkömmlichen Erdbaumaßnahmen über die Verwendung von Geokunststoffen bis hin zur Verwendung von massiven statisch wirksamen Dichtungen. 1. Einleitung In Bayern schützen Deiche mit einer Länge von über 1.200 Kilometern an Gewässern 1. und 2. Ordnung das Hinterland vor Überflutungen. Die Hochwasser der Jahre 1999, 2002 und 2005 haben den Ertüchtigungsbedarf dieser Hochwasserschutzdeiche offen dargelegt. Die bayerische Wasserwirtschaftverwaltung startete bereits vor einigen Jahren das Aktionsprogramm 2020 (STMLU BY 2002), infolge dessen sanierungsbedürftige Deiche den allgemein anerkannten Regeln der Technik (a.a.R.d.T.) entsprechend ertüchtigt werden sollen. Die Ertüchtigung von Deichen war auch das Thema eines F+E-Vorhabens, das in den Jahren 2003 bis 2005 am Lehrstuhl und der Versuchsanstalt für Wasserbau der Technischen Universität München in enger Zusammenarbeit mit der bayerischen Wasserwirtschaftsverwaltung, Ingenieurbüros und Baufirmen durchgeführt wurde. Ziel dieses Forschungsvorhabens war es, den an Deichertüchtigungsmaßnahmen Beteiligten, insbesondere der bayerischen Wasserwirtschaftsverwaltung, eine Arbeitshilfe zur Verfügung zu stellen, die nach dem neuesten Stand der Technik die Rahmenbedingungen und die Methoden der Deichertüchtigung beschreibt (HASELSTEINER & STROBL 2005). 2. Rahmenbedingungen / Rechtsverfahren Bei der Planung und Ausführung von Deichertüchtigungsmaßnahmen sind neben den bautechnischen und rechtlichen auch finanzierungs- und haushaltstechnische Zwangspunkte zu berücksichtigen. Sowohl des Vorhandensein eines „Altdeiches“, der häufig in Aufbau und Beschaffenheit unbekannt ist (Abbildung 1), als auch Aspekte der Deichüberwachung und Deichverteidigung (vgl. LFW BY 2003), z. B. durch das Anlegen eines Deichhinterwegs, müssen berücksichtigt werden sowie die Möglichkeit der dauerhaften Durchführbarkeit von wirtschaftlichen Unterhaltungsmaßnahmen. „Flussdeiche sind zu unterhalten, dass ihre Sicherheit ständig gegeben ist“ (DIN 19712 1997). Ist ausreichend Platz zur Verbreiterung des Deichlagers vorhanden, können oft einfache, kostengünstige Sanierungsverfahren durchgeführt werden. Häufig reichen jedoch die angrenzenden Grundstücke, Eigentum Dritter oder die Bebauung direkt

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an den Deich heran, so dass aufwendigere Lösungen zum Zuge kommen müssen. Eine Vermeidung der Inanspruchnahme von Grundstücken Dritter kann kostenintensiven Grundstückserwerb vermeiden sowie eine Verfahrensbeschleunigung bewirken. Außerdem sollten landschaftliche, ökologische und städtebauliche Belange berücksichtigt werden (vgl. DVWK 226 1993). In Abstimmung mit den Vorgaben aus den notwendigen Rechtsverfahren können die Baumaßnahmen zeitlich so gelegt werden, dass sie in einer günstigen, von Hochwassern nicht gefährdeten Jahreszeit stattfinden können.

Abb. 1: Inhomogener Querschnitt eines Deiches an der Mangfall im Bereich von Bad Aibling (Quelle: WWA Rosenheim) Die Auswirkungen der Maßnahmen bestimmen die Notwendigkeit und den Umfang der Rechtsverfahren. „Die Herstellung, Beseitigung oder wesentliche Umgestaltung eines Gewässers oder seiner Ufer (Gewässerausbau) bedarf der Planfeststellung durch die zuständige Behörde“ (§ 31 Abs. 2 WHG). Darüber hinaus stehen „Deich- und Dammbauten, die den Hochwasserabfluss beeinflussen, dem Gewässerausbau gleich“ (§ 31 Abs. 2 WHG). Die Unterhaltung dient nach § 28 WHG dem „Erhalt eines ordnungsgemäßen Zustandes für den Wasserabfluss“. Maßnahmen am Deich, die den Hochwasserabfluss und das Grundwasserregime nicht beeinflussen, sind demnach Unterhaltungsmaßnahmen, die grundsätzlich keiner behördlichen Genehmigung bedürfen. Der Einbau von Dichtungen und Dräns, Maßnahmen zur Bewuchspflege oder –entfernung, Anschüttungen auf der Landseite des Deiches und im Einzelfall auch der Abtrag und sofortiger Neubau des Deiches in den alten Abmessungen kann ggf. im Rahmen der Unterhaltung durchgeführt werden. Baumaßnahmen, die die Deichkrone erhöhen, den Abflussquerschnitt verändern oder eine Umgestaltung des Gewässers erfordern, sind dahingegen nach dem Wasserrecht genehmigungspflichtig, d.h. bedürfen eines Planfeststellungsverfahrens nach § 31 WHG. Dazu zählen i. d. R. im Rahmen von Deichertüchtigungsmaßnahmen Deichrückverlegungen, Deicherhöhungen und wasserseitige, wesentliche Änderungen am Deich. Die wesentliche Umgestaltung eines Deiches ist jedoch nicht gleichzusetzen mit der wesentlichen Umgestaltung des Gewässers. Kernpunkt der Entscheidung, ob eine technische Maßnahme einen Ausbau oder eine Unterhaltung dar-

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stellt, ist die Frage, ob die Maßnahme den Hochwasserabfluss beeinflusst. Im Zweifelsfall muss die Entscheidung aufgrund eines Sachverständigengutachtens getroffen werden (RASP 2003, KEMPFLER 2003). 3. Ertüchtigungsmethoden Nach Feststellung des Ertüchtigungsbedarfes, der aus einem Vergleich des Ist-Zustands des Deiches mit den a.a.R.d.T. abgeleitet werden kann, wird die Ertüchtigungsdringlichkeit (Priorisierung) unter Berücksichtigung von wirtschaftlichen, ökologischen sowie technischen Gesichtspunkten festgelegt. Anschließend werden die Deiche den a.a.R.d.T. entsprechend angepasst. Dies kann in einem Schritt oder gestaffelt mittels Vorwegmaßnahmen, wie z. B. einer Gehölzfreistellung oder landseitigen Anschüttung, und anschließender Ausbaumaßnahme, wie z. B. einer Deicherhöhung, erfolgen. Ein (teilweiser) Abtrag mit anschließendem Wiederaufbau sowie Deich(rück)verlegungen sind Maßnahmen, die notwendig werden können, wenn der bestehende Deich oder Teile davon nicht in die geplante Ertüchtigungsmaßnahme integriert werden können. Zur Erhöhung der Standsicherheit und Gebrauchstauglichkeit können erdbauliche Maßnahmen, wie z. B. Abflachen der Böschung, Verbreiterung der Krone oder Anordnung einer landseitigen Berme mit Deichverteidigungsweg ebenso dienen wie die Verwendung von Geokunststoffen und/oder Dichtungen. In speziellen Fällen mit Gehölzbewuchs (Abbildung 2) oder bei Deicherhöhungen müssen Dichtungen auch statische Lasten übernehmen können.

Abb. 2: Ertüchtigter Isardeich im Stadtbereich München mit verbleibendem Gehölzbewuchs (Quelle: WWA München) Dafür können Spundwände ebenso herangezogen werden wie mit Stahlträgern verstärkte Bodenvermörtelungswände. Die Erhöhung von Deichen kann unter Verwendung von Mauern, Wänden, mobilen Elementen oder herausstehenden Dichtungen sowie durch rein erdbauliche Maßnahmen erfolgen. Die üblichen Verfahren der Boden- und Baugrundverbesserung können ebenso eingesetzt werden wie an den Deichfüßen angeordnete Stützbauwerke.

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Bei der Ausbildung von Deichen als Überströmstrecken sind Deichböschung, Kronenbereich und landseitiger Deichfuß entsprechend auszubilden. 4. Ausblick Mit Gehölzen bewachsene Deiche bedeuten i. d. R. einen finanziellen Mehraufwand und unter Umständen ein erhöhtes Risiko. Bei Ertüchtigung und Neubau ist diesem Mehraufwand der Nutzen gegenüberzustellen. Im Vordergrund dieses Interessenausgleichs zwischen Behörden, Betreibern, Bürgern und Ingenieuren sollte stets die technische Sicherheit des Deiches stehen. Die Haushaltslage lässt den Spielraum für teure Sicherungsmaßnahmen stetig schrumpfen. Dabei sollte beachtet werden, dass Forderungen einiger weniger nach ökologisch oder landschaftsästhetisch „getunten“ Hochwasserschutzdeichen volkswirtschaftlich nachteilige Auswirkungen haben können. Wenn aufwendige, lokal wirkende Baumaßnahmen die zur Verfügung stehenden Mittel verschlingen und aus diesem Grund anderorts dringend notwendige, effiziente Hochwasserschutzmaßnahmen nicht oder nicht rechtzeitig durchgeführt werden können.

Literatur DIN 19712 (1997): Flussdeiche. Deutsches Institut für Normung e.V. (DIN), 1997 DVWK 226 (1993): Landschaftsökologische Gesichtspunkte bei Flussdeichen. Merkblätter zur Wasserwirtschaft, Heft 226, Deutscher Verband für Wasserwirtschaft und Kulturbau, Verlag Paul Parey, Hamburg und Berlin 1993 HASELSTEINER, R. & TH. STROBL (2005): Deichsanierung. Forschungs- und Entwicklungsvorhaben, Endbericht, im Auftrag vom Bayerischen Landesamt für Wasserwirtschaft (LfW), Lehrstuhl und Versuchsanstalt für Wasserbau und Wasserwirtschaft, Technische Universität München, 2005 (Erhältlich beim Bayerischen Landesamt für Umwelt: http://www.bayern.de/lfu) KEMPFLER, K. F. (2003): Sanierung von Deich- und Dammbauten an Gewässern erster Ordnung in Bayern. Bayerische Verwaltungsblätter, Heft 9, S. 261 – 265, 2003 LfW BY (1990): Gehölze auf Deichen. Dokumentation von Baumwurzelaufgrabungen und Windwurf von Gehölzen. 5/89 Informationsberichte. Bayerisches Landesamt für Wasserwirtschaft, München 1990 RASP, F. (2003): Die Deichsanierung in der Praxis. Landesverbandstagung des ATV-DVWK Landesverbandes Bayern, Fürth, 22./23. Oktober 2003 STMLU BY (2002): Hochwasserschutz in Bayern – Aktionsprogramm 2020. Daten + Fakten + Ziele, Bayerisches Staatsministerium für Landesentwicklung und Umweltfragen (StMLU), München 2002 WHG (1996): Wasserhaushaltsgesetz. Gesetz zur Ordnung des Wasserhaushaltes. 1996

