Hochwasser und kein Ende!

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1 Hochwasser und kein Ende! Statusberichte, aktuelle Vorhaben, neue Planungswerkzeuge Beiträge zur Fachtagung am 3. und 4. Juli 2014 in Obernach Schlottwitz, Foto: Harald Weber Veranstalter: Freunde des Lehrstuhls für Wasserbau und Wasserwirtschaft in Kooperation mit dem Lehrstuhl und der Versuchsanstalt für Wasserbau und Wasserwirtschaft der Technischen Universität München

2 Technische Universität München Lehrstuhl für Wasserbau und Wasserwirtschaft Arcisstraße 21 Tel.: 089 / München Fax: 089 / Germany wabau@bgu.tum.de Versuchsanstalt für Wasserbau und Wasserwirtschaft (Oskar von Miller - Institut) Obernach, Walchensee Tel.: / Germany Fax: / ISSN ISBN Berichte des Lehrstuhls und der Versuchsanstalt für Wasserbau und Wasserwirtschaft Herausgegeben von Prof. Dr. Peter Rutschmann Ordinarius für Wasserbau und Wasserwirtschaft, TU München Druck und Einband: Meissner Druck GmbH, Oberaudorf

3 Vorwort Die Hochwasser der zurückliegenden Jahre verursachten durch Schäden an Siedlungen und Infrastruktur Kosten in Milliardenhöhe. Nach den katastrophalen Überschwemmungen 1999 und 2005 wurden im Juni 2013 insbesondere Bayern, Thüringen und Sachsen sowie auch Österreich wieder von einer extremen Wettersituation erfasst, die zu erheblichen Überschwemmungen und Zerstörungen führte. Hochwasser und kein Ende! Der von uns gewählte Tagungstitel enthält kein Fragezeichen, sondern ganz bewusst ein Ausrufezeichen. Unsere Gesellschaft wird auch in Zukunft mit extremen Hochwassern leben müssen. Es zeichnet sich schon lange ab, dass durch den fortschreitenden Klimawandel die meteorologischen und hydrologischen Randbedingengen die zu Hochwassern führen weiter verschärft werden. Allgemein rechnen Fachleute für die Zukunft mit einer spürbaren Veränderung des Wasserkreislaufs und mit einer Zunahme von Extremereignissen. Das baden-württembergische Klimaschutzkonzept 2020PLUS aus dem Jahr 2011 prognostiziert für die Wintermonate einen Anstieg der Niederschläge um bis zu 20 % bis zum Ende des Jahrhunderts. Um Hochwasserschäden vorzubeugen, werden laufend Hochwasserschutzmaßnahmen geplant und baulich umgesetzt. Nach dem signalweisenden "Pfingsthochwasser" im Mai 1999 hat die bayerische Staatsregierung das Aktionsprogramm 2020 ins Leben gerufen. Viel Geld ist seither geflossen und zahlreiche Projekte sind zwischenzeitlich erfolgreich durchgeführt worden. Als Konsequenz auf das dramatische Junihochwasser 2013 sind die finanziellen Mittel erneut aufgestockt worden. In den Vorträgen wird auf das Aktionsprogramm 2020plus ebenso eingegangen, wie auch auf das neue DWA-Themenheft "Flutpolder", das im April 2014 erschienen ist. Es freut mich sehr, dass von den insgesamt 18 Fachbeiträgen sechs Artikel von Vertretern der bayerischen Wasserwirtschaftsverwaltung verfasst wurden. Weitere Beiträge stammen aus dem universitären und bautechnischen Bereich. Die Fachtagung bietet damit eine gute Verschränkung der wissenschaftlichen, baupraktischen und verwaltungstechnischen Aspekte und Fragestellungen der wasserwirtschaftlichen Gegenwart. Aber: "Ein effektiver Umgang mit Hochwasser bedeutet mehr, als nur technische Schutzbauwerke zu errichten." So leitet Erich Eichenseer seine Gedanken zu einem integralen Hochwassermanagement ein. Die Entwicklung von Hochwassergefahrenund Hochwasserriskikokarten spielt dabei eine wichtige Rolle, um das stets vorhandene Hochwasserrisiko künftig noch weiter zu verringern. Ich wünsche allen Tagungsteilnehmern eine informative und belebende Veranstaltung und allen Lesern dieses Berichtsbandes eine interessante Lektüre. Peter Rutschmann

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5 Inhaltsverzeichnis Peter Rutschmann Vorwort Seite Uwe Kleber-Lerchbaumer Das Extremhochwasser im Juni 2013 in Bayern Eine Bestandsaufnahme 1 Christoph Heinzelmann, Nils P. Huber und Matthias Alexy Naturmessungen an der Elbe während des Hochwassers zur Validierung numerischer Modelle Wolf-Dieter Rogowsky Hochwasserschutz an der Donau zwischen Straubing und Vilshofen 25 Teil 1: Bestehende Anlagen, Sofortprogramm 2013/2014 Markus Schmautz Hochwasserschutz an der Donau zwischen Straubing und Vilshofen 35 Teil 2: Grundsätze und Gesamtplanung für den Ausbau Erich Eichenseer, Gabriele Merz, Dieter Rieger und Marc Daniel Heintz Vom Hochwasserschutz zum Risikomanagement 43 Andreas Rimböck AP 2020plus Ein Plus für den Hochwasserschutz 55 Florian Stauder Vom Umgang mit dem Bestand an Schutzbauwerken am Beispiel Wildbäche 65 Jürgen Stamm und Torsten Heyer Das Sommerhochwasser 2013 in Sachsen und Sachsen-Anhalt 75 Thomas Nester, Jürgen Komma, Juraj Parajka, Rui A.P. Perdigão und Günter Blöschl Das Juni-Hochwasser 2013 in Österreich 89 Franz-Klemens Holle und Stefan Laurent Festlegung von Bemessungswerten unterhalb gesteuerter Speicher 99 am Beispiel des Lechs

6 Gudrun Seidel DWA-Themenheft "Flutpolder" Wesentliche Inhalte und Ausblick 111 Peter Rutschmann und Minh Duc Bui Hochwasser und Geschiebe am Hochrhein 123 Daniel Skublics Großräumige Modellierung von Hochwasserrückhalt und 135 Hochwasserretention im Einzugsgebiet der bayerischen Donau Simon Seibert und Uwe Ehret Series Distance ein innovatives Gütemaß zur Bewertung der 145 Simulationsgüte hydrologischer und hydraulischer Modelle Wolfgang Rieger Welches Potenzial haben dezentrale Hochwasserschutzmaßnahmen 159 bei Ereignissen wie dem Juni-Hochwasser 2013? Theodor Strobl Lehren aus dem Juni-Hochwasser Hochwasserschutz im Konsens mit dem Bürger? Markus Disse, Patrick Keilholz und Winfried Willems Neuer Beitrag zur Dimensionierung von Schöpfwerken an Flusspoldern 181 Arnd Hartlieb und Richard Huber Hochwasserschutzprojekte im wasserbaulichen Modellversuch 191 Anhang: Bisher erschienene Berichte des Lehrstuhls und der Versuchsanstalt für Wasserbau und Wasserwirtschaft

7 Das Extremhochwasser im Juni 2013 in Bayern - Eine Bestandsaufnahme Uwe Kleber-Lerchbaumer Kurzfassung Das Hochwasser 2013 war hinsichtlich der beobachteten Niederschlags- und Abflusswerte sowie in Anbetracht der aufgetretenen Schäden an wasserbaulichen Anlagen, öffentlichen und privaten Infrastrukturen das schadensträchtigste Hochwasserereignisse der letzten Jahrzehnte. Dabei wurden an einigen Pegeln im Donaugebiet die höchsten Wasserstände seit Beginn der Aufzeichnungen registriert. Auch in Anbetracht der Deichbrüche an der Unteren Donau, der Unteren Isar und der Tiroler Ache sowie den Überschwemmungen in bebauten Bereichen an der Unteren Mangfall ist festzustellen, dass die seit 2000 im Rahmen des Aktionsprogramms AP2020 durchgeführten Sanierungen und Neubauten erfolgreich waren und größere Schäden wirksam verhindert haben. Das gleiche Ereignis hätte vor 2000 wesentlich höhere Schäden verursacht. Dabei verdeutlicht das Hochwasser 2013 die Notwendigkeit, über die normierten Anforderungen an den technischen Hochwasserschutz hinausgehende Betrachtungen der systemischen Sicherheit von Hochwasserschutzanlagen weiter zu entwickeln und voranzutreiben. Dies schließt neben einer konsequenten Umsetzung der noch ausstehenden Sanierungen und Neubauten die Berücksichtigung resilienter, d.h. mindestens begrenzt überlastbarer Bauweisen ein. Hierzu zählen neben Flutpoldern und Entlastungsstrecken auch erosionsstabile, überströmbar ausgebildete Querschnitte. 1 Darstellung des Niederschlags- und Hochwassergeschehens Stationäre Tiefdruckzellen bestimmten im Mai 2013 die Großwetterlage in Europa. Die dabei entstandene ausgedehnte Troglage über Mitteleuropa führte durch deren meridionale Zirkulation polare Kaltluft nach Bayern und bewirkte ausgeprägte Luftmassengrenzen zwischen der nordwestlich einströmenden Kaltluft und subtropischer Warmluft über dem kontinentalen Ost- und Südosteuropa. Entlang dieser Frontalzone kam es immer wieder zu ergiebigen Niederschlägen. Über Ost- und Südosteuropa entstanden zudem kontinuierlich lokale Bodentiefdruckgebiete, die sich mit mediterraner Warmluft intensivierten und west- bzw. südwestlich zogen. Durch die Zufuhr der feuchtwarmen Luft setzte ab dem 30. Mai 2013 (Tief Frederik ) ein nahezu viertägiger Dauerregen in Südbayern ein. Die orographische Hebung der Warmluftmassen an der Alpennordseite

8 2 bewirkte dabei zwischen Berchtesgadener Land und Karwendel die höchsten gemessenen Niederschlagshöhen (Aschau-Stein: 406 mm in 96h). Hierbei wurden örtlich statistische Wiederkehrzeiten zwischen 500 und 1000 Jahren erreicht. Aber auch unmittelbar südlich einer etwa über Landshut und Würzburg verlaufenden Frontalzone bildete sich massive Niederschlagszellen (vgl. Abb. 1). Abb. 1 Infrarot-Satellitenbilder vom :00 (links) und :00 (rechts, beide Bayerisches Landesamt für Umwelt, 2013) Die seit Anfang Mai 2013 anhaltenden Niederschläge hatten landesweit eine nahezu vollständige Sättigung der Böden und eine mindestens partielle Beaufschlagung von Hochwasserrückhalteräumen in Stauanlagen bewirkt. So konnten auch die insgesamt geringeren Niederschläge in Schwaben, Franken und der Oberpfalz regionale und lokale Überschwemmungen verursachen. Erste kritische Hochwasserscheitel traten ab 31. Mai im Maingebiet und an den nördlichen Donauzuflüssen auf. Der Schwerpunkt des Hochwassers 2013 lag aber eindeutig in den südostbayerischen Flussgebieten zwischen der Paar bzw. Ilm im Westen und der Salzach im Osten. Hier wurden an einigen Pegeln die höchsten jemals gemessenen Wasserstände und Abflüsse registriert. Mit Ausnahme der Amper und der Isar zwischen Sylvensteinspeicher und Ampermündung wurde an allen Flussgebieten die höchste Meldestufe 4 erreicht (vgl. Abb. 2 und Abb. 3). Der Hochwasserscheitel in Passau ( :00 Uhr) wurde durch die der Donau etwa eineinhalb Tage vorauslaufende Hochwasserwelle des Inn-Salzach-Flussgebietes bestimmt. Die infolge der Deichbrüche gekappte Hochwasserwelle der Donau überlagerte die ablaufende Innwelle und hielt den Pegel Passau-Donau ohne ausgeprägten eigenen Hochwasserscheitel bis zum bei Wasserständen über Meldestufe 4. Eine in der Donau am 9. und 10. Juni ablaufende zweite Hochwasserwelle hatte nicht mehr die befürchtete bzw. vorhergesagte Intensität (vgl. Abb. 7). An Paar (ab Schrobenhausen), Ilm (ab Pfaffenhofen), Isar (ab Volkmannsdorf), Donau (ab Deggendorf), Salzach, Saalach, Tiroler Ache, Alz und Mangfall (ab Weyarn) wurden bezogen auf die Scheitelabflüsse statistische Wiederkehrzeiten von 100 Jahren erreicht oder überschritten. Hier wurden trotz optimaler Aktivierung der verfügbaren

9 Hochwasserrückhalteräume in Talsperren und Hochwasserrückhaltebecken (vgl. Abb. 4 und Abb. 5) sowie einem hochwasserangepassten Betrieb der Staustufen und der Retentionswirkung natürlicher Seen die Bemessungswasserspiegellagen der technischen Hochwasserschutzanlagen zum Teil deutlich überschritten. Aber auch an allen anderen südbayerischen Donauzuflüssen östlich des Lechs traten kritische Beaufschlagungen der technischen Hochwasserschutzanlagen auf. Während sich die seit 2000 durchgeführten Sanierungen und Neubauten eindrucksvoll bewährten, konnten noch nicht sanierte, abschnittsweise bordvoll bzw. über Deichkrone beaufschlagte Deiche nur mit immensem technischen und logistischen Aufwand verteidigt werden. Dies betraf vor allem die Donauausbaustrecke zwischen Straubing und Vilshofen, wo die noch nicht ausgebauten Deiche für ein Hochwasser dieser Dimension schlicht zu niedrig waren und auf große Strecken mit Sandsäcken erhöht werden mussten. An der Unteren Isar (Fischerdorf) sowie an der Donau (Auterwörth, Mülhamer Schleife) konnten ein Versagen der auf HQ30 bemessenen, breitflächig überströmten Altdeiche nicht verhindert werden. Letztlich bewirkten diese Deichbrüche eine Entlastung für die weiteren kritisch belasteten Deichstrecken. Ein weiterer Deichbruch ereignete sich an der Tiroler Ache bei Grabenstätt. Die Überschwemmungen bebauter Bereiche an der Mangfall in Bad Aibling, Kolbermoor und Rosenheim basierten auf einem Ausufern im Bereich nicht bedeichter, durch Notdämme gesicherter Abschnitte und dem Überströmen noch nicht sanierter Altdeiche. Ein Deichversagen mit einer vermutlich katastrophalen Auswirkung auf die Rosenheimer Innenstadt konnte verhindert werden. 3 Abb. 2 Meldestufen, die während des Hochwassers vom bis erreicht oder überschritten wurden. Grüne Punktsymbole kennzeichnen Pegel, an denen die Wasserstände unterhalb der Meldestufe 1 blieben (Bayerisches Landesamt für Umwelt, 2013)

10 4 Abb. 3 Jährlichkeiten der Scheitelabflüsse an ausgewählten Gewässern beim Hochwasser im Mai und Juni 2013 (vorläufige Auswertung, Bayerisches Landesamt für Umwelt, 2013). Abb. 4 Beaufschlagung der staatlichen Wasserspeicher und des Forggensee beim Hochwasser 2013 (Bayerisches Landesamt für Umwelt, 2013)

11 5 Abb. 5 Speicherbewirtschaftung Sylvenstein (Bayerisches Landesamt für Umwelt, 2013) Das Hochwasserereignis 2013 verursachte alleine in Bayern Schäden von rund 1,3 Milliarden EUR. Damit ist dieses Ereignis im Kalenderjahr 2013 aus Sicht der Hauptund Rückversicherer weltweit als eine der schadensträchtigsten Naturkatastrophen einzustufen. Allein an staatlichen Gewässern und Anlagen entstand ein Bedarf von mehr als 100 Millionen EUR für Sofortmaßnahmen zur Beseitigung akuter Hochwasserschäden. Dabei muss in Anbetracht des Ausmaßes des Hochwasserereignisses im Vergleich zu den Hochwasserereignissen 1999, 2002 und 2005 die Wirksamkeit und Effizienz bisher durchgeführter Sanierungen und Neubauten an staatlichen Hochwasserschutzanlagen sowie an staatlichen und nichtstaatlichen Stauanlagen hervorgehoben werden. Hochwasserereignisse lassen sich auf Grund der differenzierten meteorologischen und hydrologischen Randbedingungen im Allgemeinen zwar nicht miteinander vergleichen, das Hochwasser 2013 hätte bei Zustand der Hochwasserschutzanlagen vor Einleitung des Aktionsprogrammes 2020 aber unbestritten erheblich größere Schäden an privaten und öffentlichen Infrastrukturen verursacht. Einige Beispiele für erfolgreich umgesetzte Schutzkonzepte sind die Maßnahmen zum Schutz des Kloster Weltenburg und der Städte Freising und Moosburg aber auch der Städte Deggendorf (Altstadtseite), Straubing und Bogen. Diese medialen Brennpunkte der Hochwasserereignisse 1999, 2002 und 2005 haben das Hochwasser 2013 unbeschadet und sicher überstanden. 2 Hochwasserschäden an staatlichen Hochwasserschutzanlagen Die nachfolgenden Darstellungen beschreiben die drei wesentlichen Schadensbilder durch das Versagen von Hochwasserschutzanlagen während des Hochwassers Sie sind exemplarisch zu verstehen. Daneben hat es weitere, hinsichtlich der Auswirkungen

12 6 deutlich weniger gravierende Deichbrüche (z.b. Saalach bei Piding) und vielfältige Schäden an staatlichen wie nichtstaatlichen Bauwerken gegeben. Abb. 6 Kloster Weltenburg an der Donau geschützt durch das mobile Hochwasserschutzsystem (Hajo Dietz Fotografie, Bunzlauer Straße 63, D Nürnberg) 2.1 Donau Straubing-Vilshofen An der Donau kam es ab dem Bereich der Isarmündung bis Jochenstein zu einem HQ100 erreichenden bzw. überschreitenden Scheitelabfluss. Dabei wurden die maßgebenden Bemessungswasserstände der Hochwasserschutzanlagen erreicht oder überschritten (vgl. Abb. 7 und Abb. 8). Abb. 7 Wellenablauf an der Donau (Rohdaten, Bayerisches Landesamt für Umwelt, 2013)

