Sturzflutsimulationen als Hilfsmittel für die Katastrophenschutzplanung

Am Beispiel von Leipzig

Tilo Sahlbach • Michael Telling

© Bildagentur PantherMedia / 2mmedia

Aufgrund einer Vielzahl von Überflutungsereignissen der vergangenen Jahre und den damit verbundenen wirtschaftlichen Schäden in Siedlungsgebieten beabsichtigt die Stadt Leipzig die ganzheitliche Betrachtung der Überflutungsvorsorge. Ausgehend von einer groben Analyse der Überflutungsgefährdung sollten zunächst die potenziellen Schwerpunkte von Überflutungen eruiert werden. Nach der Bestandsaufnahme galt es im nächsten Schritt die Schwerpunkte von potenziellen Überflutungen im Rahmen einer Oberflächenabflusssimulation zu ermitteln.

Mit derzeit 600.000 und in zehn Jahren mit bis zu 720.000 prognostizierten Einwohnern ist die Stadt Leipzig eine stark wachsende Stadt. Einher geht das Einwohnerwachstum mit einer starken baulichen Verdichtung der rund 300 km² großen Stadtgrundfläche, die von einem Auewaldareal der Weißen Elster von Süd nach Nord durchzogen wird. In den letzten Jahren kam es, wie in vielen Städten Deutschlands, zu einer Reihe von zum Teil lokal begrenzten Starkregenereignissen. Diese flachlandtypischen Sturzfluten setzten Hauptstraßen teilweise kniehoch unter Wasser und machten diese unpassierbar. Das schadlose Ableiten von Niederschlagswasser aus außergewöhnlichen Starkniederschlägen ist daher nicht mehr allein Aufgabe der öffentlichen Kanalisation und somit des Entwässerungsbetriebes. Sondern es ist vielmehr eine kommunale Gemeinschaftsaufgabe.

Die Stadt Leipzig beabsichtigt die Neuaufstellung hinsichtlich der Überflutungsvorsorge. Dazu wurde das Projekt Starkregen gemeinsam mit den Leipziger Wasserwerken und IWS initiiert. Bestandteil des Projektes ist ein stufenweiser Aufbau, der mit einer groben Analyse der Überflutungsgefährdung beginnt, um im weiteren Verlauf die Erarbeitung von Starkregen-Gefahrenkarten und eine detaillierte Gefährdungsanalyse durchführen zu können. Die Bearbeitung des Projektes orientiert sich in erster Linie an den Empfehlungen des DWA-M 119: "Risikomanagement in der kommunalen Überflutungsvorsorge für Entwässerungssysteme bei Starkregen" sowie der BWK-Fachinformation 1/2013 "Starkregen und urbane Sturzfluten – Praxisleitfaden zur Überflutungsvorsorge".

Das größte erfasste Niederschlagsereignis in Leipzig fand am 20.06.2013 statt. Bei der Unwetterlage traten, verteilt auf das Stadtgebiet von Leipzig, Überflutungen und vollgelaufene Keller auf. Die Leipziger Verkehrsbetriebe stellten ihren Betrieb ein. Laut DWD lag der Schwerpunkt im Zentrum, Süden und Osten von Leipzig. Mit einer Regensumme von 88,6 mm innerhalb von 6 Stunden stellt dieser Niederschlag das größte Ereignis der vorliegenden Niederschlagsereignisse dar. Beim Blick auf die Niederschlagsverteilung wird deutlich, dass die größten Niederschlagsmengen innerhalb kürzester Zeit auftraten. Innerhalb der ersten 60 Minuten war bereits ein Niederschlag von 81,6 mm niedergegangen.

Grundsätzliche Vorgehensweise

Voraussetzung für die Abschätzung der Überflutungsgefährdung ist die gründliche Recherche dokumentierter Schadensereignisse der letzten Jahre sowie deren Implementierung in ein GIS-Projekt. Damit können gezielte Auswertungen durchgeführt und perspektivisch fortgeschrieben werden. Damit können Zusammenstellungen leichter generiert und Plausibilitäten mit den Simulationsergebnissen abgefragt werden. Auch für die Diskussion in der Öffentlichkeit stellt das GIS-Projekt ein wichtiges Werkzeug dar.