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Entwicklung einer selbst dichtenden Wassersperre für Fenster und Türen Ulrich Herrmann; Titus Lehmann Zusammenfassung Die letzten Hochwasser speziell in Sachsen haben gezeigt, dass insbesondere Altbauten durch Eindringen von Wasser beschädigt wurden. Durch die vorhandenen Unebenheiten des Mauerwerkes an diesen Gebäuden konnte keine exakte und damit undurchlässige Dichtung angebracht werden. Gesamtziel des Vorhabens sind deshalb Untersuchungen zur Entwicklung einer selbst dichtenden Wassersperre für Fenster und Türen. Diese Wassersperre soll aus einer mit mineralischen Dichtungsmaterial gefüllten Textilstruktur und einer nicht rostenden metallischen oder nichtmetallischen Platte inklusive Befestigungselemente bestehen. Durch den Druck der Befestigungselemente und durch Wassereinwirkung kommt es zu einer Abdichtung und damit zu einer Verhinderung des Eintrittes von Wasser in das zu schützende Gebäude. Als mineralisches Dichtungsmaterial sollen in verschiedene schlauchförmige Textilien Lehm- und Tongranulate integriert werden. Lehme und Tone können durch Zugabe von Flüssigkeit formbar gestaltet werden. Dadurch ist es möglich eine Wassersperre zu entwickeln, die sich entgegen anderer Dichtungsmaterialien, wie z. B. Gummi, an die kleinste Unebenheit am Mauerwerk anpassen lässt und somit zu einer exakten Abdichtung gegen Hochwasser führt und Ausspülungen an der Gebäudewand verhindert. 1. Aufgabenstellung Für Technische Textilien werden bestehende Produktanwendungen ständig vervollkommnet bzw. neue Einsatzgebiete erschlossen. Das wird unter anderem auch durch hohe Wachstumsraten dieser Sparte der deutschen Textilindustrie deutlich. Eine Grundlage dieser positiven Entwicklung ist die Reaktion der Hersteller derartiger Textilien auf vielfältige und neuartige Anforderungsprofile. Dies ist nur zum Teil mit bestehenden Technologien möglich. Für einen weiteren Fortschritt und den Bestand im europäischen und globalen Wettbewerb bedarf es ständiger Neu- und Weiterentwicklungen von Textiltechnologien in Zusammenarbeit mit anderen Industriezweigen, wie z. B. zur Verbesserung des Hochwasserschutzes. Die vergangenen Hochwasser haben gezeigt, dass noch bessere, kostengünstige und einfach zu handhabende Schutzvorrichtungen insbesondere für den privaten Sektor gebraucht werden. Die letzten Hochwasser speziell in Sachsen haben gezeigt, dass insbesondere Altbauten durch Eindringen von Wasser beschädigt wurden. Durch die vorhandenen Unebenheiten des Mauerwerkes an diesen Gebäuden konnte keine exakte und damit undurchlässige Dichtung angebracht werden. Gesamtziel des Vorhabens sind deshalb Untersuchungen zur Entwicklung einer selbst dichtenden Wassersperre für Fenster und Türen. Diese Wassersperre soll aus einer mit mineralischen Dichtungsmaterial gefüllten Textilstruktur und einer nicht rostenden metallischen oder nichtmetallischen Platte inklusive Befestigungselemente bestehen. Durch den Druck der Befestigungselemente und durch Wassereinwirkung kommt es zu einer Abdichtung und damit

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zu einer Verhinderung des Eintrittes von Wasser in das zu schützende Gebäude. Als mineralisches Dichtungsmaterial sollen in verschiedene schlauchförmige Textilien Lehm- und Tongranulate integriert werden. Lehme und Tone können durch Zugabe von Flüssigkeit formbar gestaltet werden. Dadurch ist es möglich eine Wassersperre zu entwickeln, die sich entgegen anderer Dichtungsmaterialien, wie z. B. Gummi, an die kleinste Unebenheit am Mauerwerk anpassen lässt und somit zu einer exakten Abdichtung gegen Hochwasser führt und Ausspülungen an der Gebäudewand verhindert. 2. Realisierung Lehme und Tone können durch Zugabe von Flüssigkeit formbar gestaltet werden. Durch Zugabe von Naturfasern, wie z. B. Hanf kann das Quellverhalten verbessert werden. Dadurch ist es möglich eine Wassersperre zu entwickeln, die sich entgegen anderer Dichtungsmaterialien, wie z. B. Gummi, an die kleinste Unebenheit am Mauerwerk anpassen lässt und somit zu einer exakten Abdichtung gegen Hochwasser führt und Ausspülungen an der Gebäudewand verhindert. Bei vorhandenem Hochwasser entfällt somit ein mühevolles Nachdichten. Gegenüber Abdichtungen aus Silikon besitzt die zu entwickelnde Dichtung außerdem den Vorteil, dass nach dem Abbau des Schottsystems keine Rückstände der Dichtung mühevoll vom Putz, Fenster oder Türrahmen entfernt werden müssen. Die Wassersperre soll aus einem Schnellbausystem bestehen, was mit einem geringen Aufwand bei der Anbringung verbunden ist. Ferner enthält die selbst dichtende Wassersperre nur mineralische Substanzen und führt deshalb nicht zu einer Verunreinigung des Wassers. Anstelle der Mauerwerksverankerung ist es vorgesehen, im Bereich der Leibung der Türen bzw. Fenster eine Schnellspanneinrichtung anzuordnen, mit deren Hilfe die Absperrplatte mit Dichtung gegen das Mauerwerk gedrückt wird. Somit entfällt die Befestigung mittels Dübel und Schrauben direkt am Mauerwerk. Ebenfalls ist es möglich die mit mineralischen Bestandteilen gefüllten textilen Schläuche separat in Fenster- und Türrahmen als Dichtung zu befestigen. Um ein Auswaschen der mineralischen Bestandteile der Dichtung zu verhindern ist weiterhin bei Bedarf vorgesehen, dass um die Dichtung herum ein Ausschwemmschutz angebracht wird. Dieser kann nach ersten durchgeführten Vorversuchen aus textilem Recyclingmaterial bestehen. Der Schutz besitzt die Aufgabe, die Wasserströmung und -wirbel von der Dichtung fernzuhalten. Das durch den Schutz eingedrungene Wasser kann infolge der fehlenden Strömung kein Auswaschen der mineralischen Bestandteile der Dichtung herbeiführen.

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Abb. 1: Prinzipskizze des Schottsystems mit selbstdichtender Wassersperre Für die Versuche wurde ein Tonmineral, was bei Vorversuchen ein gutes und schnelles Quellverhalten zeigte, mit folgender Spezifikation ausgewählt: Wetronit 50/51 der Fa. Feuerfestwerke Wetro GmbH. Dieses Granulat ist auch für die direkte Integrierung in einen textilen Schlauch direkt bei dessen Herstellung auf der Textilmaschine geeignet. Durch die kompakte Struktur der Pellets aus Ton ist nur unter größeren Flüssigkeitszugaben eine durchgehende Quellung erreichbar. Dies führt dazu, dass gequellte Tonbestandteile aus dem umhüllenden Material unter Druck, wie er bei der Abdichtung gebraucht wird, herausgedrückt werden. Dadurch kann es zu einer erhöhten Ausspülung kommen, die die Abdichtwirkung mit der Zeit vermindern kann. Deshalb wurde das Tongranulat für weitere Versuche zu einem Feingranulat gemahlen.

248

Abb. 2: Auswaschungen durch zu hoher Wasserzugabe

Abb. 3: Aufgeschnittene Dichtung mit gemahlenem Feingranulat nach Benetzung Die so hergestellte mineralische Dichtung kann für eine Wassersperre für Fenster und Türen eingesetzt werden. Im folgenden Bild ist eine derartige Dichtung nach entfernen der Frontplatte abgebildet. Die mineralische Dichtung der Wassersperre bleibt durch ihre Plastizität an der Mauer haften. Damit kann sichergestellt werden, dass Unebenheiten am Mauerwerk auch abgedichtet werden. Außerdem ist die Dichtung leicht zu entfernen.

249

Abb. 4: Haftende Dichtung 3. Dichtungsherstellung Für die Integrierung des mineralischen Dichtungsmaterials direkt an der Textilmaschine bei der Herstellung des textilen Schlauches wurde eine Rundwirkmaschine mit zwei Legeringen, einem Durchmesser von 4 Zoll und einer Feinheit von 5 E ausgewählt. Um eine relativ dichte Oberfläche des textilen Umhüllungsmaterials zu erhalten wurde die Maschinenfeinheit auf 8 E erhöht. Durch die Verwendung von zwei Legeringen ist eine größere Palette von Bindungen realisierbar. Außerdem kann dadurch bei entsprechenden Legungen die Maschenlaufneigung und damit eine Beschädigung des textilen Schlauches minimiert werden.

Abb. 5: Rundwirkmaschine mit Fülltrichter

250

Eine weitere Variante der Herstellung einer selbst dichtenden Wassersperre wird mittels einer KEMAFIL-Maschine getestet. Hier wird der Maschine ein Vliesstoff zugeführt. Dieser wird über eine Spezialeinrichtung zu einem Schlauch geformt und mit Maschenfäden fixiert. Dabei erfolgt gleichzeitig das Einfüllen der mineralischen Substanz.

Abb. 6: KEMAFIL-Maschine mit Fülleinrichtung

251

Abb. 7: Dichtung am Warenabzug der KEMAFIL-Maschine

Abb. 8: Mit mineralischen Bestandteilen gefüllte KEMAFIL-Struktur

252

Ebenfalls soll die Herstellung einer derartigen Dichtung auf einer Kleinrundstrickmaschine untersucht werden. Der nach einer dieser Methoden hergestellte textile Schlauch mit integrierten mineralischen Granulaten muss, um eine Dichtwirkung zu erreichen, vor dem Einsetzen in die Wassersperre durchfeuchtet werden. Damit wird ein plastischer Zustand der Dichtung erreicht. Durch die damit erreichte leichte Verformbarkeit können ohne zusätzliches Nachdichten größere Mauerunebenheiten abgedichtet werden. Um ein Ausschwemmen von mineralischen Bestandteilen und damit einer nachlassenden Dichtung vorzubeugen, soll eine Sperre angebracht werden. Dies wird durch eine bereits in der Abbildung 1 dargestellte Ausschwemmsperre (6) verhindert. Diese Ausschwemmsperre besteht aus einer weichen voluminösen textilen strangförmigen Strömungsbremse. Damit wird zwar das Eindringen von Wasser bis an die mineralische Dichtung nicht verhindert, aber durch die damit verbundene Minimierung bzw. Beseitigung der Wasserzirkulation das Ausschwemmen der mineralischen Bestandteile verhindert. In Abhängigkeit der unterschiedlichen Oberflächenstrukturen des textilen Schlauches und der Granulatgröße soll die Dichtwirkung, die Durchfeuchtung in Abhängigkeit der Zeit und der Grad der eventuellen Ausschwemmung untersucht werden, um eine optimale Dichtwirkung zu erreichen.

253

Einflussfaktoren auf die Durchströmung und Standsicherheit von Deichen während Hochwassereinstau Johannes Höfer, Jürgen Ihringer Zusammenfassung Im Rahmen des BMBF-Verbundprojekts „Versagen von Deichen und Dämmen auf und mit Lehmzonen bei Hochwasser“ mit den drei Verbundpartner Institut für Bodenmechanik und Felsmechanik (IBF), Institut für Wasser und Gewässerentwicklung (IWG) (beide Universität Karlsruhe), und dem GeoForschungsZentrum Potsdam (GFZ) haben sich die Verfasser einerseits mit dem Einfluss der Belastungsgrößen Hochwassereinstau, Niederschlag und der entlastend wirkenden Evapotranspiration auf die Deichstandsicherheit beschäftigt. Andererseits wurde der Einfluss von Inhomogenitäten im Deichaufbau, die über eine über den Deichquerschnitt variable hydraulische Leitfähigkeit erfasst wurden, auf die Belastbarkeit des Deiches und somit auf die Deichstandsicherheit untersucht. Als Kriterium für die Standsicherheit des Deiches wurde zunächst der mittlere Sättigungsgrad Sr und die Lage der Sickerlinie betrachtet, wobei ein spezielles Augenmerk der Lage der Sickerlinienaustrittshöhe galt. Vorgehensweise und erste Ergebnisse werden vorgestellt. 1. Einleitung Während nach dem aktuellen Stand der Technik neu gebaute Deiche bis zum Bemessungswasserstand als sicher einzustufen sind, müssen bestehende Deiche, die vielfach historisch „gewachsen“ sind, und deren heterogener Aufbau unzureichend bekannt ist, hinsichtlich ihrer Belastbarkeit häufig als unsicher bewertet werden. Es soll daher untersucht werden, wie sich verschieden strukturierte Inhomogenitäten auf die Durchströmung eines Deiches auswirken. Zusätzlich wurde untersucht, welche Belastungsgrößen berücksichtigt werden müssen. Da die unterschiedliche zeitliche Abfolge der Belastungsgrößen, sich jeweils anders auf den Deichzustand auswirken könnten, wurde der Wasserhaushalt eines Deiches an der Elbe mit typischen Abmessungen jeweils über den Zeitraum von 30 Jahren mit dem Programm HYDRUS-2D (ŠIMŮNEK et al. 1999) simuliert, um somit möglichst viele verschiedene Belastungsabfolgen zu erfassen. 2. Untersuchungen an einem homogenen Deichquerschnitt Im ersten Schritt soll der Einfluss verschiedener Belastungsgrößen auf einen Deich betrachtet werden. Daher wurden die Simulationen zunächst an einem homogenen Deichquerschnitt unter Berücksichtigung folgender Belastungsgrößen durchgeführt: •