13 7 Abb. 8 Wellenablauf an der Isar (Rohdaten, Modellsimulation für Plattling, Bayerisches Landesamt für Umwelt, 2013) Während die sanierten und neuerrichteten Hochwasserschutzanlagen das Hochwasser 2013 unbeschadet überstanden und die hoch vulnerablen Kernstädte z.b. von Deggendorf und Straubing wirkungsvoll schützten, wurden die noch nicht ausgebauten, auf etwa HQ30 dimensionierten Altdeiche der Donauausbaustrecke Straubing Vilshofen einschließlich der umfangreichen Rückstaudeiche kritisch bis überkritisch belastet. Der Scheitelwasserstand lag hier im Bereich der Deichkronen, auf längeren Deichstrecken kam es zu breitflächigen Überströmungen. Die Sicherung dieser gefährdeten Abschnitte erforderte eine sehr intensive, langwierige Verteidigung (vgl. Abb. 9). Schwerpunkt war dabei die Aufhöhung der Deiche, während Stützungsmaßnahmen, auch wegen der in der Vergangenheit durchgeführten Sanierungsmaßnahmen, nur auf begrenzten Strecken durchgeführt werden mussten. Abb. 9 Ruckasing, Gde. Osterhofen, Deichverteidigung durch Erhöhung der Deichkrone beziehungsweise Auflastschüttungen (Bayerisches Landesamt für Umwelt und WWA Deggendorf, 2013)

14 8 Am kam es erst zum Versagen des Donauhauptdeiches unterhalb des Schöpfwerkes Auterwörth, unmittelbar danach brach der linke Isarhauptdeich etwa 1,2 km oberhalb der Mündung in die Donau. In beiden Fällen wurde das Versagen durch Erosion der landseitigen Böschungen infolge lang anhaltendendem Überströmen der Deichkronen verursacht. Abb. 10 Deichbruch Auterwörth, Bruchstelle und Schadensbeseitigung nach dem Hochwasser 2013 (Landesamt für Umwelt und WWA Deggendorf, 2013) Der Deichbruch an dem Schöpfwerk Auterwörth (vgl. Abb. 10) verursachte eine rückwärtige Flutung des Polders Auterwörth (Mülhamer Schleife). Der Rückstau reichte bis in die Ortschaft Niederalteich. Insgesamt wurde etwa 19 Millionen m³ Speichervolumen aktiviert, die 2 bis 2,5 m hoch überflutete Fläche erreichte etwa 8 bis 9 km². Die schlagartig freigegebene Breschenbreite betrug 220 m. Der Deichquerschnitt wurde bis zum Deichlager erodiert, auf der Binnenfläche entstanden im Bereich der Initialbresche größere Auskolkungen. Die auf einen deutlich tieferen Vorflutpunkt ausgelegten Ableiterdeiche an der Hengersberger Ohe wurden nach dem Bruch des Hauptdeiches breitflächig überströmt und brachen beidseitig. Der Markt Winzer und der Markt Hengersberg konnten durch den Bau von Notdeichen entlang der Staatsstraße St2125 vor Überschwemmungen geschützt werden. Zu beachten ist, dass der Polder Auterwörth (Mülhamer Schleife) auch nach Ausbau des Hochwasserschutzsystems Straubing-Vilshofen auf das 100-jährliche Hochwasser als Rückhalteraum erhalten und bei Überschreiten von HQ30-Abflüssen weiterhin zur Aufrechterhaltung der Gebietsretention geflutet werden soll. Im Bereich der Bruchstelle ist hierzu ein Flutungsbauwerk vorgesehen. Problematisch war, dass die für den Ausbau auf das 100-jährliche Hochwasser notwendigen Binnensicherungen (zweite Deichlinien) noch nicht existierten. Gleichwohl gilt, dass ein Versagen der Donauhauptdeiche etwa im Flussabschnitt Halbmeile Niederalteich wesentlich gravierendere Hochwasserschäden bewirkt hätte. Die in diesen Abschnitten intensivierte, letztlich erfolgreiche Verteidigung der Deiche hat die

15 Ortschaften Winzer, Niederalteich und Hengersberg vor schwersten Hochwasserschäden bewahrt. 9 Abb. 11 Deichbruch Isar, Bau eines Notdeiches zum Schutz vor der zweiten Hochwasserwelle (Bayerisches Landesamt für Umwelt und WWA Deggendorf 2013) Der Deichbruch an der Isarmündung (vgl. Abb. 11) verursachte eine rückwärtige Flutung des Polders Steinkirchen-Fischerdorf. Der Rückstau betraf den gesamten Polder mit den Ortschaften Fischerdorf und Natternberg bis zum oberstromigen Ende bei Steinkirchen. Insgesamt wurde etwa 51 Millionen m³ Speichervolumen aktiviert. Auch hier bildet sich schlagartig eine etwa 320 m breite Breschen. Die Bruchstelle befand sich in einem schwer zugänglichen Bereich unmittelbar oberhalb der Trassierung des Deiches quer durch eine historische Isar-Flutrinne. Mit dem Aufbau eines Notdeiches entlang der BAB A3 und dem provisorischen Verschluss der Durchführung durch den Autobahndamm konnte die Flutung der bebauten Bereich in Natternberg und Fischerdorf verzögert aber nicht verhindert werden. Immerhin gelang es, Zeit für Evakuierungen und nachgelagerte Objektschutzmaßnahmen zu gewinnen. Gleichwohl entstanden beim Bruch des Isardeiches im Vergleich zum vorab beschriebenen Deichbruch Auterwörth wesentlich höhere Schäden an privaten und öffentlichen Infrastrukturen. Zu beachten ist, dass der damals im Bau befindliche Deich zwischen Mettenufer und Eisenbahnbrücke erst etwa die Höhe der HQ30-Deiche erreicht hatte und weder humusiert war, noch über eine Innendichtung verfügte. Durch provisorische Aufhöhung konnte er letztlich gehalten werden und überstand, wie der bereits auf HW100 ausgebaute Donau-Hauptdeich Fischerdorf das Hochwasserereignis unbeschadet. Ein letztlich verheerender oberstromiger Deichbruch im Bereich Steinkirchen mit einer dann erfolgenden Durchströmung des Polders Steinkirchen-Fischerdorf konnte verhindert werden. Hierbei half, dass die Beaufschlagung der Deiche oberhalb der Isarmündung etwas geringer ausfiel. Zum Schutz der Siedlungsflächen im Polder Fischerdorf vor HW100 wird der Isardeich im Bereich der Bruchstelle auf rund 3,5 km Länge auf einer rund m zurück

16 10 verlegten Deichlinie neu errichtet. Baubeginn ist im Juni Der bestehende Deich wird nicht beseitigt, so dass zwischen altem und neuem Deich ein Rückhalteraum von rund 7 Mio. m 3 bei Hochwassern wie 2013 weiterhin zur Verfügung steht. 2.2 Mangfall Die historischen HQ30-Hochwasserschutzanlagen an der Mangfall werden derzeit im Zuge des inzwischen weit fortgeschrittenen Hochwasserschutzkonzeptes Mangfalltal saniert oder neu errichtet. Sie wurden während des Hochwassers 2013 mit HQ50 bis HQ100 beaufschlagt. Der Bemessungswasserspiegel der sanierten oder neuerrichteten Hochwasserschutzanlagen wurde dabei in einigen Abschnitten erreicht oder überschritten, die noch nicht sanierten Altanlagen entsprechend überlastet. An den Pegeln Bad Aibling und Rosenheim wurden dabei die bisher größten Wasserstände registriert. Abb. 12 Rosenheimer Ortsteil Schwaig an der Mangfall (Hajo Dietz Fotografie, Bunzlauer Straße 63, D Nürnberg) In der Folge kam es zu erheblichen Überschwemmungen und Schäden in Rosenheim, Kolbermoor und Bad Aibling. Während die sanierten Hochwasserschutzanlagen in diesem Abschnitt das Hochwasserereignis abgesehen von einzelnen, wegen der hier vorhandenen erosionsstabilen Innendichtungssysteme unproblematischen Erosionsschäden auf wasserseitigen Böschungen schadlos überstanden, wurden sowohl die noch nicht sanierten Deichabschnitte als auch die nicht mit Hochwasserschutzanlagen gesicherten Uferbereiche (z.b. Straßendämme) kritisch bis überkritisch belastet. Trotz Überströmung und massiver Erosionsschäden konnte der linksseitige, noch nicht sanierte Deich im Bereich Kolbermoor verteidigt und gehalten werden. Hierdurch

17 konnte eine verheerende Überschwemmung der Kernstadt Rosenheim abgewendet werden. In den südlich der Mangfall gelegenen Ortsteilen von Kolbermoor und Rosenheim konnten Überflutungen bebauter Bereiche trotz massiver und umfangreicher Verteidigungs- und Notfallmaßnahmen nicht verhindert werden. Dabei kam es sowohl zur Überströmung von Hochwasserschutzanlagen als auch zu Ausuferungen in nicht durch Hochwasserschutzanlagen gesicherten Gewässerabschnitten (vgl. Abb. 12). Nach Abschluss des Hochwasserschutzkonzeptes Mangfall einschließlich des Flutpolders Feldolling werden die beim Hochwasser 2013 noch erkennbaren Schwachstellen einem durchgehenden, auf HQ100 konzipierten Schutzsystem gewichen sein Zusammenfassung und Ausblick Diese Zusammenstellung verdeutlicht, dass im Zuge des Aktionsprogramms 2020 durchgeführte Maßnahmen einen wirksamen Beitrag zu Hochwasserschutz darstellen. Das Hochwasserereignis 2013 verdeutlicht aber auch, dass selbst ein allen Anforderungen genügender technischer Hochwasserschutz hinsichtlich der Schutzfunktion stets limitiert ist. Dabei muss durch Planung, Betrieb und Unterhalt von technischen Hochwasserschutzanlagen sichergestellt werden, dass beim Überschreiten der Bemessungsansätze das Schadensrisiko für die geschützten Bereiche z.b. infolge schlagartigen Versagens nicht erhöht werden. Abb. 13 Sofortmaßnahmen, Einbau von Stahlspundwänden im Bereich der Deichbruchstelle Auterwörth an der Donau (WWA Deggendorf, 2013) Dies erfordert angepasste bauliche Lösungen des technischen Hochwasserschutzes. Mit dem sogenannten systemischen Hochwasserschutz kann die Sytemresilienz entscheidend verbessert werden, damit eine Überlastung von Hochwasserschutzanlagen nicht zu

18 12 unkalkulierbaren Schäden führt. Dazu zählen Flutpolder für eine gesteuerte Entlastung, aber auch gezielt errichtete Überlaufstrecken zur ungesteuerten Entlastung in geeignete natürliche Hochwasserrückhalteräume. Schadlos überlastbare Bauwerke, wie z.b. massive Hochwasserschutzwände und Deiche mit statisch wirksamen Dichtungssystemen für systemrelevante Hochwasserschutzanlagen ergänzen und vervollständigen resiliente Schutzsysteme (vgl. Abb. 13). Das Deichversagen an der Tiroler Ache verdeutlicht zudem, das technischer Hochwasserschutz ein angepasste Nutzung und Gestaltung insbesondere durchströmter Vorländer beinhalten muss. Vorlandmanagement ist demnach zur Sicherstellung der Gebrauchstauglichkeit von Hochwasserschutzanlagen zwingend erforderlich. Mit Fortschreibung des Aktionsprogramms 2020 (2020plus) sollen genau diese Schwerpunkte stärker betont werden. Literatur Bayerisches Landesamt für Umwelt (LfU, 2013): Junihochwasser 2013 Wasserwirtschaftlicher Bericht, Augsburg VAL(artdtl.htm,APGxNODENR:84,AARTxNR:lfu_was_00087,USERxBODYURL:artdtl.htm,KATA LOG:StMUG,AKATxNAME:StMUG,ALLE:x)=X Bundesanstalt für Gewässerkunde (Hrsg.): Das Juni-Hochwasser des Jahres 2013 in Deutschland. BfG Bericht Nr. 1793, Koblenz 2013 Bundesanstalt für Gewässerkunde (Hrsg.): Länderübergreifende Analyse des Juni-Hochwassers BfG Bericht Nr. 1797, Koblenz 2013 Deutscher Wetterdienst (Hrsg.): Das Hochwasser an Elbe und Donau im Juni Wetterentwicklung und Warnmanagement des DWD. Hydrometeorologische Rahmenbedingungen. Offenbach 2013 Anschrift des Verfassers Uwe Kleber-Lerchbaumer Bayerisches Landesamt für Umwelt Referat 62 Wasserbautechnik Haunstetter Str. 112 D Augsburg Tel.: +49 0/ uwe.kleber-lerchbaumer@lfu.bayern.de

19 Naturmessungen an der Elbe während des Hochwassers 2013 zur Validierung numerischer Modelle Christoph Heinzelmann, Nils P. Huber und Matthias Alexy Kurzfassung Naturmessdaten bilden eine wesentliche Grundlage für die Untersuchung hydro- und morphodynamischer Prozesse in den Bundeswasserstraßen und sind damit unerlässlich für die Beantwortung flussbaulicher Fragestellungen. Da gegenständliche und numerische Modellierungen wesentliche Stützpfeiler der fachwissenschaftlichen Arbeit der Bundesanstalt für Wasserbau (BAW) darstellen, sind regelmäßig hochwertige Naturmessdaten erforderlich. Ihr Bedarf wird durch die Anforderungen aus Modellaufbau, - kalibrierung und -validierung bestimmt. Während des extremen Hochwassers an der Elbe im Juni 2013 hat die BAW hydraulische Naturmessungen durchführen lassen. Die dabei gewonnenen Daten wurden unter anderem zur Validierung des 2D-hydronumerischen Modells für den 25 km unterhalb von Wittenberge gelegenen Abschnitt der Deichrückverlegung Lenzen genutzt. Für das Hochwasserereignis 2013 liefern die Modellrechnungen der BAW eine rechnerische Absenkung der Wasserspiegellagen in Höhe von maximal 37 cm als Wirkung der Deichrückverlegung. 1 Einleitung Als Grundlage für ihre verkehrswasserbaulichen Untersuchungen führt die BAW in enger Abstimmung mit den Dienststellen der Wasser- und Schifffahrtsverwaltung des Bundes (WSV) und der Bundesanstalt für Gewässerkunde (BfG) hydraulische und morphologische Naturmessungen durch. Diese Messungen umfassen das gesamte Abflussspektrum. Die erhobenen Daten dienen als Grundlage für Untersuchungen zum Betrieb und zur Unterhaltung der Wasserstraßen sowie für die Planung und die Umsetzung von verschiedensten wasserbaulichen Maßnahmen. Naturmessungen bei Hochwasser können direkt für die Erfolgskontrolle von Hochwasserschutzmaßnahmen genutzt werden. Die Deichrückverlegung bei Lenzen an der Elbe, ca. 25 km stromab von Wittenberge gelegen und im Jahr 2009 baulich fertiggestellt, ist hierfür ein Beispiel. Insgesamt haben Naturmessdaten eine große Bedeutung für die Sicherung der Qualität von Simulationsmodellen, die an der BAW betrieben werden. Der vorliegende Beitrag greift Beispiele für hydraulische und morphologische Fragestellungen aus dem Aufgabenbereich der BAW an der deutschen Binnenelbe auf und

20 14 umreißt die Notwendigkeit für und die Vielfalt an erhobenen Naturmessdaten. Die Bedeutung der im Zusammenhang mit dem Hochwasser im Juni 2013 an der Elbe gewonnenen Messdaten wird anhand der wiederholt erfolgreichen Validierung des 2Dhydronumerischen Modells Lenzen dargestellt. 2 Ausgewählte Fragestellungen an der deutschen Binnenelbe Die deutsche Binnenelbe ist über ihre gesamte Länge von nahezu 600 km zwischen der deutsch-tschechischen Grenze bei Schöna und Geesthacht, mit Ausnahme des durch das Wehr Geesthacht (El-km 585,9) hervorgerufenen Staus, frei fließend. Sie ist durch annähernd Buhnen und über 300 km Deck- und Parallelwerke über weite Strecken geregelt (PG Erosionsstrecke Elbe, 2009). Entlang des Flusslaufs ist die BAW in eine Vielzahl von Projekten eingebunden. Fachliche Herausforderungen ergeben sich dabei aus dem Zusammenspiel von natürlichen Prozessen, anthropogenen Einflüssen, der Historie des Elbeausbaus und den Folgen der deutschen Teilung. Die BAW unterstützt die WSV intensiv in der hydraulischen und morphologischen Gesamtbetrachtung der Elbe. Die Elbe weist vor allem in der Erosionsstrecke zwischen Mühlberg (El-km 121) und der Saalemündung (El-km 291) seit Beginn des verkehrlich veranlassten Mittelwasserausbaus im 19. Jahrhundert eine bis heute anhaltende Sohlenerosion von im Mittel mehr als 1 cm/a auf (Faulhaber, 2013a). Konzepte zur dynamischen Sohlenstabilisierung umfassen ein breites Portfolio an Maßnahmen wie z. B. Anpassungen des Stromregelungssystems, abschnittsweise Sohlensicherungen, angepasste Geschiebebewirtschaftung sowie Umgestaltung der Vorländer und Auen (PG Erosionsstrecke Elbe, 2009). Die große Zahl an Stromregelungsbauwerken an der Elbe bedingt eine dauerhafte Instandhaltung und, auch mit Bezug zur in weiten Teilen hohen Sohlendynamik sowie der sie überlagernden langfristigen Sohlenentwicklung, eine bedarfsweise höhen- und lagebezogene Anpassung der Bauwerke an Veränderungen im Fluss. In den vergangenen Jahren wurden auch alternative Buhnenbauweisen untersucht, die neben den verkehrlichen Zielen auch ökologische Anforderungen erfüllen. Eine Diversifizierung der Sohlenstrukturen und der Strömungsbedingungen in den Buhnenfeldern ist dabei erwünscht. Während Knickbuhnen und Kerbbuhnen als wirkungsvolle geometrische Alternativen zu den klassischen Bauformen gelten (Henning & Hentschel, 2013), werden seit einigen Jahren auch alternative Baustoffe wie Totholz eingesetzt. Die Umgestaltung der Vorländer und Auen, z. B. in Form einer Reaktivierung von Altarmen oder der Nutzung von vormals eingedeichten Gebieten zur Hochwasser-