Datenerhebung von Starkregenereignissen

Für die Erfassung von Schäden aus Überflutungen wurden vorhandene analoge und digital aufbereitete Messwerte, Protokolle, Bilder und Videos von Starkregen bei Überflutungen ausgewertet und aufbereitet. Dazu gehören:

  • Feuerwehreinsätze der Branddirektion bei Hilfeleistungen durch Wasserschäden
  • Gemeldete Haftpflichtschadensfälle der Wasserwerke
  • Gesammeltes Bild-/ Videomaterial der Wasserwerke bei Überflutungen
  • Meldungen über Schäden an öffentlichen Einrichtungen bei den Ämtern der Stadt Leipzig
  • Bild- /Videomaterial (Youtube) aus dem Internet

Durch die enge Zusammenarbeit von Ämtern der Stadt Leipzig und den Leipziger Wasserwerken konnte eine Vielzahl differenzierter Aufzeichnungen von Schäden in Bezug auf Starkregen zusammengetragen werden.

Feuerwehreinsätze

Feuerwehr und technisches Hilfswerk werden oft im Zusammenhang mit Überflutungen zu Einsätzen gerufen. Hier ist zu unterscheiden, zwischen Einsätzen bei denen die Ursachen Rückstau aus der Kanalisation oder ähnliche Wasserschäden sind und solchen, die auf Überflutungen der Oberfläche zurückzuführen sind. Die Branddirektion Leipzig stellte eine Statistik, beruhend auf der Auswertung des Einsatzleitsystems der Feuerwehr Leipzig, für den Zeitraum von 2007 bis 2015 zur Verfügung.

Schadensmeldungen

Den Leipziger Wasserwerken liegen Niederschlagsaufzeichnungen und dokumentierte Haftpflichtschadensfälle für den Zeitraum von 2011 bis 2016 vor. Außerdem wurden eigene Schadensmeldungen aus Beobachtungen erfasst, welche teilweise fotografisch festgehalten wurden. Für das gesamte Leipziger Stadtgebiet wurden Kanalnetzberechnungen durchgeführt und überstaute Schächte für die Wiederkehrzeiten T = 3 a bis T = 100 a angelegt.

Für aufgetretene Schäden an öffentlichen Einrichtungen (Krankenhäuser, Schulen, Städtische Altersheime, Kindergärten, Turnhallen, etc.) existieren Meldungen, die bei Überflutungs- und Starkregenereignissen über die Ämter der Stadt Leipzig abgefragt werden konnten. Die Daten liegen teilweise für die Jahre 2011 bis 2016 vor.

Auszug aus dem GIS-Projekt der aufgetretenen Schäden
Auszug aus dem GIS-Projekt der aufgetretenen Schäden
Quelle: Tilo Sahlbach • Michael Telling

Regendaten

Wesentliche Grundlage für die Bearbeitung stellen die zu analysierenden Niederschlagsdaten von 21 Niederschlagsmessstationen dar, die über das Leipziger Stadtgebiet verteilt sind. Für die Regenschreiber liegen unterschiedliche Messzeiträume aus den Jahren 2001 bis 2015 vor.

Starkregen sind begrenzte Regenereignisse mit großen Niederschlagsmengen, die meist von kurzer Dauer und geringer räumlicher Ausdehnung sind. Bedingt durch die große Intensität der Niederschläge fließt ein Großteil ab. Für die Betrachtung der Starkregen ist nicht die gesamte Dauer eines Niederschlags entscheidend, sondern die Kenntnis der maximalen Wiederkehrzeiten in kurzen Zeitabständen. Zudem verlaufen Regenereignisse nicht gleichförmig über ihre Dauer. Um einzelne Niederschlagsereignisse miteinander vergleichbar zu machen, erfolgt eine Differenzierung/ Bewertung in kleineren Zeitabschnitten (Dauerstufen).