Wasserstandsbelastung

•

Wasserstands- und Niederschlagsbelastung

• Wasserstands- und Niederschlagsbelastung, sowie entlastende Evapotranspiration Es wurde, unter Berücksichtigung des Jahresgangs, mit einer durchschnittlichen potentiellen Evapotranspirationshöhe von 550 mm/a gerechnet. Abbildung 1 zeigt den zeitlichen Verlauf des mittleren Sättigungsgrads bei den drei Simulationsvarianten. Auf der Sekundärachse ist der zeitliche Verlauf der Einstau- und Niederschlagsbelastung dargestellt. Wertet man die

254

Simulationen aus, ergeben sich die in Abbildung 2 dargestellten empirischen Verteilungsfunktionen des mittleren Sättigungsgrads Sr bzw. der Sickerlinienaustrittshöhe. Es lässt sich erkennen, dass bei der gleichzeitigen Berücksichtigung von Wasserstands- und Niederschlagsbelastung, sowie der Evapotranspiration sowohl größere Sättigungen als auch größere Sickerlinienaustrittshöhen erreicht werden, als bei der alleinigen Berücksichtigung der Wasserstandsbelastung. Dies ist selbst dann noch der Fall, wenn man, ebenfalls unter Berücksichtigung des Jahresgangs, eine potentielle Evapotranspirationshöhe von über 700 mm/a anstatt von 550 mm/a berücksichtigen würde. Daraus lässt sich schließen, dass der Einfluss der Vorfeuchte durch Niederschlag, selbst bei gleichzeitiger Berücksichtigung der Evapotranspiration, einen nicht zu vernachlässigenden Einfluss auf die Deichstandsicherheit hat (vgl. SCHEUERMANN 2005).

1.0 0.8

rel. Unterschreitungshäufigkeit [-]

rel. Unterschreitungshäufigkeit [-]

Abb. 1: Zeitlicher Verlauf des mittleren Sättigungsgrads Sr der mit unterschiedlichen Belastungsgrößen durchgeführten Simulationen über die 30 betrachteten Jahre

W W+N W+N+ET

0.6 0.4 0.2 0.0 0.3

0.4

0.5 0.6 0.7 0.8 mittlerer Sättigungsgrad Sr [-]

0.9

1.0

1.0 0.8 0.6

W W+N W+N+ET

0.4 0.2 0.0 0

20

40 60 80 Sickerlinienaustrittshöhe [cm]

100

Abb. 2: Emp. Verteilungsfunktionen des mittl. Sättigungsgrads Sr über alle Tage (links) bzw. der Sickerlinienaustrittshöhe über alle Einstautage (rechts) der mit unterschiedlichen Belastungsgrößen am homogenen Deich durchgeführten Simulationen

255

3. Untersuchungen an einem inhomogenen Deichquerschnitt Im nächsten Schritt wurde untersucht, inwiefern sich Inhomogenitäten im Deichaufbau auf die Durchströmung und somit auf die Deichstandsicherheit auswirken. Als Belastungsgrößen wurden Wasserstand, Niederschlag und potentielle Evapotranspiration (550 mm/a) berücksichtigt. Die Inhomogenitäten wurden über eine über den Deichquerschnitt variable hydraulische Leitfähigkeit erfasst. Hierzu wurden Leitfähigkeitsfelder mit Hilfe des Turning Bands Algorithmus (vgl. BROOKER 1985) generiert. Der Algorithmus ermöglicht, Leitfähigkeitsfelder mit vorgegebenen Eigenschaften (Mittelwert, Standardabweichung, Korrelationslängen) zu erzeugen. Es wurden vier verschiedene Typen von Inhomogenitätsstrukturen betrachtet: vertikale, horizontale, zufällige großräumige und zufällige kleinräumige Strukturen (vgl. Abbildung 3). Der Inhomogenitätsgrad wurde ebenfalls in mehreren Stufen variiert (von etwa Faktor 50 bis Faktor 5000 zwischen minimaler und maximaler hydraulischer Leitfähigkeit über einen Querschnitt). Für jede Inhomogenitätsstruktur und jeden Inhomogenitätsgrad wurden mehrere Leitfähigkeitsfelder generiert.

Abb. 3: Exemplarische Beispiele für die vier betrachteten Inhomogenitätsstrukturen: horizontale (links oben), vertikale (rechts oben), großräumige (links unten) und kleinräumige (rechts unten) Strukturen Abbildung 4 zeigt für einen Inhomogenitätsgrad für den der Faktor zwischen minimaler und maximaler hydraulischer Leitfähigkeit etwa 400 beträgt die empirischen Verteilungsfunktionen des mittleren Sättigungsgrads Sr bzw. der Sickerlinienaustrittshöhe für die verschiedenen Inhomogenitätsstrukturen über alle Einstautage. Man kann erkennen, dass die verschiedenen Inhomogenitätsstrukturen nur einen geringen Einfluss auf den mittleren Sättigungsgrad haben (Abbildung 4, links). Stärker hingegen ist der Einfluss auf die Sickerlinienaustrittshöhe (Abbildung 4, rechts). Bei den horizontalen Strukturen treten die größten Sickerlinienaustrittshöhen auf. Dies erscheint plausibel, da durch durchlässigere horizontale Schichten das Wasser bei einem Einstau schneller in den Deich eindringen kann. Die vertikalen Strukturen haben auch einen negativen Einfluss auf die Sickerlinienaustrittshöhe. Jedoch schwächt sich dieser Effekt teilweise bei großen Sickerlinienaustrittshöhen ab. Ein Grund hierfür ist, dass die vertikalen Strukturen zwar eine Entwässerung des Deiches behindern, wenn der Deich nicht eingestaut ist, so dass zu Beginn eines Einstaus die Sickerlinie schon auf einem relativ hohen Niveau ist. Jedoch durch undurchdringlichere vertikale Schichten („Dichtungskern“) wird das Eindringen von Wasser bei einem Einstau behindert bzw. zeitlich verzögert. Die großräumigen Strukturen wirken sich eher günstig auf die Sickerlinienaustrittshöhe aus. Bei den kleinräumigen Strukturen ist der geringste Einfluss zu beo-

256

bachten. Durch die Vergrößerung des Inhomogenitätsgrads verstärken sich diese Effekte tendenziell.

1.0

1.0 0.9

0.9 horizontale Strukturen vertikale Strukturen großräumige Strukturen kleinräumige Strukturen homogener Aufbau

0.7

0.8 rel. Unterschreitungshäufigkeit [-]

rel. Unterschreitungshäufigkeit [-]

0.8

0.6 0.5 0.4 0.3

0.7 0.6 0.5 horizontale Strukturen vertikale Strukturen großräumige Strukturen kleinräumige Strukturen homogener Aufbau

0.4 0.3

0.2

0.2

0.1

0.1 0.0

0.0 0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

mittlerer Sättigungsgrad Sr [-]

0.9

1.0

0

20

40

60

80

100

120

Sickerlinienaustrittshöhe [cm]

Abb. 4: Emp. Verteilungsfunktionen des mittleren Sättigungsgrads Sr (links) bzw. der Sickerlinienaustrittshöhe (rechts) der verschiedenen Inhomogenitätsstrukturen über alle Einstautage

4. Ausblick Durch die Kopplung mit einem bodenmechanischen Modell soll ein Gesamtmodell zur Beschreibung der Versagenswahrscheinlichkeit von Deichen aufgestellt werden. Dieses Gesamtmodell soll die gesamte Wirkungskette von der instationären hydrologischen Belastung bis zur Reaktion des Deiches auf diese Belastungen umfassen. Damit wird es einerseits möglich sein, das Versagensrisiko von bestehenden Deichen unter Berücksichtigung der Vorbelastung zu quantifizieren, andererseits steht damit auch ein Werkzeug zur Verfügung, das dazu dient, die Bemessung von Deichen auf probabilistischer Basis durchzuführen. Literatur BROOKER, P. (1985): Two-dimensional simulation by turning bands. Mathematical Geology, Vol. 17, No. 1, 81 – 90. SCHEUERMANN, A. (2005): Instationäre Durchfeuchtung quasi-homogener Erddeiche. Mitteilungen des Institutes für Bodenmechanik und Felsmechanik der Universität Karlsruhe, Heft 164. ŠIMŮNEK, J. et al. (1999): HYDRUS-2D – Simulating water flow, heat, and solute transport in twodimensional variably saturated media. U. S. Salinity Laboratory, Agricultural Research Service, U. S. Department of Agriculture, Riverside, California.

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Verzeichnis der Autoren

Ackermann, Dieter, Behörde für Stadtentwicklung und Umwelt, Amt für Bau und Betrieb, Stadthausbrücke 8, 20355 Hamburg Anhalt, Markus, Dipl.-Ing., Leichtweiß-Institut für Wasserbau, Abteilung Hydrologie, Wasserwirtschaft und Gewässerschutz, TU Braunschweig, Beethovenstr. 51a, 38106 Braunschweig, Tel.: 0531/391-3952, Email: [email protected] Apel, Heiko, Dr., GeoForschungsZentrum Potsdam, Sektion 5.4 – Ingenieurhydrologie, Telegrafenberg, D-14473 Potsdam, Tel.: +49-331-288-1538, Fax: +49-331-288-1570, Email: [email protected] Assmann, André, Dr., geomer GmbH, Redtenbacherstraße 5, D-69126 Heidelberg, Tel.: 06221/89458-41, Fax: 06221/89458-79, Email: [email protected] Badde, Ute, Dipl.-Ing., Landesanstalt für Umwelt, Messungen und Naturschutz BadenWürttemberg, Benzstraße 5, 76185 Karlsruhe, Tel.: 0721/5600-1615, Fax: 0721/5600-1514, Email: [email protected] Bárdossy, András, Prof. Dr. rer. nat. Dr.-Ing., Institut für Wasserbau, Lehrstuhl für Hydrologie und Geohydrologie, Universität Stuttgart, Pfaffenwaldring 61, D-70550 Stuttgart (Vaihingen), Tel.: 0711/685-64679, Fax: 0711/685-64681, Email: [email protected] Bartholmes, Jens, Dr.Ing, European Commission - DG Joint Research Centre (JRC), Institute for Environment and Sustainability (IES), Via E. Fermi, TP 261, 21020 Ispra (Va), Italien, Tel.: 0039-0332-786711, Fax: 00390332-789803, Email: [email protected] Baumgartner, Michael, Dr., MFB-GeoConsulting GmbH (Schweiz) Becht, Michael, Prof. Dr., Katholische Universität Eichstätt-Ingolstadt, Ostenstraße 18, 85072 Eichstätt, Email: [email protected] Becker, Michael, Dipl.-Ing., Bayerisches Landesamt für Umwelt, Lazarettstraße 67, 80636 München, Email: [email protected] Bernhofer, Christian, Technische Universität Dresden, Institut für Hydrologie und Meteorologie, 01062 Dresden, Tel.: 03 51/463 3-1340, Fax: 03 51/463 3-1302, Email: [email protected]