21 retention oder Hochwasserabfuhr, führt im Hochwasserfall zu einer Umverteilung der Abflüsse. Im Ergebnis treten im Fluss Veränderungen des Sedimenttransportvermögens auf (Heinzelmann et al, 2014), die auch mit Blick auf die Sicherheit und Leichtigkeit der Schifffahrt zu bewerten sind. Ein Beispiel für solche Maßnahmen ist die Deichrückverlegung Lenzen im Naturschutzgroßprojekt Lenzener Elbtalaue, deren Planung und Umsetzung von der BAW intensiv begleitet wurde Naturmessungen im Flussbau 3.1 Bedarf an Naturmessungen Bereits für die Erfassung und Strukturierung von konkreten Fragestellungen, wie sie in Kapitel 2 skizziert wurden, ist ein grundlegendes Prozessverständnis in Bezug auf die Hydro- und Morphodynamik unerlässlich. Sowohl der WSV als auch den beiden Oberbehörden BAW und BfG kommt daher die bedeutsame Aufgabe zu, Naturdaten regelmäßig und für eine möglichst großen Bandbreite an hydrologischen und morphologischen Randbedingungen zu erheben, zu interpretieren und für weiterführende Untersuchungen bereitzustellen (Faulhaber, 2013b). Der BAW stehen für ihre technisch-wissenschaftlichen Untersuchungen im Bereich Hydraulik und Feststofftransport folgende Methoden zur Verfügung: Trendanalysen Naturversuche Experimentelle Grundlagenuntersuchungen, zumeist in Laborrinnen Untersuchungen anhand maßstäblicher gegenständlicher Modelle Numerische Modellierungen Vor allem für die Durchführung von Modelluntersuchungen liefern Naturmessungen wertvolle Grundlagendaten. Aus ihnen lassen sich Randbedingungen ableiten, auf ihrer Grundlage lassen sich zu untersuchende, stimmige Szenarien definieren und nicht zuletzt sind sie ein wesentlicher Baustein bei der Qualitätssicherung der eingesetzten Modelle im Rahmen von Kalibrierung und Validierung. 3.2 Art und Umfang von Naturmessungen an der Elbe Die Beantwortung flussbaulicher Fragestellungen setzt das Vorhandensein hydrologischer, hydraulischer, morphologischer, sedimentologischer und topographischer/bathymetrischer Daten voraus. Während seitens der WSV regelmäßige Datenerhebungen im Rahmen ihrer Aufgabenerledigung hinsichtlich der Gewährleistung von Sicherheit und

22 16 Leichtigkeit des Schiffsverkehrs durchgeführt werden, zielen Datenerhebungen seitens der BAW auf die Beantwortung spezifischer Fragestellungen. Sondermessungen der BAW umfassen beispielsweise: Wasserspiegelfixierungen bei bestimmten Abflüssen Hydraulische Messungen (profilbasierte oder flächige Geschwindigkeiten und Durchflüsse), insbesondere in den Seitenbereichen des Gewässers Hydraulische Messungen zur Ermittlung der Abflussaufteilung Sonderpeilungen der Gewässersohle Die BAW-Messungen stehen zumeist in unmittelbarem Zusammenhang mit flussbaulichen Maßnahmen und Untersuchungen in deren Umfeld oder sind konkret am Bedarf der an der BAW eingesetzten, komplexen gegenständlichen oder numerischen Modelle orientiert. Hieraus resultiert auch die Veranlassung von Messungen bei außergewöhnlichen Ereignissen wie während des Hochwassers im Juni Das Hochwasser 2013 an der Elbe 4.1 Meteorologischer und hydrologischer Hintergrund Im Zeitraum zwischen Ende Mai und Mitte Juni 2013 waren mehrere Bundeswasserstraßen und deren Zuflüsse durch Hochwasser betroffen. Am stärksten betroffen waren Elbe und Donau, wo über weite Strecken neue Rekord-Wasserstände beobachtet wurden. Nach den Hochwasserereignissen in den Jahren 2002, 2006 und 2011 war die Elbe damit in kurzer Zeit erneut großräumig betroffen. Auf einen niederschlagsreichen und kühlen Frühling, der zu einer sehr hohen Bodenfeuchte geführt hatte, folgte Ende Mai 2013 eine durch mehrtägigen Dauerregen geprägte Großwetterlage des Typs Tief Mitteleuropa. Besonders niederschlagsreich im Elbeeinzugsgebiet waren auf deutscher Seite der Thüringer Wald und das Erzgebirge. Auf tschechischer Seite wurde das Hochwasser insbesondere durch den Abfluss der Moldau bestimmt (BfG, 2013). 4.2 Einordnung des Ereignisses Während der Scheitelwasserstand in Dresden im Jahr 2013 unterhalb des Hochwasserscheitels von 2002 blieb, führten im weiteren Verlauf vor allem die linkselbischen Zuflüsse Mulde und Saale zu einer deutlichen Zunahme des Abflusses. Sowohl entlang der Elbe als auch an den Nebenflüssen traten gegenüber dem Hochwasser 2002

23 weniger Deichbrüche auf, die den Hochwasserscheitel hätten abmindern können (BfG, 2013). Tabelle 1 Überschreitung der höchsten bisher gemessenen Hochwasser (HHW) durch das Hochwasser 2013 an ausgewählten Pegeln (BfG, 2013) Pegel Neuer HHW [cm ü. PNP] Differenz zum bisherigen HHW [cm] Coswig (El-km 236) Magdeburg-Buckau (El-km 325) Tangermünde (El-km 388) Lenzen (El-km 485) In der Gesamtwirkung der überlagerten Abflüsse aus den einzelnen Teileinzugsgebieten zeigten sich im Hochwasserverlauf ein fortschreitender Anstieg und eine deutliche Verlängerung des Elbescheitels. Durch die Deichbrüche bei Klein Rosenburg im Elbe-Saale-Winkel und bei Fischbeck stromab von Magdeburg wurde der Anstieg abgemindert. Zwischen Coswig (El-km 236) und Geesthacht wurden dennoch auf großen Strecken die bisherigen höchsten jemals gemessenen Hochwasserstände teilweise deutlich überschritten (vgl. Tab. 1). Abb. 1 zeigt den Verlauf des Hochwassers im Juni 2013 beispielhaft anhand der am Pegel Lenzen (El-km 485) aufgezeichneten Wasserstände im Vergleich zu den vorangegangenen Hochwasserereignissen der Jahre 2002, 2006 und Das Hochwasser begleitende Naturmessungen Im Auftrag der BAW wurden im Zeitraum zwischen 7. und 13. Juni 2013 den Hochwasserscheitel begleitende durchgehende Wasserspiegellagenmessungen zwischen Riesa (El-km 107) und Geesthacht (El-km 580) durchgeführt (Abb. 2) (IB Schmid, 2013a). Die Messergebnisse lieferten über weite Strecken der Binnenelbe den Verlauf des Wasserspiegels nahe am Hochwasserscheitel in einem zusammenhängenden, in der Flussachse gemessenen Längsschnitt. Diese Daten wurden durch ADCP-Durchflussmessungen an den während der Wasserspiegelfixierung passierten Pegeln sowie an hydraulisch besonders interessanten Querschnitten flankiert. Sie stehen damit für die Kalibrierung und Validierung von großräumigen Modellen zur Verfügung.

24 18 Abb. 1 Vergleich der Wasserstandsganglinien am Pegel Lenzen (El-km 485) für die Hochwasserereignisse 2002, 2006, 2011 und 2013 Zu den lokalen Messungen gehörten z. B. Messungen entlang eines mehr als m langen Querprofils über den Flussschlauch und die Vorländer bei Klöden bei El-km 190 mit dem Ziel, die Abflussaufteilung zwischen Flussschlauch und Vorländern zu ermitteln (IB Schmid, 2013a). Für diesen Bereich betreibt die BAW ein 3Dhydronumerisches Modell, da dort im Rahmen der Umsetzung des Sohlenstabilisierungskonzepts unter anderem eine Altarmanbindung vorgesehen ist (PG Erosionsstrecke Elbe, 2009). Kurz nach dem Hochwasser wurden zwischen 27. und 30. Juni 2013 bei Bedingungen zwischen Mittelwasser (MW) und dem höchsten schiffbaren Wasserstand (HSW) ADCP-Durchflussmessungen an drei Standorten in 17 Buhnenfeldern durchgeführt (IB Schmid, 2013b). An diesen Standorten wurden in der Vergangenheit alternative Buhnenbauweisen realisiert. Die Messdaten können für die langfristige Bewertung von Sohlendynamik und hydraulischen Veränderungen in den Buhnenfeldern genutzt werden. Weitere, das Hochwasserereignis begleitende Naturmessungen wurden unter Federführung der BfG, beispielsweise in Form von Befliegungen, und der betroffenen Bundesländer durchgeführt. Im Auftrag des Wasser- und Schifffahrtsamts Dresden wurde im Zeitraum 18. bis 26. Juni 2013 eine weitere großräumige Wasserspiegelfixierung bei fallenden Wasserständen (ca. 2 MQ) für die gesamte deutsche Binnenelbe durchgeführt.

25 19 Abb. 2 Übersicht der im Auftrag der BAW durchgeführten Naturmessungen an der deutschen Binnenelbe während des Hochwassers im Juni 2013 Ein erster Schwerpunkt der Messdatenauswertung durch die BAW lag in der modellbasierten Betrachtung der Wirkung der Deichrückverlegung Lenzen auf die hydraulische Situation beim Hochwasser 2013, über die nachfolgend berichtet wird. 5 Wirkung der Deichrückverlegung Lenzen 5.1 Beschreibung der Deichrückverlegung Die Deichrückverlegung Lenzen-Wustrow bildet die zentrale Maßnahme des Naturschutzgroßprojekts Lenzener Elbtalaue. Hauptaugenmerk gilt der Wiederherstellung einer naturnahen dynamischen Auenlandschaft (Damm, 2013). Ihre Lage im unmittelbaren Nahbereich zum Bösen Ort bei El-km 477 (Abb. 3) zeigt ihre über die naturschutzfachlichen Aspekte hinausgehende Bedeutung. Diese scharfe Linkskrümmung im Verlauf der Elbe wurde bereits in sehr frühen Aufzeichnungen als im Hochwasserfall besonders kritisch und als eine bei Niedrigwasser die Schifffahrt einschränkende Stelle benannt.

26 20 Anstelle einer Deichsanierung wurde ein 6,1 km langer neuer Deich zwischen El-km 476,7 und El-km 483,7 in rückverlegter Lage errichtet und dadurch eine Fläche von 420 ha an neuem Vorland geschaffen (Schmidt, 2013). Die Maßnahme, die mit der Öffnung von sechs Deichschlitzen im Altdeich im Jahr 2009 abgeschlossen wurde, ist damit die bisher größte ihrer Art in Deutschland. Das Rückdeichungsgebiet ist geprägt durch zahlreiche Flutmulden sowie durch einen, das neu geschaffene Vorland durchschneidenden und an drei Stellen mit Durchlässen versehenen Fährdamm (Abb. 3). 5.2 Das numerische Modell der BAW Die BAW ist seit dem Jahr 1995 intensiv in das Projekt Deichrückverlegung Lenzen eingebunden, zuerst im Rahmen der Variantenplanung und nach Schlitzung des Altdeiches in die Erfolgskontrolle sowie das begleitende Monitoring. Aktuell betreibt die BAW ein stationäres 2D-hydronumerisches Modell für den Bereich El-km 470 bis El-km 489,5, das auch die rückgedeichten Flächen zwischen der alten und neuen Deichlinie beinhaltet. Die gewählte räumliche Auflösung mit Elementkantenlängen von 2 m erlaubt eine ausreichend detaillierte Abbildung der Strömungsbedingungen vor allem auch in Bezug auf die durch die sechs Deichschlitze geprägte komplexe Abflussaufteilung. Das Modell wurde in einem breiten Abflussspektrum zwischen Niedrigwasser und Hochwasser für den Ausgangszustand ohne Deichrückverlegung kalibriert und validiert (Alexy, 2013). Für den Zustand nach erfolgter Deichrückverlegung und Schlitzung des Altdeiches wurden bereits Validierungsrechnungen für die Hochwasserereignisse aus dem Frühjahr 2010, dem Herbst 2010 und dem Winter 2011 erfolgreich durchgeführt. 5.3 Modellierung für das Hochwasser 2013 Die im Auftrag der BAW durchgeführten scheitelnahen Wasserspiegelfixierungen fanden im Bereich der Deichrückverlegung Lenzen am 11. Juni 2013 von oberstrom über den Rückverlegungsbereich hinaus bis El-km 485 und am 12. Juni 2013 ab dieser Stationierung statt. Die Messungen repräsentieren damit einen Zustand kurz nach dem Scheiteldurchgang am Pegel Lenzen am 10. Juni 2013 (Abb. 1). Den beiden Messtagen sind die Durchflüsse Q = m³/s und Q = m³/s zuzuordnen (Abb. 4).

27 21 Abb. 3 Lageplan der Deichrückverlegung Lenzen Abb. 4 Während des Hochwassers 2013 gemessener Wasserspiegelverlauf sowie berechnete Verläufe für die Zustände mit und ohne Deichrückverlegung

28 22 Die mit dem vorliegenden Modell durchgeführten Berechnungen zeigen entsprechend Abb. 4 eine gute Übereinstimmung mit den Messdaten. Die für die Abflusssituation durchgeführte Berechnung für den Zustand vor der Deichrückverlegung weist als Wirkung der Maßnahme eine Absenkung des Wasserspiegels von maximal 37 cm unmittelbar am ersten Deichschlitz aus. Am 14. Juni 2013 wurden bei einem Abfluss von m³/s Durchflussmessungen an den sechs Schlitzen im Altdeich durchgeführt. Die Summe des über das Deichrückverlegungsgebiet abgeführten Abflussanteils stimmt zwischen der auch hierfür durchgeführten Simulationsrechnung und der Messung gut überein (Abb. 5). Abb. 5 Gegenüberstellung von gemessenen ( Natur ) und berechneten ( Modell ) Abflüssen durch die Schlitze im Altdeich während des Hochwassers im Juni 2013 (negative Vorzeichen bedeuten einen Gebietsausstrom)

29 Die hohe Auflösung des Modells erlaubt auch die zielgerichtete Betrachtung und Interpretation hydraulischer Prozesse auf vergleichsweise kleiner räumlicher Skala. Vor diesem Hintergrund ist die Modellvalidierung anhand von lokal im Bereich der Deichschlitze aufgenommenen hydraulischen Messdaten eine wichtige Qualitätskomponente. Für den Schlitz 2 werden für das jüngste Ereignis, wie auch bereits für früher betrachtete Hochwasserereignisse, zu hohe Durchflüsse berechnet, was eventuell in einer fehlerhaft abgebildeten Schlitzgeometrie begründet sein kann. Für den Schlitz 3 lässt sich in der Zusammenschau von Messungen bei verschiedenen Hochwasserereignissen eine nahezu kontinuierliche Abnahme der Leistungsfähigkeit feststellen. Die Topographie und die sich heute, nach mehrjähriger Sukzession darstellende Bewuchssituation sollten daher in einem Folgeschritt aufgenommen und mit den Ansätzen im Modell verglichen werden. Insgesamt sind die erzielten Ergebnisse als sehr zufriedenstellend und das Modell auch für extreme Ereignisse als aussagekräftig zu bewerten. Über die genannten Naturmessdaten hinaus stehen weitere, kontinuierlich aufgezeichnete Daten von insgesamt sechs stationären Oberflächenwasserspiegel-Messstellen im rückgedeichten Gebiet und zahlreichen Grundwassersmessstellen innerhalb und außerhalb der neuen Deichlinie für weitergehende Auswertungen und Vergleiche zur Verfügung Ausblick Bereits die bisherige Auswertung eines Teils der umfangreichen, während des Hochwassers im Juni 2013 gewonnenen Naturmessdaten zeigt den hohen Wert der Daten. Die Ergebnisse zur Validierung des numerischen Modells für die Deichrückverlegung Lenzen belegen die Bedeutung von Naturmessungen bei seltenen, extremen Ereignissen und rechtfertigen den mit ihrer Erhebung verbundenen Aufwand. Die Auswertung des Großteils der verfügbaren Daten und deren Interpretation im gesamten hydraulischen und morphologischen Kontext für die Elbe stehen aktuell noch aus. Über sie wird zu gegebener Zeit an anderen Stellen berichtet werden. Literatur Alexy, M. (2013) Numerische Modelluntersuchungen zu den Auswirkungen der Deichrückverlegung Lenzen und von geplanten Vorlandanpflanzungen. In: Die Deichrückverlegung bei Lenzen an der Elbe. BAWMitteilungen Nr. 97; Karlsruhe: Bundesanstalt für Wasserbau, pp BfG (2013) Länderübergreifende Analyse des Juni-Hochwassers Bericht BfG-1797; Koblenz: Bundesanstalt für Gewässerkunde.