Abgrenzung zur Siedlungswasserwirtschaft
Abgrenzung zur Siedlungswasserwirtschaft
Quelle: DWA 2008

Entwässerungssysteme werden bis zu einer Wiederkehrzeit von T = 3 a bis T = 5 a (DWA-A 118) bemessen. Bis zu dieser Wiederkehrzeit sollten die öffentlichen Entwässerungssysteme eine überstaufreie Ableitung des Oberflächenwassers gewährleisten können. Da im vorliegenden Projekt allerdings das Hauptaugenmerk auf Ereignissen liegt, die nicht schadfrei abgeleitet werden können, werden bei der Auswertung nur Niederschläge betrachtet, die in einer Dauerstufe eine Regenhöhe mit einer Wiederkehrzeit von T ≥ 5 a erreichen.

Die Regendaten aller Regenschreiber wurden nach der Starkregenstatistik nach KOSTRA-DWD 2010 ausgewertet. Die Auswertung ergibt 22 Ereignisse mit einer Wiederkehrzeit von Tges ≥ 5 a, bei der Bewertung über den gesamten jeweiligen Niederschlagszeitraum. An 10 Regenschreibern konnten 7 Ereignisse ausgewertet werden, bei denen in mindestens einer Dauerstufe die Wiederkehrzeit >100 a betrug. Vier Ereignisse lagen weit über der 100-jährigen Darstellung nach KOSTRA-DWD 2010, so dass zusätzlich die Einordnung nach PEN-LAWA 2010 erfolgte. PEN-LAWA (PEN "Praxisrelevante Extremwerte des Niederschlags") umfasst die Wiederkehrzeiten T = 1.000 a bis T =10.000 a und die Dauerstufen 15 min bis 75 h.

Beziehung der Feuerwehreinsätze zur Regensumme
Beziehung der Feuerwehreinsätze zur Regensumme
Quelle: Tilo Sahlbach • Michael Telling

Auswertung

Zur Plausibilitätsprüfung wurden dabei die Schadensmeldungen mit den gemessenen Starkregenereignissen verschnitten. Dabei konnten Korrelationen zwischen den Schadensmeldungen und der zugehörigen Regensumme dargestellt werden. Besonders deutlich wurde dies während des Niederschlagsereignisses am 20.06.2013, sowohl mit den gemeldeten Schadensereignissen, als auch den Feuerwehreinsätzen.

Beispiele für eine GIS-Auswertung

Mit Hilfe einer GIS-Auswertung wird die Dichteverteilung der Schadensmeldungen in ihrer Umgebung bestimmt. Die Anzahl der Punkte, die in der Nachbarschaft liegen werden addiert und durch die Fläche der Nachbarschaft dividiert. Da es sich bei den Schadensmeldungen um Stichproben handelt, würde sich dementsprechend auch die Dichteverteilung verändern, wenn weitere Meldungen über Schäden hinzugefügt werden. Eine weitere Möglichkeit stellt die GIS-Auswertung hinsichtlich vorhandener Senken dar. Zunächst wird dabei ein Raster mit der Fließrichtung von jeder Zelle zur jeweiligen Nachbarzelle mit der steilsten Neigung erstellt. Anschließend werden die Senken in einem Oberflächen-Raster aufgefüllt.

Dichteverteilung der Schadensereignisse und Senkenermittlung
Dichteverteilung der Schadensereignisse und Senkenermittlung
Quelle: Tilo Sahlbach • Michael Telling

Oberflächensimulation zur Ermittlung der Schwerpunkte von Überflutungen

Die hydraulisch-topographische Gefährdungsanalyse dient der ersten Abschätzung der durch Starkregen hervorgerufenen Ausbreitung von Überschwemmungen, Wassertiefen, Hauptfließwegen und Fließgeschwindigkeiten im Stadtgebiet Leipzig. Ziel ist es, durch Bewertung der Ergebnisse anhand festgelegter Kriterien potenziell gefährdete Bereiche zu detektieren, die einer vertieften Untersuchung bedürfen. Grundlage der Gefährdungsanalyse ist die zweidimensionale hydrodynamisch-numerische Modellierung des aus dem Effektivniederschlag resultierenden Oberflächenabflusses. Verdunstung sowie der Abfluss überstauter Schächte des Kanalsystems finden keine Berücksichtigung.