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Binder, Franz, Dr., Landesanstalt für Wald und Forstwirtschaft, Am Hochanger 11, 85354 Freising, Tel.: 08161-714566, Fax: 08161-714971, Email: [email protected] Blascyk-Höfling, Herbert, Dipl.-Ing., Wasserwirtschaftsamt Rosenheim, Königstr.19, 83022 Rosenheim, Tel.: (08031)305115, Fax: (08031)305179, Email: [email protected] Bliefernicht, Jan, Dipl. -Ing., Institut für Wasserbau der Universität Stuttgart, Lehrstuhl für Hydrologie und Geohydrologie, Pfaffenwaldring 61, D-70550 Stuttgart, Tel.: 0711 685-4703 , Fax: 0711 685-4681, Email: [email protected] Blöschl, Günter, A.o.Univ.Prof. Dipl.-Ing. Dr.techn., Institut für Wasserbau und Ingenieurhydrologie, Technische Universität Wien, Karlsplatz 13/222, A-1040 Wien, AUSTRIA, Tel.: +43 1 58801 22315, Fax: +43 1 58801 22399, Email: [email protected] Böhme, Michael, Umweltforschungszentrum Leipzig-Halle GmbH, Brückstraße 3a, 39114 Magdeburg, Email: michael.bö[email protected] Bormann, Helge, Juniorprof. Dr., Carl von Ossietzky Universität Oldenburg, Institut für Biologie und Umweltwissenschaften, Uhlhornsweg 84, 26111 Oldenburg, Tel.: 0441-7984459, Fax.: 0441-798-3769, Email: [email protected] Braun, Ludwig N., Dr., Kommission für Glaziologie, Bayerische Akademie der Wissenschaften, Alfons-Goppel-Str. 11, D-80539 München, Tel.: 089 230 31 1196, Fax: 089 230 31 1100, Email: [email protected] Bremicker, Manfred, Dr., Landesanstalt für Umwelt, Messungen und Naturschutz BadenWürttemberg, Benzstraße 5, 76185 Karlsruhe, Tel.: 0721/5600-1496, Fax: 0721/5600-1514 Email: [email protected] Brommundt, Jürgen, Dipl.-Ing., Universität Stuttgart, Institut für Wasserbau, Pfaffenwaldring 61, 70550 Stuttgart Büchele, Bruno, Dipl.-Ing., Universität Karlsruhe (TH), Institut für Wasser und Gewässerentwicklung, Bereich Wasserwirtschaft und Kulturtechnik, 76128 Karlsruhe, Tel.: 0721-6083165, Fax: 0721-661329, Email: [email protected] Buchholz, Oliver, Dr.-Ing., Hydrotec Ingenieurgesellschaft für Wasser und Umwelt mbH, Bachstr.62-64, 52066 Aachen, Tel.: 0241/9468954, Fax: 0241/506889, Email: [email protected]

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Bürger, Katrin, Dr., Institut für Physische Geographie, Universität Freiburg, Werderring 4, 79085 Freiburg, Tel.: 0761-2039120, Fax: 0761-2033596, Email: [email protected] Busch, Norbert, Dipl.-Met., Bundesanstalt für Gewässerkunde, Am Mainzer Tor 1, 56068 Koblenz, Tel.: 0261/1306-5227, Fax: 0261/1306-5280, Email: [email protected] Büttner, Matthias, Dipl.-Math., Thiele+Büttner Ingenieurgemeinschaft GbR, Domplatz 24, 99084 Erfurt, Tel.: 0361 2114212, Fax: 0361 2114256, Email: [email protected] Büttner, Olaf, Umweltforschungszentrum Leipzig-Halle GmbH, Brückstraße 3a, 39114 Magdeburg, Email: [email protected] Casper, Markus, JProf. Dr. Ing., FB VI – Physische Geographie, Universität Trier, Behringstr., 54286 Trier, Tel.: ++49-(0)651-201-4518, Fax: ++49-(0)651-201-3976, Email: [email protected] Castro, Dietmar, Prof. Dr., Fachhochschule Aachen, Fachbereich Architektur und Städtebau, Bayernallee 9, 52066 Aachen, Tel.: 0241-60090, Fax: 0241-60091205, Email: [email protected] Chumchean, Siriluk, Dr., Department of Civil Engineering, Mahanakorn University of Technology, Bangkok, Thailand, Email: [email protected] Copien, Claudia, Dipl. Geogr., Katholische Universität Eichstätt-Ingolstadt, Lehrstuhl für Physische Geographie, Ostenstraße 18, 85072 Eichstätt, Email: [email protected] Cyffka, Bernd, Prof. Dr., KU Eichstätt-Ingolstadt, Ertomis-Stiftungsprofessur für Angewandte Physische Geographie, Ostenstrasse 18, 85072 Eichstätt, Tel.: 08421-931392, Fax: 08421932302, Email: [email protected] Und: Aueninstitut Neuburg a. d. Donau, Platz der Deutschen Einheit 1, 86633 Neuburg a.d. Donau, Tel.: 08431-57227, Fax: 08431-57450, Email: [email protected] Daamen, Karlheinz, Dipl.-Geogr., Landesamt für Umwelt, Lazarettstr. 67, D-80636 München, Tel.: 089-9214-1576, Fax: 089-9214-184027, Email: [email protected] de Roo, Ad, Dr., European Commission - DG Joint Research Centre (JRC), Institute for Environment and Sustainability (IES), Via E. Fermi, TP 261, 21020 Ispra (Va), Italien, Tel.: 0039-0332-786240, Fax: 00390332-785230, Email: [email protected]

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Deutsch, Mathias, M.A., Geographisches Institut der Universität Göttingen, Goldschmidtstraße 5, 37077 Göttingen, Tel.: 0551/398001, Fax: 0551/398006, Email: [email protected] Dietrich, Jörg, Dipl.-Geoökol., Lehrstuhl für Hydrologie, Wasserwirtschaft und Umwelttechnik, Ruhr-Universität Bochum, Universitätsstr. 150, 44801 Bochum, Tel.: 0234/32-27621, Fax: 0234/32-14153, Email: [email protected] Disse, Markus, Prof. Dr.-Ing., Universität der Bundeswehr München, Institut für Wasserwesen, Lehrstuhl für Wasserwirtschaft und Ressourcenschutz, Werner-HeisenbergWeg 39, 85577 Neubiberg, Tel.: +49-(0)89-6004-3491, Fax: +49-(0)89-6004-4642, Email: [email protected] Döring, Solveig, Landeshauptstadt Dresden, Umweltamt, D-01069 Dresden, Grunaer Straße 2, Tel.: 0351-4886205, Fax: 0351-4886209, Email: [email protected] Dostal, Paul, Dr., Meteorologisches Institut, Universität Freiburg, Werderring 10, 79085 Freiburg, Tel.: 0761-2033589, Fax: 0761-2033586, Email: [email protected] Dunger, Volkmar, Dr., Lehrstuhl für Hydrogeologie, TU Bergakademie Freiberg, GustavZeuner-Str. 12, 09599 Freiberg Ebner von Eschenbach, Anna-Dorothea, Dr.-Ing., Institut für Wasserwirtschaft, Hydrologie und landwirtschaftlichen Wasserbau der Universität Hannover, Appelstraße 9 A, 30167 Hannover, Tel.: +49 (0)511 7 62-2557 , Fax: +49 (0)511 7 62-3731, Email: [email protected] Egli, Luca, Eidgenössisches Institut für Schnee- und Lawinenforschung (SLF, Schweiz) Ehret, Uwe, Dr.-Ing., Wasserwirtschaftsamt Kempten, Rottachstrasse 15, 87439 Kempten, Tel.: 0831/5243-112, Fax: 0831/5243-216, Email: [email protected] Ehrler, Katharina, Brandenburgische Universität Cottbus, Lehrstuhl Hydrologie und Wasserwirtschaft, Konrad-Wachsmann-Allee 6, 03046 Cottbus, Tel.: 0355 / 69-2343, Fax: 0355 / 68-4235, Email: [email protected] Einfalt, Thomas, Dr., einfalt&hydrotec GbR, Breite Str. 6-8, 23552 Lübeck, Tel.: 04517027333, Fax: 0451-7027339, Email: [email protected] Engel, Heinz, Dipl.-Ing., ehemals Bundesanstalt für Gewässerkunde, Im Schild 18, 56323 Waldesch, Tel.: 02628/3972

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Ettrich, Norman, Dr., Fraunhofer Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik, Fraunhofer-Platz 1, 67667 Kaiserslautern, Tel.: 0631/ 31600-4626, Fax: 0631/31600-1099, Email: [email protected] Eulitz, Katja, Dipl.-Ing., Dresdner Grundwasserforschungszentrum e.V., Meraner Straße 10, 01217 Dresden, Tel.: 0351-4050668, Fax: 0351-4050679, Email: [email protected] Evdakov, Oleg, M.Sc., Institut für Wasser und Gewässerentwicklung an der Universität Karlsruhe (TH), Kaiserstr.12, 76128 Karlsruhe, Tel.: 0721-608-3165, Fax: 0721-661329, Email: [email protected] Fiener, Peter, Dr., Geographisches Institut der Universität zu Köln, Albertus Magnus Platz, D-50923 Köln, Tel.: +49 (0)221 470 7802, Fax: +49 (0)221 470 5124, Email: [email protected] Finke, Walter, Dr., Bundesanstalt für Gewässerkunde, Am Mainzer Tor 1, 56068 Koblenz, Tel.: 0261/1306 5187, Fax: 0261/1306 5280, Email: [email protected] Fischer, Markus, Dipl.-Ing., Lehrstuhl und Versuchsanstalt für Wasserbau und Wasserwirtschaft Technische Universität München, Arcisstraße 21, 80290 München, Tel.: +49 (0)89 289 23 162, Fax: +49 (0)89 289 23 172, Email: [email protected] Fleischbein, Katrin, Dr., GeoForschungsZentrum Potsdam, Sektion 5.4 – Ingenieurhydrologie, Telegrafenberg, D-14473 Potsdam, Tel.: +49-331-288-1560, Fax: +49331-288-1570, Email: [email protected] Frank, Christian, Katholische Universität Eichstätt-Ingolstadt, Lehrstuhl für Physische Geographie, Ostenstraße 18, 85072 Eichstätt, Email: [email protected] Frank, Torsten, Dipl.-Ing., Forschungsinstitut Wasser und Umwelt, Universität Siegen, PaulBonatz-Straße 9-11, 57068 Siegen, Tel.: 0271-740-2643, Fax: 0271-740-2722, Email: [email protected] Frerichs, Stefan, Fachhochschule Aachen, Fachbereich Architektur und Städtebau, Bayernallee 9, 52066 Aachen, Tel.: 0241-60090, Fax: 0241-60091205, Email: [email protected] Friedeheim, Klaus, Dr., Hydrotec GmbH, Bachstraße 62-64, 52066 Aachen, Tel.: 0241946890, Fax: 0241-506899, Email: [email protected] Froehlich, Felix, Dipl.-Ing., Fachgebiet für Ingenieurhydrologie und Wasserbewirtschaftung, Institut für Wasserbau und Wasserwirtschaft, Technische Universität Darmstadt, Petersenstr. 13, 64287 Darmstadt, Tel.: +49 (0)6151 16-2843, Email: [email protected]