30 24 Damm, C. (2013) Deichrückverlegung Lenzen-Wustrow Geschichte und Umsetzung im Rahmen eines Naturschutzgroßprojektes. In: Die Deichrückverlegung bei Lenzen an der Elbe. BAWMitteilungen Nr. 97; Karlsruhe: Bundesanstalt für Wasserbau, pp Faulhaber, P. (2013a) Niedrigwasserereignisse an der Elbe und ihre Bedeutung für den Ausbau des Flusses. In: Wissen was war - Rückblick auf hydrologische Extremereignisse. Kolloquium am 16./17. Oktober 2012, Koblenz. Veranstaltungen 1/2013; Koblenz: BfG, pp Faulhaber, P. (2013b) Zusammenschau und Analyse von Naturmessdaten. In: Die Deichrückverlegung bei Lenzen an der Elbe. BAWMitteilungen Nr. 97; Karlsruhe: Bundesanstalt für Wasserbau, pp Heinzelmann, C., Schmidt, A., Weichert, R. (2014) Methodeneinsatz bei morphologischen Fragestellungen an Bundeswasserstraßen. In: Simulationsverfahren und Modelle für Wasserbau und Wasserwirtschaft. 37. Dresdner Wasserbaukolloquium 2014 am 13./14. März 2014, Dresden. Mitteilungen; Dresden: Institut für Wasserbau und Technische Hydromechanik, pp Henning, M., Hentschel, B. (2013) Sedimentation and Flow Patterns Induced by Regular and Modified Groynes on Elbe River, Germany. Ecohydrology. 6(4), pp IB Schmid (2013a) Wasserspiegelfixierung auf der Elbe während des Hochwassers im Juni 2013 (Messungen vom 07. Juni bis 14. Juni 2013). Kapsweyer: Ingenieurbüro Schmid (im Auftrag der BAW, unveröffentlicht) IB Schmid (2013b) Sondermessungen auf der Elbe bei HW in Messabschnitten im Bereich Elbe-km 410 bis 450 Schwerpunkt Buhnenfelder (Messungen vom Juni 2013). Kapsweyer: Ingenieurbüro Schmid (im Auftrag der BAW, unveröffentlicht) PG Erosionsstrecke Elbe (2009) Sohlstabilisierungskonzept für die Elbe von Mühlberg bis zur Saalemündung. Magdeburg: WSD Ost. Schmidt, R.. (2013) Die Deichrückverlegung Wustrow-Lenzen Planung und Umsetzung aus Sicht des Bauherrn. In: Die Deichrückverlegung bei Lenzen an der Elbe. BAWMitteilungen Nr. 97; Karlsruhe: Bundesanstalt für Wasserbau, pp Anschrift der Verfasser Prof. Dr.-Ing. Christoph Heinzelmann Dr.-Ing. Nils P. Huber und Dipl.-Ing. Matthias Alexy Bundesanstalt für Wasserbau Kußmaulstr Karlsruhe christoph.heinzelmann@baw.de

31 Hochwasserschutz an der Donau zwischen Straubing und Vilshofen Teil 1: Bestehende Anlagen, Sofortprogramm 2013/2014 Wolf-Dieter Rogowsky Kurzfassung An der Donau zwischen Straubing und Deggendorf wurde ab 1927 bis in die 1950er Jahre ein durchgehendes Deichsystem mit rund 200 km Deichen und 40 Schöpfwerken errichtet. Aus heutiger Sicht bietet dieses System nur Schutz vor einem 30-jährlichen Hochwasser. Nach dem heute in Bayern gültigen Ziel eines Schutzgrades von HQ100 für geschlossene Siedlungsbereiche und wichtige Infrastruktureinrichtungen sind die Deiche in der Regel um mehr als einen Meter zu niedrig. Ein Ausbau der Hochwasserschutzanlagen erfolgte bisher nur in Teilabschnitten, insbesondere in den dicht besiedelten Stadtbereichen von Deggendorf (Altstadt), Straubing und Bogen. Beim Hochwasser vom Juni 2013 brachen durch ein etwa 100-jährliches Hochwasser im Bereich der Isarmündung und unterhalb zwei Deiche, durch die insbesondere die Deggendorfer Ortsteile Fischerdorf und Natternberg und die Ortschaft Niederalteich zum Teil mehrere Meter hoch überflutet wurden Nach dem Hochwasser 2013 wurde ein umfangreiches Sofortprogramm zur Wiederherstellung und Sicherung der Hochwasserschutzanlagen aufgelegt. Allein im Bereich des Wasserwirtschaftsamts Deggendorf sollen im Rahmen dieses Programms bis Ende 2014 unter anderem rund 59 km Deiche mit Innendichtungen ausgestattet werden. 1 Bestehender Hochwasserschutz zwischen Straubing und Vilshofen 1.1 Gewässerkundliche Grunddaten Die frei fließende rund 70 km lange Donaustrecke zwischen Straubing und Vilshofen ist durch die Mündung der Isar kurz unterhalb Deggendorf in zwei sowohl von der Hydrologie als auch der Gewässermorphologie unterschiedliche Abschnitte geteilt. Repräsentativ ist für den Abschnitt oberhalb der Isarmündung der Pegel Pfelling, für den Abschnitt unterhalb der Pegel Hofkirchen.

32 26 Tabelle 1 Hydrologische Kennwerte Kennwerte Pegel Pfelling Pegel Hofkirchen Lage (Donau-km) 2305, ,86 Einzugsgebiet (km 2 ) MNQ (m 3 /s) MQ (m 3 /s) MHQ (m 3 /s) HQ100 (m 3 /s) Das mittlere Gefälle oberhalb der Isarmündung ist mit rund 0,1 %0 deutlich geringer als unterhalb, wo im Mittel rund 0,3 %0 erreicht werden. Ursächlich für diesen Gefälleknick im Bereich der Isarmündung ist die beinahe rechtwinklig auf die Donau zulaufende Isar mit ihrem früher hohen Geschiebetrieb, der durch die Mittelwasserkorrektionen der Isar im 19. Jahrhundert zeitweise deutlich verstärkt wurde. 1.2 Grundwasserverhältnisse Die für die Flussmorphologie und das obere Grundwasserstockwerk maßgebenden oberen Schichten bestehend aus wenig durchlässigen Auelehmen mit einer Mächtigkeit bis zu mehreren Metern, darunter dem bis zu 10 m mächtigen quartären Kiesgrundwasserleiter und als Stauer wenig durchlässige tertiäre Schichten. Der quartäre Grundwasserleiter korrespondiert mit dem Wasserstand der Donau und ist teilweise bereits bei Niedrigwasserverhältnissen gespannt. 1.3 Errichtung des Hochwasserschutzsystems Als Folge einer ungewöhnlichen Häufung von Hochwassern in den 1920er Jahren wurde im Donauabschnitt zwischen Straubing und Pleinting von 1927 bis in die 1950er Jahre ein durchgehendes Hochwasserschutzsystem mit überwiegend geschlossenen Poldern errichtet. Das Konzept enthält drei wesentliche Elemente: Errichtung von linienförmigen Hochwasserschutzanlagen entlang der Donau Bedeichung bis an den Hochrand (zum Teil in Form von Rücklaufdeichen entlang der Nebengewässer) und teilweise Verlegung der großen in die Donau einmündenden Seitengewässer (Ableiter) Bau eines Binnenentwässerungssystems in den eingedeichten Poldern

33 Das Hochwasserschutzsystem hat im Bereich Straubing Vilshofen eine Länge von rund 200 km. Da das Ziel der damaligen Maßnahmen auch der Schutz landwirtschaftlicher Flächen war, wurden die Deichlinien so nahe wie möglich an die Donau herangelegt. Unter anderem auf der Basis von Modellversuchen wurde ein mittlerer Deichabstand von etwa 500 m gewählt und der Deichverlauf insbesondere in den Krümmungsstrecken optimiert. Die Deiche haben Höhen von 3 4 m, die Deichkronen sind etwa 2 3,5 m breit, die Deichböschungen sind 1:2 1:2,5 geneigt. Als Deichdichtung ist in der Regel eine Lehmpackung auf der Wasserseite eingebaut. Der Stützkörper besteht an den Donaudeichen überwiegend aus Kiesmaterial, an den Rücklaufdeichen häufig aus Sand und Schluff. Auf der Landseite verläuft in der Regel ein Deichhinterweg. Die Polder werden bei Hochwasser in der Regel über Schöpfwerke entwässert. Einige Teilflächen des eingedeichten Gebiets entwässern über Ableiter von Nebengewässern auch bei Hochwasser in freier Vorflut. Insgesamt sind 40 Schöpfwerke und etwa 500 km Binnenentwässerungsgräben vorhanden. Der Planung der Hochwasserschutzanlagen war das Hochwasser der Jahreswende 1882/1883 mit einem Abfluss von rund 3110 m 3 /s (Pegel Pfelling) zu Grunde gelegt worden. Die Deichhöhen wurden theoretisch so bemessen, dass beim Ausbauabfluss noch ein Freibord von 0,8 m vorhanden sein sollte. Die Bemessung war schwierig, da durch die erstmalige systematische Bedeichung der Donauniederung sowohl Abflussbereiche als auch große Überschwemmungsflächen und damit Retentionsräume verloren gingen. Dies führte zu einem zusätzlichen Anstieg des Wasserstandes zwischen den Deichen. Nach den Ergebnissen aktueller hydraulischer Berechnungen liegen die Deichkronen etwa in der Höhe des Wasserstandes bei einem HQ Mit Berücksichtigung eines Freibords wird der Schutzgrad des bestehenden Hochwasserschutzsystems auf etwa HQ30 eingeschätzt. Bei einem HQ100 werden die in den Poldern gelegenen Ortschaften und Verkehrswege bis zu 3 5 m hoch eingestaut. Nach dem heute in Bayern gültigen Ziel eines Schutzgrades von HQ100 für geschlossene Siedlungsbereiche und wichtige Infrastruktureinrichtungen sind die Deiche in der Regel um mehr als einen Meter zu niedrig. Im Vorgriff auf die geplante durchgehende Verbesserung des Schutzgrades für geschlossene Siedlungsbereiche und wichtige Infrastruktureinrichtungen wurden die Hochwasserschutzanlagen bereits seit mehreren Jahrzehnten mit verschiedenen Maßnahmen verbessert. 27

34 Deichbauprogramm 1988 Als Folge des Donauhochwassers vom März 1988 mit einem Deichbruch bei Stadldorf wurde von der Bayerischen Wasserwirtschaftsverwaltung ein Deichbauprogramm für die Donau unterhalb Kelheim erarbeitet. Mit dem Deichbauprogramm wurden Hochwasserschäden behoben und ein Zwischenausbau von großen Teilen der Deichstrecke durchgeführt. Dieser umfasste die Verstärkung und technische Verbesserung von Deichen, die Anlage von Deichwegen und ein umfassendes Sanierungsprogramm für die Schöpfwerke, jedoch keine Erhöhung der Deiche. Insbesondere in den Städten Deggendorf (Altstadtseite), Straubing und Bogen (teilweise) erfolgte im Zuge dieses Programms auch bereits ein Ausbau zum Schutz vor einem HQ100 durch Erhöhung der Deiche auf den bestehenden Deichlinien. 1.5 Vorgezogene Hochwasserschutzmaßnahmen Um eine weitere Verbesserung des Hochwasserschutzes durch die Entscheidung über den Donauausbau nicht zu verzögern, wurde in drei Vereinbarungen (1998, 2003 und 2007) zwischen der Bundesrepublik Deutschland und dem Freistaat Bayern festgelegt, schrittwiese den bestehenden Hochwasserschutz für Siedlungen und hochwertige Infrastruktureinrichtungen durch vorgezogene Hochwasserschutzmaßnahmen, die unabhängig von den Varianten des Donauausbaus sind, auf einen Schutzgrad HQ100 zu verbessern. Dabei wurden zwischen 1998 und 2012 rund 120 Mio. investiert, unter anderem in den Schutz der Stadt Bogen und der Ortschaften Hofkirchen und Pfelling. 1.6 Vorlandmanagement Nach dem Hochwasser vom August 2002 wurde festgestellt, dass die Wasserstände an den Donaupegeln im Abschnitt Straubing Vilshofen deutlich über den bei den entsprechenden Abflüssen zu erwartenden Werten lagen. Nachfolgende Untersuchungen haben gezeigt, dass Abflusshindernisse in den Vorländern durch Änderungen der landwirtschaftlichen Nutzung, insbesondere Maisanbau und durch die Zunahme des Bewuchses für diese Wasserspiegelanhebungen ursächlich sind. Als Sofortmaßnahmen zur Absenkung der Hochwasserstände wurden in den Jahren 2005 bis 2011 in den Vorländern der Baum- und Strauchbewuchs deutlich reduziert und in den Abflussbereichen ein Maisanbauverbot erlassen. 2 Hochwasser vom Juni Hydrologie Zum Ende des bereits von kühlen Temperaturen und stetigen Niederschlägen geprägten Monats Mai setzte großräumig Starkniederschlag ein, der in der Folge zu

35 extremen Hochwasserabflüssen und weiträumigen Überschwemmungen in Bayern führte. Insbesondere im Zeitraum vom 30. Mai bis 3. Juni erreichten die Wasserstände vielerorts neue Rekordstände mit teils katastrophalen Auswirkungen. In Passau wurde am Abend des 3. Juni am Pegel Passau/Donau ein neuer Rekordpegel von beinahe 13 Metern gemessen, rund 70 Zentimeter höher als beim Donauhochwasser 1954 (circa 12,20 Meter), dem größten Donauhochwasser des 20. Jahrhunderts. Das Hochwasserereignis verursachte in Bayern Schäden in Höhe von rund 1,3 Milliarden. Allein an staatlichen Gewässern und Anlagen müssen mehr als 100 Millionen für Sanierungsmaßnahmen und die Beseitigung der Schäden infolge des Hochwasserereignisses aufgewendet werden. Entlang der Donau stiegen die Wiederkehrintervalle des Hochwasserabflusses kontinuierlich von 2 bis 10 Jahren an der Landesgrenze zu Baden-Württemberg und schließlich auf über 100 Jahre an der österreichischen Grenze an. Nahezu alle Donauzuflüsse trugen zum Hochwasser bei, wobei an den südlichen Zuflüssen Paar, Ilm und Isar sowie im Inngebiet an Mangfall, Tiroler Achen, Saalach und Salzach Jährlichkeiten von 100 Jahren und mehr auftraten. Den Bereich Straubing erreichte die Donau mit einer Jährlichkeit von 20 bis 50 Jahren oberhalb der Labermündung bei Straubing. Aufgrund der südlichen und nördlichen Donauzuflüsse unterhalb Straubing erhöhte sich die Jährlichkeit bis zum Pegel Pfelling auf circa 50 Jahre. Im Bereich Deggendorf ist von einem 100-jährlichen Hochwasser auszugehen. Die Isar trug hier mit circa einem Drittel des Gesamtabflusses zum Scheitel bei. Wegen der Deichbrüche in diesem Bereich (Überströmen und Bruch des linken Isardeiches am 4. Juni gegen 12:00 Uhr und Überströmen und Bruch des linken Donaudeiches beim Schöpfwerk Auterwörth am 4. Juni gegen 10:30 Uhr) sank der Wasserstand flussabwärts vorübergehend ab und verringerte die Jährlichkeit am Pegel Hofkirchen von einem circa 100-jährlichem auf ein 20 bis 50-jährliches Ereignis. Der Hochwasserscheitel in Hofkirchen ohne Abminderung durch die Deichbrüche wurde mit Hilfe von Modellsimulationen und Schätzungen des Abflusses durch die Deichbreschen auf Kubikmeter pro Sekunde geschätzt, was einem 100-jährlichen Abfluss entspricht. Im Juli 1954 wurde ein Scheitelabfluss von Kubikmeter pro Sekunde gemessen. Das Rückhaltevolumen infolge der Deichbrüche liegt bei rund 70 Millionen Kubikmeter. 29

36 30 Abb. 1 Jährlichkeiten der Scheitelabflüsse an ausgewählten Gewässern beim Hochwasser im Mai und Juni Quelle: Wasserwirtschaflticher Bericht zum Hochwasser 2013, Bayerisches Landesamt für Umwelt 2014 Abb. 2 Abflussganglinie am Pegel Hofkirchen (

37 Situation im Donauabschnitt Straubing Vilshofen Das Donauhochwasser 2013 mit einem Scheitelabfluss eines 100-jährlichen Hochwassers unterhalb der Isarmündung lag deutlich über den Hochwassern von 1999 und Die bisherigen Höchstwasserstände wurden für alle Hochwasserschutzanlagen überschritten. Unterhalb von Deggendorf bewirkten die Deichbrüche und die dadurch bedingten Flutungen der Polder Natternberg-Fischerdorf und Auterwörth eine deutliche Kappung beziehungsweise Dämpfung des Hochwasserscheitels. Auch die nach 2004 durchgeführten Maßnahmen zum Vorlandmanagement der Donau mit der Abflussertüchtigung der Vorländer haben zu einer wirksamen Absenkung der Wasserspiegellagen auf der Gesamtstrecke um 0,2 bis 0,3 Meter beigetragen. Ohne diese Maßnahmen wären weitere Deichbrüche, zum Beispiel am Öblinger Bruch, Niederalteich oder Osterhofen, sehr wahrscheinlich gewesen. Meldestufe 4 wurde für alle Hochwasserschutzanlagen überschritten. Die bereits auf 100-jährliche Hochwasser bemessenen Hochwasserschutzanlagen oberhalb Straubing, in der Stadt Straubing (Ausnahme Gstütt), in Bogen mit Furth, sowie in Oberalteich, Pfelling, Irlbach Metten, Deggendorf (Stadt) und Hofkirchen waren unkritisch, die hier durchgeführten Maßnahmen haben sich eindrucksvoll bewährt. In den noch nicht auf das 100-jährliche Hochwasser ausgebauten Bereichen kam es zu einer kritischen Belastung der vorhandenen Bauwerke. Mit Ausnahme der Deichbrüche an der Isarmündung und bei Auterwörth konnten diese Deichstrecken jedoch mit massiver Deichverteidigung wie die Aufhöhungen der Deichkrone, Auflastschüttungen und Sandsackverbauungen auf großen Längen stabilisiert und erfolgreich gehalten werden. Kritisch waren insbesondere Deichabschnitte im Polder Sulzbach, bei Metten, Ainbrach, Niederalteich, Winzer, Aicha - Thundorf und Ruckasing. In den genannten Deichabschnitten bestand akute Deichbruchgefahr. Während diese Abschnitte mit massivem Einsatz erfolgreich verteidigt werden konnten, mussten die Polder Fischerdorf und Auterwörth nach Deichbrüchen aufgegeben und evakuiert werden. Die Polderflutungen kappten den Hochwasserscheitel des 100- jährlichen Hochwassers unterhalb der Isarmündung und damit auch den Wasserspiegel entscheidend. Sie entlasteten dadurch die unterstromigen Hochwasserschutzdeiche und ermöglichten letztlich deren erfolgreiche Verteidigung.

38 32 Mehrere Schöpfwerke wurden infolge der Überflutung nach den Deichbrüchen beziehungsweise durch Überlastung beschädigt und mussten nach dem Hochwasserereignis instandgesetzt werden. Zur Polderentwässerung war während und nach dem Hochwasserereignis der Einsatz mobiler Pumpensysteme in großem Umfange notwendig. Der Deichbruch im Bereich der Isarmündung verursachte eine rückwärtige Flutung des Polders Steinkirchen-Fischerdorf (22 bis 24 Quadratkilometer, Flutungstiefe: zwei bis drei Meter), dabei wurde ein Rückhaltevolumen von rund 51 Millionen Kubikmeter aktiviert. Der Aufbau eines Notdeiches an der Bundesautobahn A3 zum Schutz der Deggendorfer Ortsteile Fischerdorf und Natternberg, erwies sich zwar als unwirksam, verzögerte aber den Flutungsverlauf und gewährte einen wichtigen Zeitgewinn für die anlaufenden Evakuierungs- und Sicherungsmaßnahmen. Die Bebauung in Fischerdorf und Natternberg wurde teils mehrere Meter hoch überflutet, ebenso die BAB A3. Der Deichbruch am Schöpfwerk Auterwörth verursachte eine rückwärtige Flutung des Polders Auterwörth. Der Rückstau reichte bis in die Ortschaft Niederalteich (acht bis neun Quadratkilometer, Flutungstiefe: zwei bis 2,5 Meter). Insgesamt wurde ein Rückhaltevolumen von 19 Millionen Kubikmeter aktiviert. Das Versagen der außerplanmäßig belasteten Bestandsdeiche wurde durch Überströmung und Erosion der Binnenböschungen verursacht. Die Breschenbreite betrug etwa 220 Meter. Der Deichquerschnitt wurde bis zum Deichlager abgetragen. Die auf einen deutlichen tieferen Vorflutpunkt ausgelegten Ableiterdeiche an der Hengersberger Ohe wurden nach dem Bruch des Hauptdeiches breitflächig überströmt und brachen beidseitig. Der Markt Winzer und der Markt Hengersberg konnte durch den Bau von Notdeichen entlang der St2125 und massiven Deichverteidigungen vor Überschwemmungen bewahrt werden. Ebenso konnten die Hochwasserschutzanlagen der Polder Thundorf - Aicha, Osterhofen - Künzing und Mühlau durch intensive Verteidigungsmaßnahmen zahlreicher Einsatzkräfte gerade noch gehalten werden. Der Isardeich im Polder Isarmünd wurde zeitweise leicht überströmt, brach aber nicht. 3 Sofortprogramm 2013/2014 Das Hochwasser im Juni 2013 verursachte teilweise massive Schäden an den Deichen im Donauabschnitt Straubing Vilshofen. Einen weiteren Schadensschwerpunkt bildete der Teil- oder Komplettausfall von 12 Hochwasserschöpfwerken mit einer Gesamtleistung von rund l/s. Mit dem Sofortprogramm 2013/2014 wurden die finanziellen und verwaltungsrechtlichen Voraussetzungen geschaffen, das Hochwasserschutzsystem schnellstmöglich im vorher bestehenden Schutzgrad (ca. HQ30) wieder herzustellen und, wo erforderlich, zu verstärken.