Grundlagen

Für die Sturzflutberechnung wurden Modellregen vom Euler Typ II mit einer maßgebenden Dauer von 1 h (maßgebender Regen aus der Siedlungswasserwirtschaft) erstellt. In der Belastungsbildung wurden drei mögliche Szenarien berücksichtigt: 

Einordnung der betrachteten Szenarien nach Zielgruppe
Einordnung der betrachteten Szenarien nach Zielgruppe
Quelle: Tilo Sahlbach • Michael Telling
  • Ein seltenes Ereignis, welches mit einer Jährlichkeit von 30 Jahren auftritt und zu einem seltenen Oberflächenereignis führt. Die Wiederkehrzeit wurde als Schnittstelle des Kanalnetzes angesetzt und dient der Abgrenzung zum kommunalen Überflutungsschutz.
  • Ein außergewöhnliches Ereignis, welches mit einer Jährlichkeit von 100 Jahren auftritt. Entsprechende Niederschlagsereignisse sind im Stadtgebiet aufgetreten und dokumentiert. Zudem ist die gewählte Jährlichkeit mit den Regelwerken in Bezug setzbar.
  • Ein Extremereignis, welches mit einem außergewöhnlichen Niederschlagsereignis generiert wird. Dazu wurden die gemessenen Niederschlagshöhen des Starkregenereignisses vom 20.06.2013 zu Grunde gelegt. Das Extremereignis dient vor allem als Risikoprävention.

Für die vorliegende Untersuchung wurde das Modell HYDRO_AS-2D von Dr. Nujić (Version 4.2) verwendet. Dieses Strömungsmodell wurde ursprünglich für die Simulation von Damm- und Deichbruchwellen konzipiert, kann jedoch auch für andere wasserwirtschaftliche Problemstellungen, bspw. der Sturzflutsimulation, eingesetzt werden.

Die Untersuchungsgebietsgröße sowie die Beschränkung der hydraulischen Modelle auf maximal 3,5 Mio. Berechnungsnetzknoten schließt die Modellierung in einem Gesamtmodell aus. Daher wurde das Untersuchungsgebiet in einzelne Teilgebiete unterteilt. Dabei bilden sowohl zuvor ermittelte Wasserscheiden als auch Fließgewässer die jeweiligen Modellgrenzen. Zur Darstellung plausibler Fließwege ist die Berücksichtigung der Gebäudeumrisse, aber auch der Gebäudeerhebungen unerlässlich. Der Niederschlag wird als Effektivniederschlag für jeden Berechnungsnetzknoten vorgegeben. Dabei erfolgt eine räumliche Differenzierung in Abhängigkeit der jeweiligen KOSTRA-Daten, der Geländeneigung und des Versiegelungsgrades.

Ergebnis

Die Ergebnisse der Überflutungsberechnung werden jeweils für die zugrunde gelegten Lastfälle T = 30 a, T = 100 a, T = extrem ausgegeben in 

  • Wassertiefe nach Maximum
  • Wassertiefe nach 5 Stunden
  • Auswertung der Fließgeschwindigkeit.

Im Ergebnis der Oberflächensimulation wurden fünf Schwerpunktgebiete festgelegt, für die weitergehende Untersuchungen als gekoppeltes Modell (Kanalnetz in Verbindung mit Oberflächenabfluss) erfolgen.

Ergebnisdarstellung (Bereich St.-Elisabeth-KH)
Ergebnisdarstellung (Bereich St.-Elisabeth-KH)
Quelle: Tilo Sahlbach • Michael Telling

Zusammenfassung

Vor dem Hintergrund der Häufung von Starkregenereignissen in den letzten Jahren und den damit verbundenen Schäden ist das Bewusstsein zur Überflutungssicherung in den Städten gestiegen. Nachhaltige Maßnahmen lassen sich jedoch nur über eine gründliche Recherche und Analyse aufgetretener Schäden in Kombination mit Simulationsmodellen ableiten und begründen. Nach der abgeschlossenen Analyse der Überflutungsgefährdung wird deshalb in Leipzig die detaillierte hydraulische Untersuchung von Schwerpunkten erfolgen. Diese finden unter Berücksichtigung der Wechselwirkung von Kanalnetz und Oberflächenabfluss als gekoppeltes Modell statt, um letztendlich technisch-bauliche Schutzmaßnahmen zur möglichen Reduzierung des Schadenspotentials ableiten zu können.

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