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Gantert, Clemens, BWS GmbH, Gotenstr.14, 20097 Hamburg Garrelts, Heiko, Dipl.Pol., Enrique-Schmidt-Str. 7, 28359 Bremen, Tel.: +49 (0)421 218 4210, Fax: +49 (0)421 218 4449, Email: [email protected] Geisenhofer, Paul, Dipl.-Ing., Wasserwirtschaftsamt Rosenheim, Königstr.19, 83022 Rosenheim, Tel.: (08031)305130, Fax: (08031)305179, Email: [email protected] Gerber, Matthias, Eidgenössisches Institut für Schnee- und Lawinenforschung (SLF, Schweiz) Gläßer, Cornelia, Prof., Martin Luther Universität Halle-Wittenberg, Von-Seckendorff-Platz 4, D-O6120 Halle, Email: [email protected] Godina, Reinhold, Dipl.-Ing., Bundesministerium für Land- und Forstwirtschaft, Umwelt und Wasserwirtschaft, Abteilung VII3 - Wasserhaushalt (Hydrographisches Zentralbüro), Marxergasse 2, A-1030 Wien, Tel.: +43-(0)1-711006944, Fax: +43-(0)1-711006851, Email: [email protected] Grabbert, Jan-Henrik, Universität Potsdam, 14415 Potsdam, Email: [email protected] Grundmann, Jens, Dipl.-Hydrol., TU Dresden, Institut für Hydrologie und Meteorologie, 01062 Dresden, Tel.: 0351 46335556, Email: [email protected] Grünewald, Uwe, Prof.Dr., Brandenburgische Universität Cottbus, Lehrstuhl Hydrologie und Wasserwirtschaft, Konrad-Wachsmann-Allee 6, 03046 Cottbus, Tel.: 0355 / 69-4234, Fax: 0355 / 68-4235, Email: [email protected] Gurtz, Joachim, Doz. Dr., Institut für Atmosphäre und Klima ETH (Schweiz), Email: [email protected] Haas, Florian, Dipl.-Geogr., Katholische Universität Eichstätt-Ingolstadt, Ostenstraße 18, 85072 Eichstätt, Email: [email protected] Haase, Dagmar, Dr., Umweltforschungszentrum Leipzig-Halle GmbH, Fachbereich Umweltsystemmodellierung, Permoserstr. 15, 04105 Leipzig, Tel.: 0341 2353950, Fax: 0341 2353939, Email: [email protected] Haberlandt, Uwe, Prof. Dr.-Ing., Institut für Wasserwirtschaft, Hydrologie und landwirtschaftlichen Wasserbau, Universität Hannover, Appelstr. 9A, 30167 Hannover, Tel.: +49 (0) 511 762-2287, Fax: +49 (0) 511 762-3731, Email: [email protected]

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Hack, Hans-Peter, Univ.-Prof. Dr.-Ing., Bauhaus-Universität Weimar, Institut für Wasserwesen, Marienstraße 13d, 99423 Weimar, Tel.: 03643/584478, Fax: 03643/584484, Email: [email protected] Hammer, Matthias, Dipl.-Ing., Bundesanstalt für Gewässerkunde, Am Mainzer Tor 1, 56068 Koblenz, Tel.: 0261/1306-5384, Fax: 0261/1306-5280, Email: [email protected] Hänsler, Andreas, Dipl. Hyd., Institut für Hydrologie, Universität Freiburg, Fahnenbergplatz, 79098 Freiburg, Tel.: 0761 203-3546, Fax: 0761 203-3594, Email: [email protected] Haselsteiner, Ronald, Dipl.-Ing., Lehrstuhl und Versuchsanstalt für Wasserbau und Wasserwirtschaft Technische Universität München, Arcisstraße 21, 80290 München, Tel.: +49 (0)89 289 23 165, Fax: +49 (0)89 289 23 172, Email: [email protected] Hatzfeld, Fritz, Hydrotec GmbH, Bachstraße 62-64, 52066 Aachen, Tel.: 0241-946890, Fax: 0241-506899, Email: [email protected] Hauschild, Anke, Dipl.-Ing., Lehrstuhl für Hydrologie, Wasserwirtschaft und Umwelttechnik, Ruhr-Universität Bochum, Universitätsstr. 150, 44801 Bochum, Tel.: 0234-3225896, Fax: 0234-3214153, Email: [email protected] Heckmann, Tobias, Dr., Katholische Universität Eichstätt-Ingolstadt, Ostenstraße 18, 85072 Eichstätt, Email: [email protected] Hegg, Christoph, Dr., Eidgenössische Forschungsanstalt WSL (Schweiz) Heininger, Peter, Dr., Bundesanstalt für Gewässerkunde, Am Mainzer Tor 1, 56068 Koblenz, Email: [email protected] Helms, Martin, Dipl.-Hyd., Universität Karlsruhe (TH), Institut für Wasser und Gewässerentwicklung, Bereich Wasserwirtschaft und Kulturtechnik, 76128 Karlsruhe, Tel.: 0721-6083692, Fax: 0721-661329, Email: [email protected] Hendel, Evelyn, Brandenburgische Universität Cottbus, Lehrstuhl Hydrologie und Wasserwirtschaft, Konrad-Wachsmann-Allee 6, 03046 Cottbus, Tel.: 0355 / 69-2343, Fax: 0355 / 68-4235, Email: [email protected] Herbst, Marcus, Dipl. Geogr., FB VI – Physische Geographie, Universität Trier, Behringstr., 54286 Trier, Tel.: ++49-(0)651-201-4555, Fax: ++49-(0)651-201-3976, Email: [email protected]

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Herrmann, Ulrich, GeoForschungsZentrum Potsdam, Sektion 5.4 – Ingenieurhydrologie, Telegrafenberg, D-14473 Potsdam, Tel.: +49(0)331 288-1561, Fax: +49(0)331 288-1570, Email: [email protected] Herrmann, Dipl.-Ing. Ulrich, Sächsisches Textilforschungsinstitut e. V., Annaberger Straße 240,09125 Chemnitz, Tel. 0371-5274 216, Fax 0371-5274 153, [email protected], Hirschhäuser, Thomas, Dr.-Ing., Landesamt für Natur und Umwelt des Landes SchleswigHolstein, Hamburger Chaussee 25, 24220 Flintbek, Tel.: 04347-704 486, Fax: 04347-704102, Email: [email protected] Hofer, Michael, Dipl.-Ing., Ingenieurbüro Günter Humer – Ingenieurbüro für Kulturtechnik und Wasserwirtschaft, Geboltskirchen 70, A-4682 Geboltskirchen, Österreich, Tel.: 00437732-4146, Fax: 0043-7732-4146-22, Email: [email protected] Höfer, Johannes, Dipl.-Ing., Universität Karlsruhe (TH), Institut für Wasser und Gewässerentwicklung, Bereich Wasserwirtschaft und Kulturtechnik, 76128 Karlsruhe, Tel.: 0721-6084222, Fax: 0721-661329, Email: [email protected] Höhne, Uwe, Dipl.-Hyrd., Sächsisches Landesamt für Umwelt und Geologie, Zur Wetterwarte 11, 01109 Dresden Holzhauer, Vera, Dipl.-Forstw., Infoterra GmbH, Claude-Dornier-Strasse, D-88090 Immenstaad, Tel.: 07545 8 3694, Fax: 07545 8 1337, Email: [email protected] Holzhey, Roy, Dipl.-Ing., Bauhaus-Universität Weimar, Institut für Wasserwesen, Marienstraße 13d, 99423 Weimar, Tel.: 03643/584482, Fax: 03643/584484, Email: [email protected] Huber, Patrick, Dr.-Ing., Erftverband, Paffendorfer Weg 42, 50126 Bergheim, Tel.: 02271/881224, Fax: 02271/881210, Email: [email protected] Hugenschmid, Cindy, Dipl. Hyd., Institut für Hydrologie, Universität Freiburg, Fahnenbergplatz, 79098 Freiburg, Tel.: 0761 203-3546, Fax: 0761 203-3594, [email protected] Humer, Günter, Dipl.-Ing., Ingenieurbüro Günter Humer – Ingenieurbüro für Kulturtechnik und Wasserwirtschaft, Geboltskirchen 70, A-4682 Geboltskirchen, Österreich, Tel.: 00437732-4146, Fax: 0043-7732-4146-22, Email: [email protected]

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Hunger, Frank, Dipl.-Ing., Landestalsperrenverwaltung des Freistaates Sachsen, Betrieb Freiberger Mulde/Zschopau, Rauenstein 6a, 09514 Lengefeld, Tel.: 037367/310-28, Fax: 037367/310-30, Email: [email protected] Ihringer, Jürgen, Dr.-Ing., Universität Karlsruhe (TH), Institut für Wasser und Gewässerentwicklung, Bereich Wasserwirtschaft- und Kulturtechnik, 76128 Karlsruhe, Tel.: 0721-6083907, Fax: 0721-661329, Email: [email protected] Imbery, Florian, Dr., Meteorologisches Institut, Universität Freiburg, Werderring 10, 79085 Freiburg, Tel.: 0761-2033589, Fax: 0761-2033586, Email: [email protected] Jaun, Simon, IAC-ETHZ, Universitätsstrasse 16, CH-8092 Zürich, Tel.: +41 (0)44 632 33 72, Fax: +41 (0)44 6321311, Email: [email protected] Jensen, Jürgen, Univ.-Prof. Dr.-Ing, Forschungsinstitut Wasser und Umwelt (fwu) der Universität Siegen, Paul-Bonatz-Strasse 9-11, 57076 Siegen, Tel.: (0271) 740 2172, Fax: (0271) 740 2722, Email: [email protected] Jüpner, Robert, Prof. Dr., Institut für Wasserwirtschaft und Ökotechnologie (IWO), Fachbereich für Wasser- und Kreislaufwirtschaft, Hochschule Magdeburg-Stendal (FH), Breitscheidstraße 51, 39114 Magdeburg, Tel.: ++49.391-886-4429, Fax: ++49.391-8864415, Email: [email protected] Kamrath, Paul, Dipl.-Ing., Lehrstuhl und Institut für Wasserbau und Wasserwirtschaft, RWTH Aachen, Versuchshalle · Kreuzherrenstraße, 52056 Aachen, Tel.: 0241-8097778, Fax: 02418092275, Email: [email protected] Keller, Martin, Dr., Bundesanstalt für Gewässerkunde, Am Mainzer Tor 1, 56068 Koblenz, Email: [email protected] Keller, Tilo, Dr., Erftverband, Paffendorfer Weg 42, 50126 Bergheim, Tel.: 02271/881297, Fax: 02271881210, Email: [email protected] Kern, Ulrich, Dr.-Ing., Erftverband, Paffendorfer Weg 42, 50126 Bergheim, Tel.: 02271/881245, Fax: 02271/881210, Email: [email protected] Klein, Bastian, Dipl.-Ing., Ruhr-Universität Bochum, Lehrstuhl für Hydrologie, Wasserwirtschaft und Umwelttechnik, Universitätsstraße 150, 44801 Bochum, Tel.: 0234/3226259, Fax: 0234/32-14153, Email: [email protected]

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Kleinhans, Alexander, Dr., Bayerisches Landesamt für Umwelt, Lazarettstraße 67, 80636 München, Tel.: 089/9214-1300, Fax: 089-9214-1689, Email: [email protected] Knab, Gerd, IHU Gesellschaft für Ingenieur-, Hydro- und Umweltgeologie mbH, D-99734 Nordhausen, Am Sportplatz 1, Tel.: 03631-89060, Fax: 03631-890629, Email: [email protected] Komma, Jürgen, Institut für Wasserbau und Ingenieurhydrologie, Technische Universität Wien, Karlsplatz 13/222, A-1040 Wien, Email: [email protected], http://www.hydro.tuwien.ac.at/ Köngeter, Jürgen, Prof. Dr.-Ing., Lehrstuhl und Institut für Wasserbau und Wasserwirtschaft, RWTH Aachen, Mies-van-der-Rohe-Straße 1, 52056 Aachen, Tel.: 0241-8025263, Fax: 0241-8022348, Email: [email protected] Kottmeier, Christoph, Prof. Dr., Institut für Meteorologie und Klimaforschung, Forschungsbereich Troposphäre, Forschungszentrum Karlsruhe, Postfach 3640, 76021 Karlsruhe Krahe, Peter, Dipl.-Met., Bundesanstalt für Gewässerkunde, Postfach 20 02 53, D-56002 Koblenz, Tel.: 0261-1306-5234, Fax: 0261-1306-5280, Email: [email protected] Krause, Sigrid, Dipl.-Hydr., Bundesanstalt für Gewässerkunde, Am Mainzer Tor 1, 56068 Koblenz, Tel.: 0261/1306 5217, Fax: 0261/1306 5280, Email: [email protected] Kreibich, Heidi, GeoForschungsZentrum Potsdam, 14473 Potsdam, Email: [email protected] Kron, Wolfgang, Dr.-Ing., Fachbereich GeoRisikoForschung Münchener RückversicherungsGesellschaft Königinstraße 107 80791 München Tel.: (089) 3891 5260 Fax: (089) 3891 5696 Email: [email protected] Kubik, Arthur, Hydrotec GmbH, Bachstraße 62-64, 52066 Aachen, Tel.: 0241-946890, Fax: 0241-506899, Email: [email protected] Kühnapfel, Bettina, IHU Gesellschaft für Ingenieur-, Hydro- und Umweltgeologie mbH, Büro Dresden, D-01069 Dresden, Reichenbachstraße 55, Tel.: 0351-448850, Fax: 0351-4488515, Email: [email protected] Kunstmann, Harald, Dr., Institut für Meteorologie und Klimaforschung (IMK-IFU), Forschungszentrum Karlsruhe, Kreuzeckbahnstraße 19, 82467 Garmisch-Partenkirchen, Tel.: 08821 183 208, Fax: 08821 183 243, Email: [email protected]