39 Noch während des Hochwassers, vor Anlaufen der zweiten Spitze, wurden die gebrochenen Deiche wieder soweit aufgebaut, dass kein weiteres Wasser in die Polder strömen konnte. Unmittelbar nach dem Hochwasserereignis wurden diese Bereiche nach den Regeln der Technik geschlossen und fehlende Deichhinterwege ergänzt. Für das Sofortprogramm im Bereich des Wasserwirtschaftsamts Deggendorf wurden im Jahr 2013 bereits rund 17 Mio. investiert, für das Jahr 2014 sind bereits weitere 30 Mio. genehmigt. Die wesentlichen Projekte im Rahmen des Sofortprogramms sind: 3.1 Wiederherstellung von Deichen / Neubau von Deichhinterwegen Der Wiederaufbau der zwei großen Deichbreschen (Isardeich bei Fischerdorf, Donaudeich bei Auterwörth) auf jeweils rund 300 m und von mehreren kleineren sekundär entstandenen Deichbreschen in den Deichen an der Schwaig-Isar und den Deichen der Hengersberger Ohe wurde bereits kurze Zeit nach dem Rückgang des Hochwassers abgeschlossen. Gleiches gilt für die Sanierung einer Vielzahl von kleineren Deichrutschungen einschließlich Rückbau von während des Hochwassers geschütteten Auflastfiltern. Die wegen einer großflächigen Deichrutschung erforderliche umfassende Sanierung eines Deiches und Neuaufbau des Deichhinterwegs bei Metten auf einer Strecke von rund 1 km ist ebenfalls abgeschlossen. Am linken Isardeich wurde auf einer Strecke von 4,3 km ein Deichhinterweg ergänzt. Die Ausbildung erfolgte als Bermenweg auf einer stark durchlässigen Schotterberme. 3.2 Wiederherstellung der Schöpfwerke Während des Junihochwassers waren zunächst 12 Schöpfwerke mit einer Gesamtleistung von rund l/s ausgefallen (insgesamt ist das WWA Deggendorf derzeit für 49 Schöpfwerke mit einer Gesamtförderleistung von l/s zuständig), davon allein 7 Schöpfwerke durch massive Überflutung durch die Deichbrüche bei Fischerdorf bzw. Auterwörth Die kaum beschädigten Schöpfwerke Öbling I, Steinfürth und Isarmünd, die sicherheitshalber vom Stromnetz genommen wurden, konnten bereits nach einigen Tagen den Betrieb wieder aufnehmen, ebenso das Schöpfwerk Fischerdorf (entspricht ca l/s, also ein Sechstel der ausgefallenen Pumpleistung). Bei den während des Hochwassers überfluteten Schöpfwerken waren in der Regel die elektrischen Schaltanlagen, die Elektromotoren und die Pumpen komplett zu überholen oder zu erneuern. 33

40 34 Zwischenzeitlich sind alle Schöpfwerke wieder mit voller Leistung einsatzfähig. Die Kosten für die Instandsetzungsarbeiten belaufen sich auf rund Einbringen von statisch wirksamen Innendichtungen (Spundwände, Erdbetonwände) Finanzieller Schwerpunkt des Sofortprogramms 2013/2014 ist das Einbringen von statisch wirksamen Innendichtungen (Spundwände, Erdbetonwände) zur Sicherung der Deiche im bestehenden Schutzgrad. Durch das Einbringen von statisch wirksamen Innendichtungen werden beschädigte Deiche stabilisiert und wühltiersicher gemacht, der Schutzgrad wird dabei nicht erhöht, insbesondere ist damit keine überströmungssichere Ausbildung verbunden. Das Einbringen der Innendichtungen ist nach Wasserrecht nicht genehmigungspflichtig und kann daher ohne großen Vorlauf durchgeführt werden. In den Bereichen, wo die bestehenden Deiche Bestandteil des künftigen Schutzes vor HQ100 sein werden, wird die Innendichtung so konzipiert, dass sie sich in den späteren Ausbau einfügt. Dies bedeutet, dass in einzelnen Abschnitten Spundwände für eine gewisse Zeit aus den Deichen herausragen. Bereits 2013 konnten Deichabschnitte mit einer Länge von über 10 km durch Spundwände gesichert werden. Schwerpunkte waren die Isardeiche bei Fischerdorf und die Donaudeiche im Raum Niederalteich. Insgesamt sollen bis Ende 2014 rund 59 km Deiche durch Innendichtungen gesichert werden, die Gesamtfläche beträgt rund m Sonstige Maßnahmen Bestandteil des Sofortprogramms sind auch viele kleinere Maßnahmen zur Instandsetzung von wasserbaulichen und hydrologischen Anlagen und Maßnahmen während des Hochwassers, diese Maßnahmen wurden bereits 2013 weitestgehend abgeschlossen. Anschrift des Verfassers Dipl.-Ing. Wolf-Dieter Rogowsky Wasserwirtschaftsamt Deggendorf Detterstraße Deggendorf wolf-dieter.rogowsky@wwa-deg.bayern.de

41 Hochwasserschutz an der Donau zwischen Straubing und Vilshofen Teil 2: Grundsätze und Gesamtplanung für den Ausbau Markus Schmautz Kurzfassung Für die Verbesserung des Hochwasserschutzes im Donauabschnitt Straubing - Vilshofen wurde ein Gesamtkonzept erarbeitet, das auf den geplanten Ausbau der Wasserstraße abgestimmt ist. In Teilbereichen wurde die Verbesserung des Hochwasserschutzes ab 1998 bereits baulich umgesetzt. Derzeit sind mehrere Maßnahmen im Bau bzw. im Genehmigungsverfahren. Für den ersten Teilabschnitt Straubing bis Deggendorf wird noch in diesem Jahr ein gemeinsames Planfeststellungsverfahren für den Ausbau der Wasserstraße und der Hochwasserschutzanlagen (etwa 45 km Deichlänge) eingeleitet. 1 Ausbau der Wasserstraße und des Hochwasserschutzes zwischen Straubing und Vilshofen In einem 1976 geschlossenen Vertrag haben Bund und Bayern vereinbart, die Binnenentwässerung und den Ausbau des Hochwasserschutzes in die Planungen zum Donauausbau einzubeziehen. Die vom Bund im Einvernehmen mit Bayern mit den Planungen beauftragte RMD hat deshalb in enger Abstimmung mit der Wasser- und Schifffahrtsverwaltung des Bundes und der bayerischen Wasserwirtschaftsverwaltung eine Gesamtplanung für die beiden Vorhaben Donauausbau (mit Anpassung vorhandener Hochwasserschutzanlagen zum Ausgleich ausbaubedingter Veränderungen zur Wahrung der Hochwasserneutralität) und Verbesserung des Hochwasserschutzes (Ertüchtigung auf HW100 unter Beachtung der Anforderungen des Donauausbaus), unter Berücksichtigung der gegenseitigen Abhängigkeiten erstellt. Gegenstand des vorliegenden Beitrags sind ausschließlich die geplanten Hochwasserschutzmaßnahmen.

42 36 2 Ziele der Verbesserung des Hochwasserschutzes Konkretes Ziel der Verbesserung des Hochwasserschutzes ist die Erhöhung des Schutzgrades im bestehenden Hochwasserschutzsystem von etwa HQ30 auf HQ100. Die zugehörigen Wasserspiegellagen sollen so weit abgesenkt werden, dass unter Berücksichtigung aller bisherigen Hochwasserschutzmaßnahmen im Verfahrensgebiet ein einheitlicher Schutzgrad entsteht. Die Erhöhung des Schutzgrades soll für bestehende Siedlungen, Gewerbegebiete und bedeutende Infrastruktureinrichtungen hergestellt werden. Gleichzeitig müssen wesentliche nachteilige Auswirkungen auf die Unterlieger vermieden werden. 3 Elemente und Konzeption des Hochwasserschutzsystems 3.1 Vorhandenes Hochwasserschutzsystem Das bestehende Hochwasserschutzsystem im Bereich Straubing - Vilshofen wurde im Wesentlichen ab 1927 bis in die 1950er Jahre errichtet. Es besteht aus linienförmigen Hochwasserschutzanlagen entlang der Donau, Bedeichungen bis an den Hochrand (z. T. in Form von Rücklaufdeichen entlang der Nebengewässer, teilweise Verlegung der großen in die Donau einmündenden Seitengewässer) und einem Binnenentwässerungssystems. Das bestehende Hochwasserschutzsystem im Planungsgebiet hat eine Länge von insgesamt ca. 200 km. Es sind 40 Schöpfwerke und etwa 500 km Binnenentwässerungsgräben vorhanden. Nach den heutigen Bemessungsgrundsätzen eines Schutzgrades auf HQ100 sind die Deiche in der Regel um mehr als 1 m zu niedrig. 3.2 Elemente des geplanten (zum Teil bereits hergestellten) Hochwasserschutzsystems Das geplante Schutzsystem greift auf die folgenden vier Grundelemente zurück (siehe auch Abb. 1): Aufhöhung und Verstärkung der bestehenden Schutzanlagen In Bereichen, in denen bestehende Siedlungen, Gewerbegebiete oder bedeutende Infrastruktureinrichtungen sehr nahe an der Hochwasserschutzdeichlinie liegen, ist eine Erhöhung der bestehenden Deiche vorgesehen. Deichrückverlegungen Bei hydraulischen Engstellen und in Bereichen, in denen die zu schützenden Einrichtungen weiter von der Donau abgerückt liegen, sind Querschnittsaufweitungen zur besseren Hochwasserabfuhr und Wasserspiegelabsenkung

43 geplant. Diese sind in denjenigen Donauabschnitten angeordnet, wo sie aufgrund einer strömungsgünstigen Ausgestaltung möglichst effektiv sind. 37 Aufbau einer zweiten Deichlinie Im Bereich von bestehenden Deichabschnitten mit dahinterliegenden großen, tiefliegenden und weitgehend unbebauten Flächen verbleiben diese auch künftig als Hochwasserrückhalteraum in Kombination mit dem Bau einer zweiten Deichlinie zum Schutz dahinterliegender Ortsbereiche. Bei Hochwasserabflüssen größer HQ30 bis HQ50 (bestehender Schutzgrad) können so die durch Verlust von Retentionsraum im Zuge der Verbesserung des Hochwasserschutzes angehobenen Hochwasserscheitel abgesenkt und nachteilige Auswirkungen auf die Unterlieger vermieden werden. Beseitigung von Abflusshindernissen (wie Brückenrampen, Bewuchs) Abb. 1 Elemente des Hochwasserschutzkonzeptes 3.3 Gesamtkonzept der Hochwasserschutzmaßnahmen Aus den im vorigen Kapitel beschriebenen Elementen wurde in den 1990er Jahren ein Gesamtkonzept für den Hochwasserschutz im Streckenabschnitt Straubing - Vilshofen entwickelt und seither ausgeplant und verfeinert. Einzelne Maßnahmen wurden bereits umgesetzt (siehe Kapitel 4). Den großräumigen Verlauf der Deichtrassen zeigen die Abbildungen 2 und 3. In grün eingefärbt sind darin die durch Deichrückverlegungen entstehenden neuen Vorland-

44 38 flächen zu erkennen (ca. 650 ha im Gesamtgebiet). Als Hochwasserrückhalteräume verbleiben die hellblau eingefärbten Flächen (ca ha), von denen etwa die Hälfte kontrolliert, d. h. überstrombar ausgebildete Deichabschnitte, die andere Hälfte unkontrolliert überschwemmt wird. Über stationäre und instationäre hydraulische Modellierungen konnte nachgewiesen werden, dass bei HQ100 die Bemessungswasserstände im gesamten Gebiet nicht überschritten werden und weiterhin die Unterlieger keine wesentlichen Nachteile aus dem Ausbau des Hochwasserschutzsystems Straubing - Vilshofen erleiden. Abb. 2 Hochwasserschutzkonzept Straubing - Deggendorf Abb. 3 Hochwasserschutzkonzept Deggendorf - Vilshofen

45 Verbesserung der Binnenentwässerung Zusätzlich zu den Deichbaumaßnahmen sind durch die Erhöhung des Ausbaustandards von Schutzgrad HQ30 auf HQ100 umfangreiche Anpassungen und Neuerrichtungen der Binnenentwässerungsanlagen, wie z.b. Entwässerungsgräben, Schöpfwerke, Siele, Düker, Grabenbrücken erforderlich. Betroffen sind insbesondere die Schöpfwerke, bei denen unter Beachtung der DIN 1184 in der Regel die Pumpleistung zu erhöhen ist. Die Erfordernisse der ökologischen Durchgängigkeit an den Schöpfwerksstandorten und des Fischschutzes an den Schöpfwerkseinläufen wurden an allen Schöpfwerken untersucht. Die Durchlassbauwerke werden bei Bedarf hinsichtlich Wassertiefen, Fließgeschwindigkeiten, Lichtverhältnissen und Sohlstruktur ökologisch durchgängig gestaltet, an den Pumpenzuläufen werden Fischschutzanlagen angeordnet, soweit nicht fischfreundliche Pumpen eingebaut werden. 4 Stand der Hochwasserschutzmaßnahmen 4.1 Raumordnungsverfahren (ROV) Der Hochwasserschutz war integraler Bestandteil des ROV für den Ausbau der Donau zwischen Straubing und Vilshofen. In der landesplanerischen Beurteilung vom März 2006 stellte die Regierung von Niederbayern fest, dass der Schutz gegen ein 100-jährliches Hochwasserereignis bei allen dem ROV zugrundeliegenden Varianten für den Ausbau der Wasserstraße nach den Regeln der Technik und mit ausreichendem Freibord hergestellt werden könne und mit gewissen Maßgaben den Erfordernissen der Raumordnung entspricht. Die Maßgaben wurden aufgegriffen und in der heute vorliegenden Planung berücksichtigt. 4.2 Vorgezogener Hochwasserschutz Im Vorgriff zu der geplanten Verbesserung des Hochwasserschutzes auf Schutzgrad HQ100 in Verbindung mit dem Donauausbau wurden seit 1998 zahlreiche sog. vorgezogene Hochwasserschutzmaßnahmen mit einem Bauvolumen von rund 130 Mio. umgesetzt. Planfeststellungsbehörden sind hier die zuständigen Landratsämter. Die Polderbereiche Straubing, Öbling, Bogen, Pfelling, Irlbach, Deggendorf Nord und Hofkirchen sind bereits vollständig auf den Schutzgrad HQ100 gesichert. Die Anlagen haben sich beim Hochwasser im Juni 2013 bestens bewährt. Derzeit im Bau befinden sich der Neubau des Schöpfwerks Saubach und der Neubau des linken Isardeiches als zweite Deichlinie. Für Juni 2014 wurden für die Maßnahmen Hermannsdorf-Ainbrach und Sulzbach/Schwarzach BA1 die Planfeststellungsbescheide in Aussicht gestellt. Beide Projekte sollen noch 2014 in Bau gehen. Für den

46 40 Hochwasserschutz Winzer und Niederalteich (etwa 12 km Deichlänge) sollen in diesem Jahr die Planfeststellungsverfahren eingeleitet werden. 4.3 Planfeststellungsverfahren Straubing Deggendorf Im 38 km langen Streckenabschnitt Straubing - Deggendorf werden der Ausbau der Wasserstraße und die Verbesserung des Hochwasserschutzes, der noch nicht vorgezogen bearbeitet wurde, in einem gemeinsamen Planfeststellungsverfahren behandelt. Da sich die Maßnahmen beider Vorhabensteile wechselseitig sowohl in ihrer Wirkung als auch in Bezug auf das Planungskonzept des jeweils anderen Vorhabensteils beeinflussen und wegen des engen räumlichen und zeitlichen Zusammenhangs bezüglich der Umsetzung der Maßnahmen ist eine einheitliche Entscheidung rechtlich geboten. Planfeststellungsbehörde ist die Generaldirektion Wasserstraßen und Schifffahrt in Würzburg. Nach Stellung des Antrags auf Planfeststellung im August 2013 und zwei Scoping- Terminen im November 2013 ist die Einleitung des Verfahrens für September 2014 vorgesehen. Gegenstand des Verfahrens sind der Wasserstraßenausbau mit flussregelnden Mitteln: 24 neue Buhnen und 6 neue Parallelwerke, Anpassung 50 bestehender Buhnen und 4 bestehender Parallelwerke, 4 Ufervorschüttungen, Kolkverfüllungen, Sohlbaggerungen und die Verbesserung des Hochwasserschutzes: etwa 14 km Aufhöhung bestehender Deiche, etwa 31 km Neubau von Deichen, etwa 12 km Abtrag bestehender Deiche, 15 Schöpfwerke und 3 Schöpfstellen, Neubau von zwei Brücken. Die Planung wurde im Verlauf mehrerer Jahre, vor allem im Rahmen der variantenunabhängigen Untersuchungen zum Donauausbau, aus den Raumordnungsunterlagen weiterentwickelt. Vor allem an die Konfliktanalyse durch die beauftragen Umweltplaner schloss sich ein intensiver Abstimmungsprozess zur Umsetzung der eingebrachten Vermeidungsvorschläge an, die mit weiteren Belangen wie Wasserwirtschaft, Landwirtschaft, Kultur- und Sachgüter sowie Mensch abgewogen wurden. Besonderer Wert wurde bereits vor Einleitung des Verfahrens auf eine umfassende Information und den Dialog mit den Betroffenen (vor allem Anwohner und Land-

47 wirtschaft) und den behördlichen Fachstellen (vor allem Naturschutz und Landwirtschaft) gelegt. 41 Weitere Informationen Variantenunabhängige Untersuchungen zum Ausbau der Donau zwischen Straubing und Vilshofen Anschrift des Verfassers Dr.-Ing. Markus Schmautz RMD Wasserstraßen GmbH Blutenburgstr München

48 42

49 Vom Hochwasserschutz zum Risikomanagement Erich Eichenseer, Gabriele Merz, Dieter Rieger und Marc Daniel Heintz Kurzfassung Bis Ende 2013 erstellt der Freistaat Bayern entlang von ca Kilometern Gewässer Hochwassergefahrenkarten und Hochwasserrisikokarten. Die Karten visualisieren die möglichen Ausmaße verschiedener Hochwasserszenarien und sind von besonderem Interesse für Städte und Gemeinden, Gewerbetreibende und Privatpersonen. Aufbauend auf den Karten werden bis Dezember 2015 Hochwasserrisikomanagement-Pläne erarbeitet. Diese enthalten Ziele und Maßnahmen, mit denen das Hochwasserrisiko verringert werden soll. Träger überörtlicher Infrastruktur, Fachbehörden, Verbände sowie Städte und Gemeinden können sich in den Planungsprozess einbringen. Was ist Hochwasserrisikomanagement? Ein effektiver Umgang mit Hochwasser bedeutet mehr, als nur technische Schutzbauwerke zu errichten. Vielmehr ist es erforderlich, eine Strategie im Sinne eines integralen Hochwasserrisikomanagements zu entwickeln und dabei Aspekte wie Effektivität, Wirtschaftlichkeit und Angemessenheit zu berücksichtigen. Einen absoluten Schutz vor Hochwasserschäden gibt es nicht wohl aber eine Strategie, um deren Eintritt und Ausmaß wirksam zu begrenzen. Hochwasserrisikomanagement zielt darauf ab, das Hochwasserrisiko bzw. die negativen Auswirkungen von Hochwasser wirksam zu verringern. Zentraler Bezugspunkt sind dabei die verschiedenen Schutzgüter, die bei Hochwasser Schäden davontragen können: menschliche Gesundheit Umwelt Kulturerbe wirtschaftliche Tätigkeit und erhebliche Sachwerte Das jüngste Hochwasser an Donau, Inn und Mangfall im Juni 2013 hat deutlich gemacht, dass im Umgang mit dem Hochwasserrisiko in Bayern trotz zahlreicher Fortschritte auch zukünftig große Anstrengungen vonnöten sind. Mit der Hochwasserrisikomanagement-Richtlinie hat die EU bereits 2007 ein Instrument zur Hochwasservorsorge geschaffen. Die europäischen Vorgaben wurden im März 2010 in deutsches

50 44 und bayerisches Wasserrecht übernommen. Sie umfassen eine dreistufige Vorgehensweise (Abb. 1): Vorläufige Risikobewertung bis Hochwassergefahrenkarten und Hochwasserrisikokarten bis Hochwasserrisikomanagement-Pläne bis Abb. 1 Hochwasserrisikomanagement in drei Stufen In Bayern wurde das bestehende Hochwasserschutz-Aktionsprogramm 2020 um Aspekte eines integralen Risikomanagements erweitert. 1 Vorläufige Risikobewertung Was ist das? In einem Flächenland wie Bayern mit ca Kilometer Flüsse und Bäche können nicht für alle diese Gewässer zeitgleich Gefahren-/ Risikokarten und Managementpläne erstellt werden. Das Hochwasserrisikomanagement muss an den Risikoschwerpunkten ansetzen. Dies ist der Grundgedanke der vorläufigen Risikobewertung. Es handelt sich um eine grobe Bestandsaufnahme zur Ermittlung von Gewässerabschnitten, von denen ein besonderes Hochwasserrisiko ausgeht den sogenannten Risikogewässern. In den bayerischen Anteilen an den Einzugsgebieten von Donau, Elbe und Alpenrhein/Bodensee wurde die vorläufige Risikobewertung zentral vom Bayerischen Landesamt für Umwelt (LfU) durchgeführt. Im bayerischen Maingebiet wurde der bereits vorliegende Hochwasser Aktionsplan Main in den Hochwasserrisikomanagement-Plan Main umgewandelt. 1.1 Ergebnis: Die Gewässerkulisse 2011 Die vorläufige Risikobewertung hat ergeben, dass für rund Gewässerkilometer in den Einzugsgebieten von Donau, Elbe und Alpenrhein/ Bodensee ein besonderes

51 Hochwasserrisiko besteht. Hinzu kommen die ca km Risikogewässer im bayerischen Teil des Main-Einzugsgebietes. Somit umfasst die Gewässerkulisse 2011 in ganz Bayern ca Kilometer (vgl. Abb. 2). Das ist rund ein Drittel der untersuchten Gewässer. Im Internetangebot des LfU gibt es für jeden Landkreis in Bayern eine Karte, die die Risikogewässer enthält. 45 Abb. 2 Gewässerkulisse 2011 Gewässerabschnitte mit besonderem Hochwasserrisiko in Bayern (ca Kilometer) 1.2 Auswirkungen und Nutzen Was bedeutet es nun, dass ein Gewässer als Risikogewässer in der Gewässerkulisse 2011 enthalten ist? Zunächst gilt, dass für diese Gewässer bis Ende 2013 Hochwassergefahren- und -risikokarten und bis Ende 2015 Hochwasserrisikomanagement- Pläne aufgestellt werden.

52 46 Zudem müssen nach Wasserhaushaltsgesetz ebenfalls bis Ende 2013 für alle Risikogewässer die Überschwemmungsgebiete für ein 100-jährliches Hochwasserereignis (HQ100) ermittelt und amtlich gesichert werden. Die Ergebnisse der vorläufigen Risikobewertung sind insbesondere für die Kommunen von Nutzen. Sie zeigen auf, wo in den nächsten Jahren Gefahren-/ Risikokarten und Managementpläne zu erwarten sind. Außerdem verdeutlichen sie den Landratsämtern und anderen Akteuren, wo sich die Schwerpunkte des Hochwasserrisikos befinden. Auch in Städten und Gemeinden, die an Gewässern außerhalb der Gewässerkulisse liegen, werden weiterhin Hochwasserereignisse auftreten, die lokal betrachtet verhältnismäßig große Schäden verursachen können. Die Risiken von im Gelände abfließendem Wasser (z. B. Juli 2007 in Baiersdorf) sind durch die vorläufige Risikobewertung nicht erfasst. Starkregenereignisse können überall, auch abseits von Gewässern auftreten. 2 Hochwassergefahren- und -risikokarten - Wozu dienen sie? 2.1 Das Projekt Hochwassergefahrenkarten/Hochwasserrisikokarten Im bayerischen Donau-, Elbe- und Bodenseegebiet bis Ende 2013 mit leicher Verzögerungen für ca Kilometer Gewässer Hochwassergefahren- und -risikokarten erstellt. Hierfür wurde am Bayerischen Landesamt für Umwelt (LfU) das Projekt Hochwassergefahrenkar-ten/Hochwasserrisikokarten mit einem Volumen von rund 22 Millionen Euro ins Leben gerufen. Hochwassergefahrenkarten zeigen, welche Gebiete wie häufig und wie stark von Hochwasser betroffen sind. Hochwasserrisikokarten bilden ab, wie die gefährdeten Gebiete genutzt werden und erlauben somit Rückschlüsse auf das Schadenspotenzial. 2.2 Methodik zur Berechnung von Hochwassergefahrenflächen und Wassertiefen Zur Ermittlung der Hochwassergefahrenflächen werden hydraulische Modelle (Strömungsmodelle) verwendet. Im Gegensatz zu physikalischen Modellen handelt es sich dabei um rein mathematische (numerische) Modelle, mithilfe derer die Gewässer möglichst realistisch am Computer abgebildet werden. Für die Hochwassergefahrenund -risikokarten werden drei Hochwasserszenarien simuliert:

53 47 Hochwasserereignis mit häufigem Wiederkehrintervall (HQhäufig), Hochwasserereignis mit mittlerem Wiederkehrintervall (HQ100 bzw. 100-jährliches Hochwasser) und Hochwasserereignis mit seltenem Wiederkehrintervall (HQextrem). Für die Erstellung eines hydraulischen Modells wird ein digitales Geländemodell (Abb. 3) erstellt. Neben der Modellierung des Geländes wird die hydrologische Situation vor Ort erfasst. Es werden Abflusswerte für die drei Szenarien ermittelt. Durch die Eingabe der Abflusswerte ins Computermodell werden die bei Hochwasser betroffenen Flächen und die Wassertiefen berechnet. Abb. 3 Digitales Geländemodell 2.3 Bayern fängt nicht bei null an Umgang mit Bestandsdaten Bei der Erstellung der Karten fängt der Freistaat Bayern nicht bei null an. Im Zuge der Ermittlung von Überschwemmungsgebieten wurden insbesondere seit 1996 an zahlreichen Gewässern bereits umfangreiche Berechnungen durchgeführt. Daher werden nicht für alle Kilometer Gewässer neue hydraulische Modelle erstellt, sondern bestehende Modelle weiter verwendet und bei Bedarf ergänzt. 2.4 Inhalte und Darstellung von Hochwassergefahrenkarten Hochwassergefahrenkarten (Abb. 4) zeigen, welche Flächen bei verschiedenen Hochwasserszenarien betroffen sind und welche Wassertiefen dabei erreicht werden können. Hochwasserrisikokarten visualisieren die Nutzung der betroffenen Flächen und erlauben so Rückschlüsse auf die Schadensanfälligkeit. Die Karten nehmen Bezug auf Hochwasserereignisse unterschiedlicher Eintrittswahrscheinlichkeit. Beim 100-jährlichen Hochwasser (HQ100) handelt es sich um ein Hochwasser, das im Mittel alle 100

54 48 Jahre erreicht wird. Das Extremhochwasser (HQextrem) ist ein deutlich selteneres Hochwasser, bei dem in der Regel auch technische Hochwasserschutzanlagen keinen Schutz mehr bieten. Zusätzlich wird an einigen Gewässern auch ein häufiges Hochwasser (HQhäufig) dargestellt, welches im Mittel alle 5 bis 20 Jahre auftritt. Die Karten werden auf sowie im Informationsdienst Überschwemmungsgefährdete Gebiete ( veröffentlicht. Neben druckfertigen Karten, die im Maßstab 1: heruntergeladen werden können, steht den Nutzern im Online-Kartendienst auch zahlreiche Zusatzinformationen zur Verfügung, die bei Bedarf eingeschaltet werden können. Abb. 4 Inhaltliche Darstellung der Hochwassergefahren und Hochwasserrisikokarten 2.5 Nutzen der Hochwasserrisikokarten In den Hochwasserrisikokarten (Abb. 4) ist für die verschiedenen Hochwasserszenarien jeweils die Flächennutzung dargestellt. Die abgebildeten Inhalte umfassen außerdem die statistisch geschätzte Zahl der betroffenen Einwohner, spezielle Naturund Wasserschutzgebiete, Badegewässer, Bauensembles sowie Standorte von Industrieanlagen, die im Europäischen Schadstofffreisetzungs- und -verbringungsregister geführt werden (PRTR-Anlagen). Die Karten sind von großem Nutzen für betroffene Städte und Gemeinden, Gewerbetreibende und Privatpersonen. Sie bilden eine Entscheidungshilfe für die Bauleitplanung, liefern wichtige Erkenntnisse für den Katastrophenschutz und für das Ergreifen von Vorsorgemaßnahmen durch Private. Sie bilden außerdem die zentrale Informationsgrundlage bei der Erarbeitung von Beiträgen zu den Hochwasserrisikomanagement-Plänen.

55 49 3 Hochwasserrisikomanagement-Plan Wozu dient er? 3.1 Ein strategischer Plan Ein Hochwasserrisikomanagement-Plan ist ein Plan auf Flussgebietsebene, der die Anstrengungen im Umgang mit dem Hochwasserrisiko strategisch ausrichtet und dokumentiert. Er zielt darauf ab, die negativen Auswirkungen von Hochwasser für die oben genannten Schutzgüter zu verringern. Dazu sollen Ziele formuliert und Maßnahmen entwickelt werden. 3.2 Ein grenzüberschreitender Plan Da Hochwasser ein natürliches Phänomen ist, das keine Rücksicht auf administrative Grenzen nimmt, ist die grenzüberschreitende Abstimmung ein zentrales Prinzip der Hochwasserrisikomanagement-Planung. Er beschreibt, wie in einer zusammenhängenden hydrologischen Einheit mit dem Hochwasserrisiko umgegangen werden soll. Für jedes Flussgebiet oder Teile davon soll daher möglichst ein Hochwasserrisikomanagement-Plan erstellt werden. Falls dies nicht möglich ist, sollen die verschiedenen Pläne in einem Flussgebiet koordiniert werden. 3.3 Ein ressortübergreifender Plan Ein weiterer Grundsatz des Hochwasserrisikomanagements ist die fach- und ressortübergreifende Planung. Während es sich bei den Gefahren- und Risikokarten um Fachinformationen der Wasserwirtschaftsverwaltung handelt, ist die Erarbeitung von Hochwasserrisikomanagement-Plänen keine rein wasserwirtschaftliche Aufgabe. Alle Akteursgruppen (Abb. 5), die von Hochwasser betroffen sind oder die Einfluss auf das Risiko haben, können mit eigenen Maßnahmen zur Risikominderung beitragen. Dazu gehören beispielsweise Bauleitplanung, Land- und Forstwirtschaft, Naturschutz oder der Katastrophenschutz. Damit ein Hochwasserrisikomanagement-Plan nicht nur den rechtlichen Anforderungen genügt, sondern tatsächlich eine Verringerung des Hochwasserrisikos bewirkt, müssen alle Gruppen in den Planungsprozess eingebunden werden. 4 Wie funktioniert die Hochwasserrisikomanagement-Planung in Bayern? 4.1 Zuständigkeiten und Planungsebenen Entsprechend Art. 45 des Bayerischen Wassergesetzes stellt das Bayerische Staatsministerium für Umwelt und Verbraucherschutz die Hochwasserrisikomanagement- Pläne im Einvernehmen mit anderen Fachressorts auf. Das Landesamt für Umwelt, die

56 50 Wasserwirtschaftsämter sowie die Kreisverwaltungsbehörden können mit einer Zuarbeit beauftragt werden. Für die Gemeinden ist ein Anhörungsrecht festgeschrieben. Eine formale Beteiligung würde wenig Anreize für die interessierten Stellen bieten, sich mit dem Hochwasserrisiko auseinanderzusetzen. Daher ist in Bayern eine frühzeitige und aktive Beteiligung vorgesehen. Damit ein Hochwasserrisikomanagement- Plan landesweit einheitliche Rahmenvorgaben berücksichtigt und gleichzeitig Möglichkeiten zur Anpassung an spezifische Gegebenheiten vorsieht, muss der Planungsprozess auf verschiedenen räumlichen Ebenen stattfinden. Abb. 5 Akteursgruppen Bayern hat Anteil an den internationalen Flussgebieten Donau, Elbe und Rhein sowie am nationalen Flussgebiet Weser. Im Flussgebiet Weser wurden in Bayern keine Gewässer mit besonderem Hochwasserrisiko ermittelt. Für das bayerische Maingebiet wurde der bereits vorliegende Hochwasseraktionsplan Main in einen Hochwasserrisikomanagement-Plan umgewandelt und im Dezember 2010 unter veröffentlicht. Für das Elbegebiet erarbeiten die deutschen Bundesländer ab Ende 2013 einen gemeinsamen Hochwasserrisikomanagement-Plan Elbe. Die Erarbeitung der bayerischen Hochwasserrisikomanagement-Pläne Bodensee und Donau beginnt Anfang Für die Beteiligung wurden die drei betroffenen Flussgebiete in Bayern in 20 Planungsräume und 46 Planungseinheiten unterteilt. Diese Einteilung beruht auf hydrologischen Kriterien und ist mit der Wasserrahmenrichtlinie abgestimmt. Abb. 6 gibt einen Überblick über die Planungsebenen in Bayern. Des Weiteren ist die lokale

57 Ebene der Städte und Gemeinden von großer Bedeutung, da hier ein Großteil der Hochwasserschäden entsteht und auch zahlreiche Maßnahmen dort ansetzen. 51 Abb. 6 Flussgebiete, Planungsräume und Planungseinheiten in Bayern Um die Vorgehensweise zur Aufstellung von Hochwasserrisikomanagement-Plänen in Bayern zu präzisieren, wurde eine Handlungsanleitung erarbeitet. 4.2 Einteilung der Ziele und Maßnahmen Um den Beteiligungsprozess und die Dokumentation zu erleichtern, wurden die Ziele und Maßnahmen einheitlich gegliedert. Die Handlungsanleitung unterscheidet vier Oberziele, die gemäß den Empfehlungen der Bund/Länder-Arbeitsgemeinschaft Wasser bundesweit einheitlich festgelegt wurden: Vermeidung neuer Risiken (im Vorfeld eines Hochwassers) Reduktion bestehender Risiken (im Vorfeld eines Hochwassers) Reduktion nachteiliger Folgen während eines Hochwassers Reduktion nachteiliger Folgen nach einem Hochwasser

58 52 Die Handlungsanleitung enthält außerdem einen Maßnahmenkatalog, der alle Maßnahmen umfasst, die dafür geeignet sind, das Hochwasserrisiko zu reduzieren. Diese sind den verschiedenen Akteuren zugeordnet und nach landesweiten, regionalen und lokalen Maßnahmen unterschieden. Es handelt sich dabei sowohl um gesetzliche Pflichtaufgaben als auch um Maßnahmen, die von den jeweiligen Akteuren auf freiwilliger Basis und entsprechend ihrer finanziellen, organisatorischen und technischen Möglichkeiten ausgewählt werden können. Bereits umgesetzte Maßnahmen wurden ebenfalls in den Maßnahmenkatalog aufgenommen, um die erreichten Fortschritte zu dokumentieren. 4.3 Beteiligungsmöglichkeiten an der Hochwasserrisikomanagement-Planung Die Beteiligung an der Erarbeitung von Beiträgen zu den Hochwasserrisikomanagement-Plänen spielt sich hauptsächlich auf der regionalen und lokalen Ebene ab und umfasst die beiden Schritte Risikobewertung/ -analyse und Maßnahmenauswahl. Dabei werden die landesweiten Vorgaben berücksichtigt. Um die Hochwasserrisiken einzuschätzen, müssen sich die Beteiligten intensiv mit den Gefahren- und Risikokarten beschäftigen. Durch die Risikoeinschätzung im Zuge der Aufstellung von Hochwasserrisikomanagement-Plänen werden die Karten systematisch ausgewertet. Auf diese Weise lässt sich der Handlungsbedarf ableiten. Anschließend erfolgen eine Dokumentation bereits verfolgter Maßnahmen sowie eine Auswahl der für die nächsten 6 Jahre geplanten Maßnahmen. Verschiedene Fragenkataloge und Checklisten sollen die einheitliche Bearbeitung sicherstellen und die Dokumentation erleichtern. Das Schema (Abb. 7) gibt einen Überblick darüber, welche Schritte bei der Erarbeitung von Hochwasserrisikomanagement-Plänen durchlaufen werden und wie aus den Beiträgen der verschiedenen Ebenen ein Hochwasserrisikomanagement-Plan entsteht. Landesebene Auf der Landesebene hat eine Beteiligung bereits im Zuge der Erstellung der Handlungsanleitung in der ressortübergreifenden Arbeitsgruppe stattgefunden. Bei der Erarbeitung des Maßnahmenkatalogs haben die beteiligten Fachressorts landesweite Maßnahmen vorgeschlagen, die sie in den nächsten 6 Jahren umsetzen möchten. Regionale Ebene Auf der Ebene der Planungsräume finden zunächst Informationsveranstaltungen statt. Dort wird den Beteiligten die gesamte Methodik vorgestellt. Die Beteiligung auf der regionalen Ebene erfolgt unter Federführung der Regierungen und orientiert sich an den Planungseinheiten. Die Regierungen beteiligen die Fachbe-