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Kunz, Michael, Dr., Institut für Meteorologie und Klimaforschung,Arbeitsgruppe "Wettergefahren" Uni Karlsruhe / Forschungszentrum Karlsruhe, Kaiserstr. 12, D-76128 Karlsruhe, Tel.: 0721-608-8711, Fax: 0721-608-6102, Email: [email protected] Lange, Hellmuth, Prof. Dr., Enrique-Schmidt-Str. 7, 28359 Bremen, Tel.: +49 (0)421 218 2415, Fax: +49 (0)421 218 4449, Email: [email protected] Lange, Jens, Dr. rer. nat., Dipl. Hyd., Institut für Hydrologie, Universität Freiburg, Fahnenbergplatz, 79098 Freiburg, Tel.: 0761 203-3546, Fax: 0761 203-3594, Email: [email protected] Larsen, Ole, Dr., DHI – Privates Institut für Wasser & Umwelt e.V., Krusenberg 31, 28857 Syke, Tel.: 04242/16380, Fax: 04242/163818, Email: [email protected] Lechthaler, Eva, Dipl.-Ing., Lehrstuhl für Hydrologie, Wasserwirtschaft und Umwelttechnik, Ruhr-Universität Bochum, Universitätsstr. 150, 44801 Bochum, Tel.: 0234/32-27621, Fax: 0234/32-14153, Email: [email protected] Lehmann, Titus, Umwelt und Maschinentechnik GmbH, Bahnhofstraße 34, 08543 Pöhl/ OT Jocketa, Tel.: 037439-74470, Fax: 037439-74475, Email: [email protected] Liedl, Rudolf, Prof. Dr., TU Dresden, Institut für Grundwasserwirtschaft, 01062 Dresden, Tel.: 0351 257970, Email: [email protected] Lindenschmidt, Karl-Erich, Dr.-Ing., GeoForschungsZentrum Potsdam, Sektion 5.4 – Ingenieurhydrologie, Telegrafenberg, D-14473 Potsdam, Tel.: +49-331-288-1530, Fax: +49331-288-1570, Email: [email protected] Macher, Christian, Landesanstalt für Wald und Forstwirtschaft, Am Hochanger 11, 85354 Freising, Tel.: 08161-714584, Fax: 08161-714971, Email: [email protected] Mark, Ole, Dr., DHI – Water and Environment, Agern Allé 5, DK-2970 Hørsholm, Denmark, Email: [email protected] Marx, Andreas, Institut für Meteorologie und Klimaforschung (IMK-IFU), Forschungszentrum Karlsruhe, Kreuzeckbahnstraße 19, 82467 Garmisch-Partenkirchen, Tel.: 08821 183 214, Fax: 08821 183 243, Email: [email protected] Matschullat, Jörg, Prof. Dr., Interdisziplinäres Ökologisches Zentrum (Direktor), TU Bergakademie Freiberg, Brennhausgasse 14, 09599 Freiberg

268

Matz, Silvia, Dipl.-Geoökol., DHI – Privates Institut für Wasser & Umwelt e.V., Krusenberg 31, 28857 Syke, Tel.: 04242/16380, Fax: 04242/163818, Email: [email protected] Meetschen, Dirk, Dipl.-Met., Meteorologisches Institut, Auf dem Hügel 20, 53121 Bonn, Tel.: 0228/735186, Fax: 0228/735188, Email: [email protected] Meinel, Gotthard, Dr.-Ing., Leibniz-Institut für ökologische Raumentwicklung, e.V., Weberplatz 1, D-01217 Dresden, Tel.: 0351-4679-254 , Fax: 0351-4679-212, Email: [email protected] Meißner, Dennis, Dipl.-Ing., Bundesanstalt für Gewässerkunde, Am Mainzer Tor 1, 56068 Koblenz, Tel.: 0261/1306-5183, Fax: 0261/1306-5280, Email: [email protected] Meon, Günter, Prof. Dr.-Ing., Leichtweiß-Institut für Wasserbau, Abteilung Hydrologie, Wasserwirtschaft und Gewässerschutz, TU Braunschweig, Beethovenstr. 51a, 38106 Braunschweig, Email: [email protected] Merz, Bruno, GeoForschungsZentrum Potsdam, 14473 Potsdam Merz, Ralf, Dipl.-Ing. Dr.techn., Institut für Wasserbau und Ingenieurhydrologie, Technische Universität Wien, Karlsplatz 13/222, A-1040 Wien, AUSTRIA, Tel.: +43 1 58801 22312, Fax: +43 1 58801 22399, Email: [email protected] Meyer, Inke, Dipl.- Hydr., Bayerisches Landesamt für Umwelt, Lazarettstraße 67, 80636 München, Email: [email protected] Meyer, Stefan, Dipl.-Ing., Leichtweiß-Institut für Wasserbau, Abteilung Hydrologie, Wasserwirtschaft und Gewässerschutz, TU Braunschweig, Beethovenstr. 51a, 38106 Braunschweig, Email: [email protected] Mikovec, Robert, Dipl.-Ing., Universität Karlsruhe (TH), Institut für Wasser und Gewässerentwicklung, Bereich Wasserwirtschaft und Kulturtechnik, 76128 Karlsruhe, Tel.: 0721-6083692, Fax: 0721-661329, Email: [email protected] Moder, Michael, Dipl.-Ing., HGN Hydrogeologie GmbH, Bertolt-Brecht-Allee 9, 01309 Dresden, Tel.: 0351/3188026, Fax: 0351/3188028, Email: [email protected] Mojssetschuk, Viola, Landestalsperrenverwaltung des Freistaates Sachsen/Betrieb Oberes Elbtal, Bahnhofstraße 14, 01796 Pirna, Tel.: 03501 / 796 323, Fax: 03501 / 796 102 , Email: [email protected] Morche, David, Dipl.-Geogr., Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg, Von-SeckendorffPlatz 4, 06120 Halle (Saale), Email: [email protected]

269

Mudersbach, Christoph, Dipl.-Ing., Forschungsinstitut Wasser und Umwelt (fwu) der Universität Siegen, Paul-Bonatz-Strasse 9-11, 57076 Siegen, Tel.: (0271) 740 2627, Fax: (0271) 740 2722, Email: [email protected] Müller, Gabriele, Dr. Dipl.-Hydrol., Gabriele, Bundesministerium für Land- und Forstwirtschaft, Umwelt und Wasserwirtschaft, Abteilung VII3 - Wasserhaushalt (Hydrographisches Zentralbüro), Marxergasse 2, A-1030 Wien, Tel.: +43-(0)1-711006930, Fax: +43-(0)1-711006851, Email: [email protected] Müller, Uwe, Dr.-Ing., Landestalsperrenverwaltung des Freistaates Sachsen, Referat Wasserbau, PF 100234, 01782 Pirna, Tel.: 03501 / 796 471, Fax: 03501 / 796 105, Email: [email protected], WWW: www.talsperren-sachsen.de Nemmert, Johannes, Dipl.-Ing., Institut für Wasserbau Universität Innsbruck, Technikerstraße 13a, 6020 Innsbruck, Tel.: 0043 512 507 6942, Fax: 0043 512 507 2912, Email: [email protected] Nestmann, Franz, Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. mult., Universität Karlsruhe (TH), Institut für Wasser und Gewässerentwicklung, Bereich Wasserwirtschaft und Kulturtechnik, 76128 Karlsruhe, Tel.: 0721-6082194, Fax: 0721-606046, Email: [email protected] Neumann, Jörg, Dr., Bayerisches Landesamt für Umwelt, Lazarettstraße 67, 80636 München, Tel.: 089/9214-1231, Fax: 089-9214-1689, Email: [email protected] Ostrowski, Manfred, Prof. Dr.-Ing., Fachgebiet für Ingenieurhydrologie und Wasserbewirtschaftung, Institut für Wasserbau und Wasserwirtschaft, Technische Universität Darmstadt, Petersenstr. 13, 64287 Darmstadt, Tel.: +49 (0)6151 16-2143, Email: [email protected] Overhoff, Gregor, Dipl. Ing., Baudirektor, Bayerisches Landesamt für Umwelt, EdmundRumpler-Straße 7, 80939 München, Tel.: 089 / 9214-1009 Pakosch, Sabine, Dipl.-Ing. M.Sc., Universität der Bundeswehr, Institut für Wasserwesen, Lehrstuhl für Wasserwirtschaft und Ressourcenschutz, Werner-Heisenberg-Weg 39, 85577 Neubiberg, Tel.: +49 (0)89 - 6004 4132, Fax: +49 (0)89 - 6004 4642, Email: [email protected] Parajka, Juraj, Institut für Wasserbau und Ingenieurhydrologie, Technische Universität Wien, [email protected], Karlsplatz 13/222, A-1040 Wien, Email: http://www.hydro.tuwien.ac.at/

270

Pätsch, Matthias, Dipl.-Ing., DHI – Privates Institut für Wasser & Umwelt e.V., Krusenberg 31, 28857 Syke, Tel.: 04242/16380, Fax: 04242/163818, Email: [email protected] Patzke, Simone, Dipl.-Ing., Lehrstuhl für Hydrologie, Wasserwirtschaft und Umwelttechnik, Ruhr-Universität Bochum, Universitätsstr. 150, 44801 Bochum, Tel.: 0234-3225896, Fax: 0234-3214153, Email: [email protected] Paul, Rolf-Detlev, Bau.-Ass. Dipl.-Ing., Staatliches Umweltamt Köln, Friedrich-Ebert-Allee 144, 53113 Bonn, Tel.: 0228/5386813, Fax: 0228/230337, Email: [email protected] Pawloswky-Reusing, Erika, Berliner Wasserbetriebe Pech, Ina, GeoForschungsZentrum Potsdam, Sektion 5.4 – Ingenieurhydrologie, Telegrafenberg, D-14473 Potsdam, Tel.: +49(0)331 288-1562, Fax: +49(0)331 288-1570, Email: [email protected] Petrascheck , Armin, Dr., Goldwandstrasse 6, CH-5408 Ennetbaden, Tel.: +41 56 222 26 03, Fax: +41 56 222 26 70 , Email: [email protected] Petrow, Theresia, Dipl. Geoökol., GeoForschungsZentrum Potsdam, Sektion 5.4 – Ingenieurhydrologie, Telegrafenberg, D-14473 Potsdam, Tel.: +49-331-288-1512, Fax: +49331-288-1570, Email: [email protected] Plate, Erich, Prof. em., Universität Karlsruhe, Am Kirchberg 49, 76229 Karlsruhe Pohl, Jürgen, Prof. Dr., Geographisches Institut der Universität Bonn, Meckenheimer Allee 166, 53115 Bonn, Tel.: 0228 / 73-7382, Fax: 0228 / 73-5393, Email: [email protected] Pöhler, Hannaleena, Interdisziplinäres Ökologisches Zentrum, TU Bergakademie Freiberg, Brennhausgasse 14, 09599 Freiberg Pörtge, Karl-Heinz, Prof. Dr., Geographisches Institut der Universität Göttingen, Goldschmidtstraße 5, 37077 Göttingen, Tel.: 0551/398034, Fax: 0551/398006, Email: [email protected] Prien, Klaus-Joachim, Prof. Dipl.-Ing., Wasserverband Aabach-Talsperre, Bleiwäscher Straße 6, 33181 Bad Wünnenberg, Tel.: 0 29 53 - 98 77 - 0, Fax: 0 29 53 - 98 77 - 10, Email: [email protected] Raabe, Armin, Dr., Institut für Meteorologie der Universität Leipzig, Stephanstr. 3, 04103 Leipzig, Tel.: +49-341-9732850, Fax: +49-341-9732899, Email: [email protected]