59 hörden und Träger überörtlicher Infrastruktur mittels eines Fragebogens mit Checkliste, in denen wichtige Informationen festgehalten werden können, die der Regierung bei der Bewertung des Risikos helfen. Ebenso können die Beteiligten eigene Maßnahmen zum Managementplan beisteuern. Die Verbände werden über ein Online- Tool beteiligt. Lokale Ebene Auf der lokalen Ebene wird die Beteiligung durch die Wasserwirtschaftsämter und Kreisverwaltungsbehörden koordiniert. Die Ämter gehen auf die ca Städte und Gemeinden an Gewässern mit besonderem Hochwasserrisiko zu und bieten diesen eine persönliche Beratung bei der Risikobewertung und Maßnahmenauswahl an. Durch die fachkundige Mitwirkung der Ämter soll der Prozess der Auseinandersetzung mit den Gefahren und Risiken auf lokaler Ebene gefördert und Bewusstsein geschaffen werden. Auch hier führen Checklisten die Fachkräfte systematisch durch den Prozess. 53 Abb. 7 Erarbeitung von Beiträgen für die Hochwasserrisikomanagement-Pläne 4.4 Zusammenfassung der Beiträge zum Hochwasserrisikomanagement-Plan Die Beiträge aus der Beteiligung werden auf Ebene der Planungseinheiten aggregiert und ausgewertet. Die Risiko- und Maßnahmenschwerpunkte werden beschrieben und mit Zahlen für die Planungseinheiten hinterlegt. Eine gemeindescharfe Veröffentlichung erfolgt nicht. Die landesweiten Maßnahmen werden automatisch Bestandteil

60 54 aller Hochwasserrisikomanagement-Pläne. Die Entwurfsfassung des Plans wird einer Strategischen Umweltprüfung unterzogen. Diese umfasst auch eine zusätzliche Behörden- und Öffentlichkeitsbeteiligung. 5 Resümee Die Hochwasserrisikomanagement-Planung bietet eine Chance, die negativen Auswirkungen von Hochwasser abzumildern. Eine wichtige Grundlage hierfür sind die Gefahren- und -risikokarten, die Städte und Gemeinden, Träger überörtlicher Infrastruktur, Gewerbetreibende und Privatpersonen dazu anregen, sich mit dem Hochwasserrisiko auseinanderzusetzen und Vorkehrungen zu treffen. Die Aufstellung der Hochwasserrisikomanagement-Pläne fördert die Auseinandersetzung mit dem Risiko, indem die Beteiligten dazu angehalten werden, die Gefahren- und Risikokarten systematisch auszuwerten, den Handlungsbedarf zu ermitteln und eigene Maßnahmen zu ergreifen. Durch die Beteiligung kann der als strategischer Plan angelegte Hochwasserrisikomanagement-Plan einen echten Beitrag zur Reduzierung von Hochwasserrisiken leisten. Literatur Handlungsanleitung zur Erarbeitung von Hochwasserrisikomanagement-Plänen in Bayern Bay. Staatsministerium für Umwelt und Gesundheit Anschriften der Verfasser Gabriele Merz Bayerisches Landesamt für Umwelt Bürgermeister-Ulrich-Straße Augsburg Gabriele.Merz@lfu.bayern.de Marc Daniel Heintz Bayerisches Landesamt für Umwelt Bürgermeister-Ulrich-Straße Augsburg MarcDaniel.Heintz@lfu.bayern.de Dr. Dieter Rieger Bayerisches Landesamt für Umwelt Bürgermeister-Ulrich-Straße Augsburg Dieter.Rieger@lfu.bayern.de Erich Eichenseer Bay. Staatsministerium für Umwelt u. Verbraucherschutz Rosenkavalierplatz München erich.eichenseer@stmuv.bayern.de

61 AP 2020plus Ein Plus für den Hochwasserschutz Andreas Rimböck Kurzfassung Nach dem sog. Pfingsthochwasser 1999 wurde in Bayern das Programm Nachhaltiger Hochwasserschutz in Bayern Aktionsprogramm 2020 für Donau- und Maingebiet (kurz AP 2020) beschlossen. Nach mehr als der Hälfte der vorgesehenen Laufzeit und dem verheerenden Hochwasser im Juni 2013 (LfU (2013)) wurde das Programm zum Aktionsprogramm 2020plus fortgeschrieben. Der Beitrag stellt das AP 2020 und dessen Erfolge dar und erläutert die wesentlichen Anpassungen und Änderungen im AP 2020plus. 1 Gute Basis: Hochwasserschutz Aktionsprogramm 2020 Bereits nach dem verheerenden Hochwasser 1999 wurde zügig gehandelt und das wegweisende Hochwasserschutz Aktionsprogramm 2020 aufgestellt. Die einzelnen Maßnahmen wurden den Handlungsfeldern Natürlicher Rückhalt Technischer Hochwasserschutz und Hochwasservorsorge zugeordnet. Es sah Investitionen von 115 Mio pro Jahr und von insgesamt 2,3 Mrd. vor. Bis Ende 2013 konnten so zusätzlich über Einwohner an Gewässern 1. und 2. Ordnung zusätzlich vor einem 100 jährlichen Hochwasser geschützt werden. Viele der Maßnahmen haben sich sogar schon mehrfach bewährt und mehrfach enorme Schäden vermieden. Vor allem beim Hochwasser im Juni 2013 konnten einige der realisierten Maßnahmen ihre Wirkung eindrucksvoll unter Beweis stellen. Auch die Anstrengungen im Bereich der Vorsorge haben sich positiv ausgewirkt. Ausgewählte Beispiele sind: Gute Vorbereitung der Einsatzkräfte durch Übungen zur Deichverteidigung Effektive Freihaltung von Überschwemmungsgebieten Verbesserte und zuverlässigere Hochwasservorhersagen, daher gute Vorwarnung möglich uvm.

62 56 Abb. 1 Beispiele von Erfolgen im Rahmen des AP 2020, oben links: Smartphone- Angebot Hochwassernachrichtendienst (m.hnd.bayern.de), oben rechts: Hochwasserschutz Vilsbiburg, unten: Drachensee 2 Aktionsprogramm 2020plus ein Plus im Risikomanagement 2.1 Überblick Seit Beginn des AP 2020 haben technische Fortschritte, Erfahrungen mit durchgeführten Schutzmaßnahmen und umfangreichere Datenbestände das Wissen und die Erfahrung im Umgang mit Hochwasser erweitert. Daneben stellt die 2001 in nationales Recht umgesetzte EG-Hochwasserrisikomanagement-Richtlinie (HWRM-RL) eine wesentliche Neuerung dar. Sie schafft angepasste Grundlagen für die Gefahren- und Risikobeurteilung und gibt den Rahmen für die Maßnahmen des Hochwasserrisikomanagements vor. Auf dieser Basis gestaltet das AP 2020plus vor allem den Aspekt Schutz näher aus, definiert den finanziellen Rahmen, priorisiert die einzelnen Vorhaben landesweit und ergänzt die technischen und strategischen Grundlagen.

63 57 Abb. 2 Das neue Hochwasserschutz-Aktionsprogramm 2020plus Künftig sollen somit rund 150 Mio anstatt bisher 115 Mio pro Jahr für die Umsetzung des AP 2020plus zur Verfügung stehen. Zusätzlich wurde bereits im Februar das Sonderprogramm Hochwasserschutz Donau mit insgesamt 600 Mio beschlossen. Einschließlich der schon bisher höheren getätigten Ausgaben (verglichen mit den geplanten 115 Mio /a) steigt so das Finanzvolumen für den Hochwasserschutz im Rahmen der Aktionsprogramme 2020 und 2020plus von 2,3 auf 3,4 Mrd.. Damit sollen zahlreiche zusätzliche Hochwasserschutzmaßnahmen umgesetzt werden können. Zudem soll für bereits geplante oder begonnene Maßnahmen eine schnellere Umsetzung erfolgen. Eine bayernweite Bestandsaufnahme der Schutzdefizite mit dem Ziel einer Priorisierung der anstehenden Maßnahmen erfolgte auf Basis grob überschlägiger Abschätzungen in Form von sog. Basisstudien. Diese zeigen deutlich, dass noch enorme Anstrengungen zur Sicherstellung eines vergleichbaren Schutzniveaus erforderlich sind (vgl. Abb. 3). Eine große Herausforderung für die Zukunft stellt der große Bestand an Hochwasserschutzanlagen und Speichern sowie Bauwerken zum Schutz vor Wildbachgefahren dar. Alle Anlagen müssen regelmäßig überwacht, instandgesetzt und ggf. saniert werden. Diese Aufgabe wächst mit jedem neuen Bauwerk an.

64 58 Darüber hinaus sind in allen Bereichen des Hochwasserrisikomanagements Verbesserungen und Weiterentwicklungen im Rahmen des AP 2020plus vorgesehen. Ausgewählte Beispiele sind: Weitere Verbesserungen bei den Informations- und Warndiensten ( Verbesserungen der Hochwasserprognosen Intensivierung des Risikodialogs (in Einklang mit der Umsetzung der Hochwasserrisikomanagement-Richtlinie) Ermittlung von Wildbachgefährdungsbereichen und ggf. Überschwemmungsgebieten an weiteren Gewässerstrecken uvm. Abb. 3 Umfangreicher Bedarf an weiteren Maßnahmen in Bayern Von den fachlich - technischen Anpassungen im Bereich der Schutzmaßnahmen sollen im Folgenden zwei Beispiele herausgegriffen und näher vorgestellt werden. 2.2 Plusbeispiel 1: Überlastfall und resiliente Schutzsyteme Das Junihochwasser hat uns leider wieder die katastrophalen Folgen von Deichbrüchen vor Augen geführt. Die betroffenen Deiche waren dabei nicht auf ein 100- jährliches Ereignis ausgelegt, dennoch wird dabei deutlich, dass Hochwasserschutz Grenzen hat und immer ein Restrisiko verbleibt.

65 Oberste Priorität muss daher für uns haben, ein plötzliches Versagen unserer Schutzanalgen zu vermeiden, denn die Schäden einer Flutwelle bspw. nach einem Deichbruch sind ungleich größer als bei einem langsamen Anstieg des Wasserspiegels. Daher müssen Überlastfälle, also Ereignisse, die das Bemessungsereignis überschreiten, in unsere Planungsüberlegungen einfließen. Vor allem ein plötzliches Versagen im Überlastfall sollte durch geeignete Maßnahmen vermieden werden. Dies kann durch eine Erhöhung der Widerstandsfähigkeit unserer Anlagen und Schutzsysteme (Resilienz) erreicht werden. Folgende sich gegenseitig ergänzende Instrumente stehen dazu zur Verfügung: Systemische Sicherheit: Konzeption von überlastbaren und damit resilienten Schutzsystemen; dazu müssen die einzelnen Bestandteile eines Hochwasserschutzsystems in ihrer Wechselwirkung betrachtet werden und ggf. durch zusätzliche Elemente wie z. B. Entlastungsstrecken, Flutpolder oder weitere Deiche ergänzt werden, so dass in der Gesamtheit ein überlastbares System entsteht Konstruktive Sicherheit: Wahl von grundsätzlich überlastbaren und damit resilienten Bauweisen und Bauwerken, z. B. Hochwasserschutzmauern oder überströmbare Deiche; diese können auch Bestandteil resilienter Schutzsysteme sein Einen Schwerpunkt bildet hier das bayerische Flutpolderkonzept. Flutpolder sollen im Überlastfall dazu eingesetzt werden, die Wasserspiegel abzusenken und so das Risiko einer Überlastung der unterhalb liegenden Hochwasserschutzanlagen zu reduzieren. Weiterer Schwerpunkt wird an wichtigen Deichstrecken, z.b. mit unmittelbar angrenzender Bebauung eine Nachrüstung mit statisch wirksamen Dichtwandsystemen. Durch diese Maßnahmen wird ein unkontrolliertes Versagen im Überlastfall vermieden, Schäden treten dennoch auf. Dieses sogenannte Restrisiko ist in allen durch Hochwasserschutzmaßnahmen geschützten Gebieten gegeben. Dies kann durch weitere Vorsorgemaßnahmen in den durch Schutzanlagen geschützten Gebieten reduziert werden, z.b. durch Einsatzplanung oder freiwillige angepasste Nutzungsplanung. Zusätzlich sollte auch durch alle Beteiligten darauf geachtet werden, dass durch eine starke Nutzungszunahme in den geschützten Bereichen das Restrisiko künftig wieder stark anwächst. 59

66 60 Abb. 4 Prinzipskizze möglicher Bestandteile resilienter Schutzsysteme 2.3 Plusbeispiel 2: Das erweitertes Rückhaltekonzept Die herausragende Bedeutung von Rückhaltemaßnahmen hat das Hochwasser 2013 einmal mehr unter Beweis gestellt. In den 25 staatlichen Speichern, z. B. Sylvenstein, Forggensee, Drachensee, konnten insgesamt rund 129 Mio m³ Hochwasser zurückgehalten werden. Rückhaltung hat auch in weiterer Hinsicht eine große Bedeutung: als Sicherung und Bewahrung der noch bestehenden Rückhalteräume als Ausgleich für durch Hochwasserschutzanlagen verloren gegangene Retentionsräume oder als Element der Anlagensicherheit von Schutzanlagen

67 Der natürliche Rückhalt, z.b. durch Renaturierung, Deichrückverlegung oder Auenanbindung leistet vor allem bei kleineren Hochwasserereignissen einen wertvollen Beitrag zum Hochwasserschutz und ergänzt die technische Speicherung. Gerade an den kleineren Gewässern gibt es hier häufig noch Möglichkeiten, die dort auch stärker wirken. Zudem dienen diese Maßnahmen meist auch den Zielen der Wasserrahmenrichtlinie und bieten somit einen Mehrfachnutzen. 61 LfU, Referat 62 Abb. 5 Auslastung der staatlichen Speicher beim Hochwasser Juni 2013

68 62 Daher wurde das erweiterte Rückhaltekonzept beschlossen. Darin sollen künftig die Maßnahmen des natürlichen Rückhaltes und der technischen Speicherung zusammengeführt und aufeinander abgestimmt werden. Inhalte dieses erweiterten Rückhaltekonzeptes sind vor allem: Suche nach neuen Standorten Entwicklung eines Gesamtkonzeptes in einem Flussgebiet unter Berücksichtigung aller Rückhaltemöglichkeiten bessere Verzahnung und Nutzung der Synergien zwischen natürlichem und technischem Rückhalt sofern die vorgesehenen weiteren Verbesserungen von Vorhersagen und Prognosen es erlauben sollen ggf. auch verbesserte und abgestimmte Steuerstrategien entwickelt werden Flutpolder zur Reduzierung des Überlastungsrisikos von Schutzanlagen ggf. Einbeziehung von Staustufenbewirtschaftung oder Seeretention in die Gesamtüberlegungen 3 Ausblick Eines ist sicher: das nächste Hochwasser kommt bestimmt. Mit dem Aktionsprogramm 2020plus gehen wir den richtigen Weg konsequent weiter und erhöhen den Schutz für die Bürgerinnen und Bürger in Bayern weiter. Dennoch kann der Staat nur seinen Teil zum Schutz beitragen, ein nachhaltiger und umfassender Schutz ist nur unter Mitwirkung aller zu erreichen. Hier wird der Risikodialog zur Erarbeitung der Hochwasserrisikomanagementpläne eine besondere Bedeutung erlangen. Auch innerhalb der Laufzeit des Aktionsprogrammes2020plus wird die technische Entwicklung weitergehen und Anpassungen des Programms erfordern oder sogar neue Möglichkeiten eröffnen. Der 6-Jahres Zyklus für eine Anpassung und Fortschreibung der Gefahrenkarten und Hochwasserrisikomanagementpläne ist Ausdruck dieser Tatsache. Daneben ist Hochwasserschutz eine Daueraufgabe: tausende Kilometer Hochwasserschutzanlagen, Speicher, zehntausende Wildbachschutzbauwerke dürfen nicht sich selbst überlassen bleiben. Nur eine zuverlässige Überwachung und Instandhaltung sichert auf Dauer die Funktionsfähigkeit.