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Rademacher, Silke, Dipl.-Ing., Bundesanstalt für Gewässerkunde, Postfach 20 02 53, D56002 Koblenz, Tel.: 0261-1306-5858, Fax: 0261-1306-5280, Email: [email protected] Ramos, Maria-Helena, BSc, MSc & PhD, European Commission - DG Joint Research Centre (JRC), Institute for Environment and Sustainability (IES), Via E. Fermi, TP 261, 21020 Ispra (Va), Italien, Tel.: 0039-0332-785589, Fax: 00390332-789803, Email: [email protected] Reimer, Eberhard, Dr., Institut für Meteorologie, Freie Universität Berlin, Carl-HeinrichBecker-Weg 6-10, 12165 Berlin, Tel.: 030-838 71 190, Fax: 030-859 39 095, Email: [email protected] Reszler, Christian, Institut für Wasserbau und Ingenieurhydrologie, Technische Universität Wien, Karlsplatz 13/222, A-1040 Wien, Email: [email protected], http://www.hydro.tuwien.ac.at/ Rhyner, Jakob, Dr., Eidgenössisches Institut für Schnee- und Lawinenforschung (SLF, Schweiz) Richmann, Agnes, Dipl.-Geogr., Institut für Wasserwirtschaft und Ökotechnologie (IWO), Fachbereich für Wasser- und Kreislaufwirtschaft, Hochschule Magdeburg-Stendal (FH), Breitscheidstraße 51, 39114 Magdeburg, Tel.: ++49.391-886-4502, Fax: ++49.391-8864415, Email: [email protected] Rieger, Wolfgang, cand.-Ing., Institut für Wasserwesen, Professur für Wasserwirtschaft und Ressourcenschutz, Universität der Bundeswehr München, Werner-Heisenberg-Weg 105, 85579 Neubiberg, Tel.: 0176/20646370, Email: [email protected] Rode, Michael, Dr., Umweltforschungszentrum Leipzig-Halle GmbH, Brückstraße 3a, 39114 Magdeburg, Email: [email protected] Rogge, Birgit, Behörde für Stadtentwicklung und Umwelt Hamburg, Amt für Bau und Betrieb, Stadthausbrücke 8, 20355 Hamburg Rost, Karl Tilman, Prof. Dr., Geographisches Institut der Universität Göttingen, Abteilung Physische Geographie, Goldschmidtstraße 5, 37077 Göttingen, Tel.: 0551/398029, Fax: 0551/398006, Email: [email protected] Rutschmann, Peter, Univ. Prof. DI Dr., Institut für Wasserbau Universität Innsbruck, Technikerstraße 13a, 6020 Innsbruck, Tel.: 0043 512 507 6943, Fax: 0043 512 507 2912, Email: [email protected]

272

Sacher, Hartmut, Dr.-Ing., Hydrotec Ingenieurgesellschaft für Wasser und Umwelt mbH, Bachstr.62-64, 52066 Aachen, Tel.: 0241/9468931, Fax: 0241/506889, Email: [email protected] Schädler, Bruno, Dr., Bundesamt für Umwelt (BAFU, Schweiz) Schädler, Gerd, Dr., Institut für Meteorologie und Klimaforschung, Forschungsbereich Troposphäre, Forschungszentrum Karlsruhe, Postfach 3640, 76021 Karlsruhe Schankat, Mirko, Dipl.-Ing., Universität Stuttgart, Institut für Wasserbau, Pfaffenwaldring 61, 70550 Stuttgart Schanze, Jochen, Leibniz-Institut für ökologische Raumentwicklung e.V. (IÖR), Weberplatz 1, 01217 Dresden, Tel.: 03 51/46 79-228, Fax: 03 51/46 79-212, Email: [email protected] Schindler, Manfred, Dr.-Ing., Lehrstuhl und Versuchsanstalt für Wasserbau und Wasserwirtschaft Technische Universität München, Arcisstraße 21, 80290 München, Tel.: +49 (0)89 289 23 173, Fax: +49 (0)89 289 23 172, Email: [email protected] Schlüter, Ingo, Dipl.-Met., Institut für Meteorologie und Klimaforschung, Forschungsbereich Troposphäre, Forschungszentrum Karlsruhe, Postfach 3640, 76021 Karlsruhe, Tel.: 0724782-4793, Fax: 07247-82-4742, Email: [email protected] Schmid, Martin, Dipl.-Ing., Bayerisches Landesamt für Umwelt, Lazarettstr. 67, 80636 München, Tel.: 089/9214-1005, Fax: 089/9214-1052, Email: [email protected] Schmitz, Gerd. H., Prof. Dr.-Ing. habil., TU Dresden, Institut für Hydrologie und Meteorologie, 01062 Dresden, Tel.: 0351 46333931, Email: [email protected] Schulz, Karsten, Dr., Umweltforschungszentrum Leipzig-Halle GmbH, Fachbereich Umweltsystemmodellierung, Permoserstr. 15, 04105 Leipzig, Tel.: 0341 2353960, Fax: 0341 2353939, Email: [email protected] Schulz, Werner, Dipl. Geogr., Landesanstalt für Umwelt, Messungen und Naturschutz, Griesbachstr. 1, 76185 Karlsruhe, Email: [email protected] Schumann, Andreas, Prof. Dr. rer. nat., Ruhr-Universität Bochum, Lehrstuhl für Hydrologie, Wasserwirtschaft und Umwelttechnik, Universitätsstraße 150, 44801 Bochum, Tel.: 0234/3224693, Fax: 0234/32-14153, Email: [email protected] Schwandt, Daniel, Dr., Bundesanstalt für Gewässerkunde, Am Mainzer Tor 1, 56068 Koblenz, Email: [email protected]

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Schwarz, Olaf, Dipl.-Ing., ARCADIS Consult GmbH, Glück-Auf-Straße 1, 09599 Freiberg, Tel.: 03731/7886-53, Fax: 03731/7886-99, Funk 0151/17143753, Email: [email protected] Seegert, Jörg, Technische Universität Dresden, Institut für Hydrologie und Meteorologie, 01062 Dresden, Tel.: 03 51/463 3-1345, Fax: 03 51/463 3-1302, Email: [email protected], www.floodmaster.de Seidel, Jochen, Dr., Institut für Physische Geographie, Universität Freiburg, Werderring 4, 79085 Freiburg, Tel.: 0761-2039117, Fax: 0761-2033596, Email: [email protected] Seltmann, Jörg, Dr., Meteorologisches Observatorium Hohenpeissenberg, Deutscher Wetterdienst, 82383 Hohenpeissenberg, Tel.: 08805 954 202, Fax: 08805 954 230, Email: [email protected] Sieber, Angela, Dipl.-Hydr., Landesanstalt für Umwelt, Messungen und Naturschutz BadenWürttemberg, Benzstraße 5, 76185 Karlsruhe, Tel.: 0721/5600-1385, Fax: 0721/5600-1514, Email: [email protected] Siedschlag, Stefan, OTT Messtechnik GmbH & Co. KG, Vertriebs- und Servicebüro Nord, Blankenburger Str. 135, 13127 Berlin Siemens, Katja, Technische Universität Dresden, Institut für Hydrologie und Meteorologie, 01062 Dresden, Tel.: 03 51/463 3-1345, Fax: 03 51/463 3-1302, Email: [email protected] Simmer, Clemens, Prof. Dr., Meteorologisches Institut, Auf dem Hügel 20, 53121 Bonn, Tel.: 0228/735181, Fax: 0228/735188, Email: [email protected] Sodoudi, Sahar, Dr., Institut für Meteorologie, Freie Universität Berlin, Carl-Heinrich-BeckerWeg 6-10, 12165 Berlin, Tel.: 030-838 71 137, Fax: 030-859 39 095, Email: [email protected] Sommer, Thomas, Dr., Dresdner Grundwasserforschungszentrum e.V., Meraner Straße 10, 01217 Dresden, Tel.: 0351-4050665, Fax: 0351-4050679, Email: [email protected] Song Zhi Hong, Changjiang Water Resources Commission (CWRC,PR China) Sonnabend, Burkhard, Martin Luther Universität Halle-Wittenberg, Von-Seckendorff-Platz 4, D-O6120 Halle, Email: [email protected]

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Spanknebel, Georg, Dipl.-Ing., Thüringer Ministerium für Landwirtschaft, Naturschutz und Umwelt, Beethovenstraße 3, 99096 Erfurt, Tel.: 0361/3799560, Fax: 0361/3799950, Email: [email protected] Stöckli, Urs, Eidgenössisches Institut für Schnee- und Lawinenforschung (SLF, Schweiz) Strobl, Theodor, Univ.-Prof. Dr.-Ing., Lehrstuhl und Versuchsanstalt für Wasserbau und Wasserwirtschaft Technische Universität München, Arcisstraße 21, 80290 München, Tel.: +49 (0)89 289 23 161, Fax: +49 (0)89 289 23 172, Email: [email protected] Suhr, Ursula, Umweltforschungszentrum Leipzig-Halle GmbH, Brückstr. 3a, 39114 Magdeburg, Tel.: +49-391-8109-675, Fax: +49-391-8109-699, Email: [email protected] Suppataratarn, Pornsak, TEAM Consulting Engineering and Management Co., Ltd., Bangkok, 10230 Thailand Tetzlaff, Gerd, Prof. Dr., Institut für Meteorologie der Universität Leipzig, Stephanstr. 3, 04103 Leipzig, Tel.: +49-341-9732850, Fax: +49-341-9732899, Email: [email protected] Thieken, Annegret, GeoForschungsZentrum Potsdam, 14473 Potsdam Thielen, Jutta, MSc & PhD, European Commission - DG Joint Research Centre (JRC), Institute for Environment and Sustainability (IES), Via E. Fermi, TP 261, 21020 Ispra (Va), Italien, Tel.: 0039-0332-785455, Fax: 00390332-786653, Email: [email protected] Thürmer, Konrad, Dr.-Ing., Institut für Wasserwirtschaft, Siedlungswasserbau und Ökologie, Freiherr-vom-Stein-Allee 5, 99423 Weimar, Tel.: 03643/543140, Fax: 03643/543150, Email: [email protected] Tinz, Marek, Dipl.-Geogr., Infoterra GmbH, Claude-Dornier-Strasse, D-88090 Immenstaad, Tel.: 07545 8 3694, Fax: 07545 8 1337, Email: [email protected] Trepte, Sebastian, Dr. rer. nat., Deutscher Wetterdienst, Kaiserleistraße 29/35, 63067 Offenbach, Tel.: 069/80622675, Email: [email protected] Vogt, Reinhard, Stadtentwässerungsbetriebe Köln AöR, Hochwasserschutzzentrale Köln, Ostmerheimer Straße 555, 51109 Köln Vorogushyn, Sergiy, M.Sc., GeoForschungsZentrum Potsdam, Sektion 5.4 – Ingenieurhydrologie, Telegrafenberg, D-14473 Potsdam, Tel.: +49-331-288-1519, Fax: +49331-288-1570, Email: [email protected]

275

Voss, Frank , Dr. rer. nat., Lehrstuhl für Hydrologie, Wasserwirtschaft und Umwelttechnik, Ruhr-Universität Bochum, Universitätsstr. 150, 44801 Bochum, Tel.: 0234/32-27811, Fax: 0234/32-14153, Email: [email protected] Wachter, Karl, Dipl. Ing. Dr., European Commission DG Joint Research Centre, Institute for Environment and Sustainability, Via Fermi 1, TP 261, 21020 Ispra (VA), Italien, Tel.: 00390332-789320 , Fax: 00390332-789803 , Email: [email protected] (abgeordneter nationaler Experte der Abteilung Wasserwirtschaft, Amt der Niederösterreichischen Landesregierung, 3109 St.Pölten, Österreich) Wagner, Andreas, DWD Niederlassung Hohenpeißenberg; Meteorologisches Observatorium, 82383 Hohenpeißenberg, Tel.: 08805-954202, Fax: 08805-954230, Email: [email protected] Wagner, Klaus, Dr., TU München, Lehrstuhl für Forstpolitik und Forstgeschichte, Am Hochanger 13, 85356 Freising, Tel.: 08161/71-4751, Fax: 08161/71-4623, Email: [email protected] Walther, Petra, Dipl.-Hydro., Sächsisches Landesamt für Umwelt und Geologie, Zur Wetterwarte 11, 01109 Dresden Weber, Hans, Bayerisches Landesamt für Umwelt, Lazarettstraße 67, 80636 München, Tel.: 089/9214-1170, Fax: 089-9214-1689, Email: [email protected] Weber, Markus, Dr., Kommission für Glaziologie, Bayerische Akademie der Wissenschaften, Alfons-Goppel-Str. 11, D-80539 München, Tel.: 089 230 31 1201, Fax: 089 230 31 1100, Email: [email protected] Weichel, Thilo, Dipl.-Geogr., Umweltforschungszentrum Leipzig-Halle GmbH, Fachbereich Umweltsystemmodellierung, Permoserstr. 15, 04105 Leipzig, Tel.: 0341 2353943, Fax: 0341 2353939, Email: [email protected] Werhahn, Johannes, Institut für Meteorologie und Klimaforschung (IMK-IFU), Forschungszentrum Karlsruhe, Kreuzeckbahnstraße 19, 82467 Garmisch-Partenkirchen, Tel.: 08821 183 244, Fax: 08821 183 243, Email: [email protected] Werner, Horst, Dipl.-Ing., Erftverband, Paffendorfer Weg 42, 50126 Bergheim, Tel.: 02271/881237, Fax: 02271/881210, Email: [email protected] Wichmann, Volker, Dr., Katholische Universität Eichstätt-Ingolstadt, Ostenstraße 18, 85072 Eichstätt, Email: [email protected]

276

Wieczorrek, Yvonne, Stadtenwässerungsbetriebe Köln AöR, Hochwasserschutzzentrale, Willy-Brandt-Platz 2, 50679 Köln, Tel.: 0221 / 221-24242, Email: [email protected] Wilke, Klaus, Dr., Bundesanstalt für Gewässerkunde, Am Mainzer Tor 1, 56068 Koblenz, Email: [email protected] Willems, Winfried, Dr., IAWG – Institut für Angewandte Wasserwirtschaft und Geoinformatik, Alte Landstrasse 12-14, 85521 Ottobrunn, Tel.: ++49 (0) 89 66592571, Fax: ++49 (0) 89 66592570, Email: [email protected] Yörük, Alpaslan, Dipl.-Ing., Universität der Bundeswehr, Institut für Wasserwesen, Lehrstuhl für Wasserwirtschaft und Ressourcenschutz, Werner-Heisenberg-Weg 39, 85577 Neubiberg, Tel.: +49 (0)89 - 6004 3860, Fax: +49 (0)89 - 6004 4642, Email: [email protected] Zappa, Massimiliano, Dr., Eidgenössische Forschungsanstalt WSL (Schweiz), Email: [email protected] Zehetmair, Swen, Geographisches Institut der Universität Bonn, Meckenheimer Allee 166, 53115 Bonn, Tel.: 0228 / 73-1653, Fax: 0228 / 73-5393, Email: [email protected] Zimmer, Janek, Institut für Meteorologie der Universität Leipzig, Stephanstr. 3, 04103 Leipzig, Tel.: +49-341-9732873, Fax: +49-341-9732899, Email: [email protected] Zimmermann, Astrid, Dipl.-Hydrol,. IAWG – Institut für Angewandte Wasserwirtschaft und Geoinformatik, Alte Landstrasse 12-14, 85521 Ottobrunn, Tel.: ++49 (0) 89 66592572, Fax: ++49 (0) 89 66592570, Email: [email protected] Zschammer, Christian, Dipl.-Ing., Landestalsperrenverwaltung des Freistaates Sachsen, Betrieb Freiberger Mulde/Zschopau, Rauenstein 6a, 09514 Lengefeld, Tel.: 037367/310-10, Fax: 037367/310-30, Email: [email protected]

277 Schriftenreihe Forum für Hydrologie und Wasserbewirtschaftung Bisher erschienene Hefte Heft 01.02

Wechselwirkungen zwischen Grundwasserleitern und Oberflächengewässern Beiträge zum Tag der Hydrologie 2002 am 20./21.März 2002 in Suderburg Herausgeber: Hartmut Wittenberg und Matthias Schöniger 210 Seiten, 63 Abbildungen, Format A4 ISBN: 3-936514-22-4 vergriffen

Heft 02.02

Hochwassermanagement – Gefährdungspotenziale und Risiko der Flächennutzung Beiträge zum Seminar am 7./8. November 2002 in Koblenz Herausgeber: Hans-B. Kleeberg und Günter Meon 201 Seiten, 43 Abbildungen, Format A4 ISBN 3-936514-26-7 20 EUR Aktualisierte Neuauflage erschienen als Heft 02.03 Beiträge zum Seminar am 12./13. Juni 2003 in Weimar Herausgeber: Hans-B. Kleeberg und Günter Meon 200 Seiten, 65 Abbildungen, Format A4 ISBN 3-924063-58-3 vergriffen

Heft 03.03

Numerische Simulationsmodelle für Fließgewässer Beiträge zum Seminar am 12./13. Mai 2003 in Stein bei Nürnberg Herausgeber: Siegfried Bloß und Hans-B. Kleeberg 185 Seiten, 32 Abbildungen, Format A4 ISBN 3-924063-57-5 Aktualisierte Neuauflage erscheinen als Heft 03.05 Beiträge zum Seminar am 15. März 2005 in Dortmund Herausgeber: Siegfried Bloß und Hans-B. Kleeberg 185 Seiten, 65 Abbildungen, Format A4 ISBN 3-924063-57-5

35 EUR

35 EUR

Heft 04.03

Klima – Wasser – Flussgebietsmanagement – im Lichte der Flut Beiträge zum Tag der Hydrologie 2003 am 20./21. März 2003 in Freiburg i.Br. Herausgeber: Hans-B. Kleeberg Band1 Vorträge, 270 Seiten, 144 Abbildungen, Format A4 Band 2 Poster, 194 Seiten 105 Abbildungen, Format A4 ISBN 3-924063-59-1 beide Bände zusammen 45 EUR

Heft 05.04

Wasser- und Stofftransport in heterogenen Einzugsgebieten Beiträge zum Tag der Hydrologie 2004 am 22./23. März 2004 in Potsdam Herausgeber: Axel Bronstert, Annegret Thieken, Bruno Merz, Michael Rode, Lucas Menzel Band1 Vorträge, 221 Seiten, 88 Abbildungen, Format A4 Band 2 Poster, 315 Seiten, 144 Abbildungen, Format A4 ISBN 3-937758-18-6 beide Bände zusammen 45 EUR

Heft 06.04

Hochwassermanagement – Gefährdungspotenziale und Risiko der Flächennutzung Neuauflage Beiträge zum Seminar am 17./18. Juni 2004 in Münster Herausgeber: Hans-B. Kleeberg und Günter Meon 172 Seiten, 61 Abbildungen, Format A4 ISBN 3-937758-19-4 35 EUR

278

Heft 07.04

Niedrigwassermanagement Beiträge zum Seminar am 11./12.November 2004 in Koblenz Herausgeber: Hans-B. Kleeberg und Gero Koehler 172 Seiten, 82 Abbildungen, Format A4 ISBN 3-937758-47-X

35 EUR

Heft 08.05

Hochwasser-Gefahrenkarten Teil 1: Erarbeitung und Nutzung von Hochwassergefahrenkarten Beiträge zum Erfahrungsaustausch am 24. November 2004 in Erfurt Teil 2: Zonierungssystem und Risikomodellierung in der Versicherungswirtschaft Herausgeber: Hans-B. Kleeberg 140 Seiten, 34 Abbildungen, Format A4 ISBN 3-937758-48-8 35 EUR

Heft 03.05

Numerische Simulationsmodelle für Fließgewässer Beiträge zum Seminar am 15. März 2005 in Dortmund Aktualisierte Neuauflage von Heft 03.03 Herausgeber: Siegfried Bloß und Hans-B. Kleeberg 185 Seiten, 65 Abbildungen, Format A4 ISBN 3-924063-57-5

35 EUR

Niederschlag – Input für hydrologische Berechnungen Beiträge zum Seminar am 12./13. April 2005 in Koblenz Herausgeber: Hans-B. Kleeberg 159 Seiten, 44 Abbildungen, Format A4 ISBN 3-937758-67-4

35 EUR

Entscheidungsunterstützung in der Wasserwirtschaft – von der Theorie zum Anwendungsfall Beiträge zum Tag der Hydrologie 2005 am 22./23. März 2005 in Aachen Herausgeber: Heribert Nacken, Sabine Bartusseck, Hani Sewilam 314 Seiten, 131 Abbildungen, 25 Tabellen, Format A4 ISBN 3-937758-68-2

42 EUR

Hochwasser – Vorsorge und Schutzkonzepte Beiträge zum Seminar am 2./3.Juni 2005 in Braunschweig Herausgeber: Hans-B. Kleeberg und Günter Meon 200 Seiten, 75 Abbildungen, Format A4 ISBN 3-937758-80-1

38 EUR

Akustische Doppler Geräte (ADCPs) in der Hydrometrie: Möglichkeiten und Perspektiven einer innovativen Technik Beiträge zum Seminar am 28./29. September 2005 in Koblenz Herausgeber: Matthias Adler und Hans-B. Kleeberg 172 Seiten, 120 Abbildungen, 8 Tabellen, Format A4 ISBN 3-937758-90-9

38 EUR

Abflussbildung – Prozessbeschreibung und Fallbeispiele Herausgeber: Axel Bronstert Monographie 148 Seiten, 81 Abbildungen, 12 Tabellen, Format A4 ISBN 3-937758-91-7

38 EUR

Heft 09.05

Heft 10.05

Heft 11.05

Heft 12.05

Heft 13.05

279

Heft 14.06

Heft 15.06

Niederschlag – Input für hydrologische Berechnungen Aktualisierte Neuauflage Beiträge zum Seminar am 12./13. April 2005 in Koblenz Herausgeber: Hans-B. Kleeberg 205 Seiten, 102 Abbildungen, Format A4 ISBN-10: 3-939057-30-4 ISBN-13: 978-3-939057-30-7 Risikomanagement extremer hydrologischer Ereignisse Beiträge zum Tag der Hydrologie 2006 am 22./23. März 2006 an der Universität der Bundeswehr München Herausgeber: Markus Disse, Karin Guckenberger, Sabine Pakosch, Alpaslan Yörük, Astrid Zimmermann Band 1 Vorträge 1, 278 Seiten Band 2 Vorträge 2, 338 Seiten beide Vortragsbände zusammen Band 3 Poster, 280 Seiten Posterband zusätzlich/alleine ISBN-10: 3 939057-31-2 ISBN-13: 978-3-939057-31-4

38 EUR

50 EUR 15 EUR

Mitglieder der Fachgemeinschaft Hydrologische Wissenschaften erhalten auf den Preis einen Nachlass von 30 %

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