69 63 Abb. 6 Beispiel zahlreicher Schutzbauwerke am Jenbach Literatur LfU (2013): Das Junihochwasser 2013 in Bayern - Wasserwirtschaftlicher Bericht; Eigenverlag; nur download möglich: -> lfu_was_00087 StMUV (2014): Hochwasserschutz Aktionsprogramm 2020plus Bayerns Schutzstrategie: Ausweiten, Intensivieren, Beschleunigen; Eigenverlag; in Vorbereitung Anschrift des Verfassers Dr.-Ing. Andreas Rimböck Bayerisches Landesamt für Umwelt Bgm.-Ulrich-Str Augsburg andreas.rimboeck@lfu.bayern.de

70 64

71 Vom Umgang mit dem Bestand an Schutzbauwerken am Beispiel Wildbäche Florian Stauder Kurzfassung Viele der heute im Alpenraum vorhandenen Wildbachschutzsysteme setzen sich zu einem erheblichen Teil aus Bauwerken zusammen deren Ursprünge schon seit Mitte des 19. Jahrhunderts oder noch länger bestehen. Diese Bauwerke wurden zum Teil immer wieder saniert und umgebaut. Die Schutzsysteme als Ganzes unterliegen ebenfalls einem Wandel, der sich wiederum im vorschreitenden Verfall sowie den Neubauten und Umbauten der einzelnen Elemente des Gesamtsystems niederschlägt. Dies liegt in den über die Zeit gewandelten Rahmenbedingungen begründet, denen das Einzugsgebiet unterworfen ist. Da die Einzugsgebiete weiterhin eine dynamischen Entwicklung erfahren, können der momentane Zustand und die momentanen Ansprüche an das Schutzsystem oder gar die einzelnen Bauwerke nicht als alleinige Planungsgrundlage für flexible und anpassungsfähige Konzepte (Rimböck, Eichenseer & Loipersberger, 2012) dienen. Vielmehr ist es notwendig bei Planungen neben den aktuellen Anforderungen auch die lange Evolutionsgeschichte des jeweiligen Einzugsgebiets und Schutzsystems sowie wahrscheinliche zukünftige Entwicklungen zu berücksichtigen. 1 Ausgangssituation und Vision Eine Vielzahl der knapp Schutzbauwerke in den bayerischen Wildbächen weist mittlerweile Sanierungsbedarf auf. Da sich die Rahmenbedingungen, unter denen diese Schutzsysteme entworfen und errichtet wurden, von den heutigen unterscheiden, stellt sich die Frage, wie mit diesen Wildbacheinzugsgebieten heute und in Zukunft umgegangen werden soll. Insbesondere gilt es zu beurteilen ob und in welcher Form die vorhandenen Konstruktionen zu ertüchtigen oder zu ergänzen sind und wie sich diese in Verbindungen mit den Einzugsgebietseigenschaften, d.h. Anforderungen und Rahmenbedingungen zu einem funktionalen Gesamtsystem zusammenfügen lassen (vgl. Abb. 1). Um einen nachhaltigen Ressourceneinsatz mit dem angestrebten Schutzniveau in Einklang bringen zu können, ist vor der detaillierten Planung von (Einzel-) Maßnahmen eine integrale und risikobasierte Betrachtung des gesamten Einzugsgebiets und seiner Attribute notwendig. Damit dies in Bayern objektiv und nach einem einheitlichen Vorgehen erfolgen kann, werden momentan in einem gemeinsamen Forschungsprojekt von Bayerischen Lan-

72 66 desamt für Umwelt und der Technischen Universität München, unter Beteiligung der Wasserwirtschaftsämter Kempten, Weilheim, Rosenheim und Traunstein, Leitlinien für die Erarbeitung integraler Wildbachentwicklungskonzepte (IWEK) ausgearbeitet. Abb. 1 Zielvorstellung für die Entwicklung der Schutzsysteme, (Rimböck, 2013) 2 Aktuelle Schwerpunkte Im Rahmen des Forschungsprojekts zur Entwicklung von Leitlinien für die Ausgestaltung integraler Wildbachentwicklungskonzepte wurden verschiedene Einzugsgebiete in Bayern und Österreich untersucht. Während zunächst anhand von vier Pilotstudien, die an vier unterschiedliche Ingenieurbüros vergeben wurden, die aktuellen Methoden und Herangehensweisen eruiert wurden (Rimböck & Asenkerschbaumer, 2012), gilt es im zweiten Schritt aktuelle Planungen in einen historischen Kontext einzubinden (Stauder, 2013) und so deren Hintergründe transparent und für neue Planungen nutzbar zu machen. Parallel werden Fragestellungen behandelt, die sich direkt mit spezifischen Aspekten der Maßnahmenplanung beschäftigen. Konkret geht es momentan darum auszuloten welche Bedeutung ingenieurbiologischen Maßnahmen in der Vergangenheit zukam bzw. heute zukommt, wie sich diese Maßnahmen über die Jahrzehnte entwickelt haben und wo sich zukünftige Anwendungssituationen dieser Bauweisen befinden können. Eine weitere Arbeit, auf die hier jedoch nicht weiter eingegangen wird, beschäftigt sich mit der Analyse flächenwirtschaftlicher bzw. flächiger ingenieurbiologischer Maßnahmen in Wildbacheinzugsge-

73 bieten und deren längerfristigen Wirkungen, um zukünftig fundierter Aussagen über deren Wirksamkeit treffen zu können. Darüber hinaus wird daran gearbeitet, ein Tool zur Beurteilung der langfristigen Wirtschaftlichkeit von unterschiedlichen Wildbachschutzsystemen bzw. -bauwerken weiter zu entwickeln, um so für das jeweilige Einzugsgebiet verschiedene Varianten auch bezüglich deren ökonomischer Effizienz beurteilen zu können. Im Folgenden werden die ersten Ergebnisse der abgeschlossenen und laufenden Arbeiten dargestellt. 2.1 Möglichkeiten ingenieurbiologischer Maßnahmen Grundsätzlich lässt sich festhalten, dass ingenieurbiologische Maßnahmen eine lange Tradition in der Wildbachverbauung haben, jedoch in der Vergangenheit schwankende Popularität genossen. Diese wurde nicht zuletzt durch die verfügbaren Ressourcen (Wissen, Arbeitskräfte, Technologie etc.) beeinflusst. In der jüngeren Vergangenheit wurden Dank neuer Erkenntnisse in den Bereichen Biologie und Standortkunde zusätzliche neue Techniken entwickelt, die aufgrund der zunehmend umfassenderer Datenlage zur Situation in den jeweiligen Wildbacheinzugsgebieten nun sehr zielgerichtet und effizient eingesetzt werden können. Die Wirkmechanismen aus dem naturnahen Erdbau (Begemann & Schiechtl, 1986) sind sehr vielfältig und schaffen somit einen breiten Anwendungsbereich. Die Maßnahmen werden hier jedoch im Wesentlichen außerhalb des Gerinnequerschnitts lokalisiert, da die Pflanzen(-teile) den massiven Einwirkungen durch (geschiebeführende) Abflüsse zumeist nicht wiederstehen können. Falls im Bereich der Wildbachverbauung auf ingenieurbiologische Bauweisen zurückgegriffen wird, ist es auch hier entscheidend diese richtig anzuwenden, d.h. die richtige Konstruktion mit der richtigen Zusammenstellung des Pflanzenmaterials, am richtigen Ort, zur richtigen (Jahres-)Zeit, durch kundiges Personal richtig einzubauen. Daneben kommt auch der richtigen Lagerung des Pflanzenmaterials, Düngung, Humusierung und der realistischen Abschätzung der Entwicklungszeit eine elementare Bedeutung zu. Im Vorfeld müssen die notwendigen Vorarbeiten (Ableiten von Fremdwasser, Aufbereitung des Oberbodens, Ausformen der Ränder, Drainage des Untergrunds) (Schiechtl, 1987) durchgeführt werden. Begleitend sowie nach Abschluss der Baumaßnahmen sind passendes Monitoring, Pflege und ggf. Schutzmaßnahmen wie Verbissschutz zu gewährleisten, um schnell auf mögliche ungünstige Entwicklungen reagieren zu können und die Erfahrungen in Zusammenhang mit der jeweiligen Maßnahme für die Nachwelt zu dokumentieren bzw. um optimale Entwicklungsbedingungen zu schaffen. Die Evaluation des Erfolgs solcher Projekte erstreckt sich über mehrere Jahre bzw. Jahrzehnte und ist mit unter schwer zu quantifizieren. 67

74 68 Tabelle 1 gibt einen Überblick über grundsätzlich für den Schutz vor Wildbachgefahren geeignete ingenieurbiologische Bauweisen zur Stabilisierung der Einhänge: Tabelle 1 Ingenieurbiologische Bauweisen Kombinierte Bauweisen Stabilbauweisen Deckbauweisen Ergänzungsbauweisen Begrünte Holzkrainerwände Lebender Flechtzaun Spreitlagen Gehölzsaaten Begrünte Trockenmauern Cordonbau Rasenverlegung Rhizomstecklinge / -häcksel Begrünte Drahtschotterbehälter Hangfaschinenbau Ansaaten Pionierpflanzungen Lebende Hangroste Hecken- / Buschlagenbau Ballenpflanzungen Runsenausbuschungen Heckenbuschlagenbau Topfpflanzungen lebender Faschinendrain, Palisadenbau Steckhölzer Lochpflanzungen Ingenieurbiologische Maßnahmen im Verbund mit technischen Verbauungen sind, wenn diese richtig kombiniert werden, am wirksamsten. Beispielsweise entsteht im Zuge der der Baumaßnahmen bei der Errichtung technischer Schutzbauwerke mitunter ein zusätzlicher Flurschaden, welcher unter geeigneten Voraussetzungen durch die Ergänzung ingenieurbiologischer Bauweisen langfristig minimiert werden kann. Umgekehrt können Pflanzen bzw. Pflanzenteile nur dann ihre Wirkung entfalten, wenn eine grundlegende Stabilisierung des Hangs bzw. der Anbrüche oberhalb durch technische Maßnahmen gewährleistet ist. Lediglich in den höheren Lagen der Einzugsgebiete lassen sich biologische Maßnahmen ohne technische Unterstützungsbauwerke in Form von Begrünungen und Aufforstungen umsetzen (Florineth, 1982). Da lebende Schutzbauwerke hinsichtlich negativer Einflüsse (Schadensereignisse) eine höhere Resilienz besitzen und demnach zum einen in der Regel nicht abrupt versagen, sich zum anderen in gewissem Umfang selbst wieder instand setzen (elastische Konstruktionen) und weiter entwickeln, entsprechen sie an sich Vorstellungen von zukünftigen Schutzsystemen (vgl. Zusammenfassung). Ferner besitzen sie unter entsprechenden Rahmenbedingungen eine längere Lebensdauer als technische Bauwerke und sind somit, wenn richtig eingesetzt, langfristig kostengünstiger. Hier zeigt sich der Anknüpfungspunkt bezüglich der nachhaltigen und Sanierung von bestehenden Schutzsystemen sowie der Notwendigkeit das Einzugsgebiet integral zu erfassen. Denn nur dann

75 69 lassen sich die ingenieurbiologischen Maßnahmen optimal auf die Gegebenheiten und Erfordernisse vor Ort abstimmen. Wenn dies geschehen ist, lassen sich Funktion, die in der Vergangenheit von technischen Bauwerken gewährleistet wurden, zumindest zum Teil durch ingenieurbiologische Lösungen übernehmen bzw. ergänzen. Somit erweitert sich der Spielraum bei der Instandsetzungsplanung immens in Richtung Optimierung. 2.2 Langfristige Wirtschaftlichkeit unterschiedlicher Wildbachschutzsysteme Während die Kosten für den Neubau (Grunderwerb, Planung, Herstellung, Reinvestition) der unterschiedlichsten Wildbachschutzsysteme in ihrer Gesamtheit bekannt sind, gibt es für die Abschätzung der langfristigen Kosten und somit der tatsächlichen Gesamtkosten nur sehr grobe Ansätze. Diese bilden zumeist die jährlichen Kosten als gewissen Prozentsatz der Neubaukosten ab und diskontieren dies über die Jahre mit einem gewählten Prozentsatz. Da diese Herangehensweise sehr pauschal ist und die Kosten über die Lebensdauer des Bauwerks unter Umständen beinahe die Neubaukosten erreichen bzw. diese übersteigen können (vgl. Tabelle 2), ergibt sich die Notwendigkeit genauerer Betrachtungen (Romang, 2004). Tabelle 2 Jährliche Kosten, Lebensdauern (Bayerisches Landesamt für Umwelt, Referat 62, 2012) und Anzahl der Reinvestitionen über 100 Jahren Bauwerke bzw. Anlagen Jährliche Instandhaltungskosten in [%] der Herstellungskosten Lebensdauer [Jahre] Anzahl der Reinvestitionen Betonbauwerke 0, Erdbauwerke (Dämme, Deiche) Holzbauwerke in der Wildbachverbauung Stahlwasserbau (ohne Antriebe) Kleine Rückhaltebecken (< m³) 0, , , ,50-0 Steinsätze und -blöcke 0, Maschinen- und Elektrotechnik 1, Mobile Elemente 2, Durch die Untersuchung von Wildbachschutzprojekten in ausgewählten Einzugsgebieten mit unterschiedlichen Charakteristika konnten die Ansätze für die jährlichen Kos-

76 70 ten verschiedener Sperrenbauwerke wesentlich feiner aufgeschlüsselt werden und Bandbreiten angegebene werden. Durch die Optimierung und Erweiterung eines bestehenden Excel-Tools lassen sich nun die jährlichen Kosten (auf 100 Jahre betrachtet) sehr viel genauer abschätzen und so fundierter Aussagen über die langfristige wirtschaftliche Effizienz unterschiedlicher Konzepte treffen. Was nun wie zu den jährlichen Kosten zählt und wie es dort aufgeschlüsselt wird, war neben den, oft zu großen Posten zusammengefassten, Baukosten ein Kernproblem. Letztendlich erwies sich folgende Einteilung (vgl. Abb. 2) als am ehesten zielführend: Abb. 2 Aufteilung der jährlichen Kosten Um die unterschiedliche Aufteilung innerhalb dieser Systematik einerseits für eine große sowie andererseits für mehrere kleine Sperrenbauwerke zu untersuchen, wurde für jedes reale Projekt eine jeweils alternative fiktive Lösung mit äquivalentem Nutzen angenommen. Erste Ergebnisse deuten darauf hin, dass den Inspektionskosten, die nur sehr unzureichend dokumentiert sind, eine eher untergeordnete Bedeutung zukommt. Hier nivelliert sich der Unterschied zwischen einem großen Bauwerk und vielen kleinen dadurch, dass große Sperren zwar öfter und intensiver inspiziert werden müssen, diese jedoch in der Regel in kleinerer Anzahl erstellt werden und zumeist einfacher zu erreichen sind, da sie sich nicht über weite Strecken in unwegsamem Gelände verteilen. Abb. 3 Bild inks: Exemplarische Planung mit mehreren kleinen Bauwerken, rechts: exemplarische Planung mit einem großen Bauwerk (eigene Aufnahmen) Zur Wartung wurden bisher offensichtlich nur Räumkosten gezählt, die naturgemäß für kleine Konsolidierungssperren nicht anfallen bzw. hier dann zu Gewässerunterhaltung gerechnet werden und somit nur für große Rückhaltesperren angesetzt werden.

77 Die Instandsetzungskosten stellen neben den Herstellungskosten den größten Anteil an den Gesamtkosten, wobei sich hier bei den angenommenen äquivalenten Schutzsystemen ein direkter Zusammenhang zeigt. So sind die Instandsetzungskosten bei Systemen aus kleinen Bauwerken allem Anschein nach höher als bei großen Bauwerken (vgl. Abb. 3). Grundsätzlich muss bei diesen Betrachtungen jedoch berücksichtigt werden ob auch der Nutzen der Maßnahmen äquivalent ist, welche nicht monetär quantifizierbaren Effekte auftreten bzw. gewünscht sind und wie sich die Schutzziele bzw. Schutzgüter über die Jahrzehnte entwickelt haben. Somit kann schon in diesem Stadium der Untersuchungen festgehalten werden, dass auch Wirtschaftlichkeitsuntersuchungen nicht ohne eine räumlich wie zeitlich integrale Betrachtung des Einzugsgebiets auskommen Ausblick und weitere Arbeiten In Zusammenhang mit dem hier dargestellten Projekt laufen am Lehrstuhl für Wasserbau und Wasserwirtschaft der Technischen Universität München momentan mehrere Arbeiten. In einer davon wird der Frage nachgegangen, wie sich durch die Verbesserung des Hochwasserschutzes (Ausbau auf ein hundertjährliches Hochwasserereignis (HQ100) das Gesamtrisiko für eine Gemeinde ändert. Überschwemmungsgebiete werden für ein HQ100 ermittelt und festgesetzt. Innerhalb dieser Bereiche ist die Ausweisung von Baugebieten bzw. die Errichtung von Einzelanwesen verboten bzw. nur unter bestimmten Auflagen möglich ( 78, Wasserhaushaltsgesetz - WHG, 2009). Außerhalb dieser Gebiete, also vor allem in Bereichen, die bei selteneren Hochwasserereignissen betroffen sind, gibt es keine rechtlichen Einschränkungen bzw. Auflagen. Eine Vorsorge für den Hochwasserfall ist hier rein freiwillig. Sobald innerörtliche Überschwemmungsgebiete durch Hochwasserschutzanlagen vor einem HQ 100 geschützt werden, entfallen auch hier sämtliche rechtlichen Einschränkungen. Hier spielt die Ausweisung neuer Baugebiete eine entscheidende Rolle, da für diese Bereiche nun zwar ein Schutz bis zu einem HQ100 besteht, jedoch ein Restrisiko für größere Ereignisse bestehen bleibt. Das Risiko (Produkt aus Schadenspotenzial und Eintretenswahrscheinlichkeit), ausgedrückt durch den mittleren jährlichen Schaden, soll für verschiedene (Ausbau-) Szenarien beurteilt werden. Aufbauend auf diesen Erkenntnissen soll eine klare Botschaft formuliert werden, in wie weit neben dem Ausbau des technischen Hochwasserschutzes noch weitere begleitende Vorsorgemaßnahmen (z.b. Eigenvorsorge, Versicherung, Alarm- und Einsatzplanung etc.) getroffen werden müssen, um dem Ziel Reduzierung des Hochwasserrisikos umfassend und nachhaltig gerecht zu werden.

78 72 Ein weiterer Arbeitsschwerpunkt behandelt die Frage nach der Relevanz einzelner Wildbachschutzbauwerke vertiefter. Zum einen gibt es zahlreiche Bauwerken die teileweise schon seit über einem Jahrhundert mit Hilfe von Sanierungen und Umbauten immer noch einen spezifischen Schutzzweck erfüllen. Daneben existiert in den bayerischen Wildbächen jedoch auch eine beträchtliche Anzahl von Bauwerken, die aus unterschiedlichsten Gründen (Funktion kann nicht mehr erfüllt werden, Funktion nicht mehr notwendig, möglicherweise negative Effekte), heute und wahrscheinlich in Zukunft, nicht mehr unterhalten werden sollten. Um welche Bauwerke nach Typ und Lage es sich dabei handelt, unter welchen Voraussetzungen sie aufgelassen werden können und wie ein begleitendes Monitoring ablaufen muss ist dabei zumeist unklar (vgl. Abb. 4). Abb. 4 Links: Planung 1929 (WLV Tirol), rechts: Desolater Zustand desselben Bauwerks 2012 (eigene Aufnahme) Zunächst sind im Zuge dieser Arbeit Einzugsgebietseigenschaften sowie sonstige Rahmenbedingungen, die das Auflassen von Bauwerken der Wildbachverbauung (Typ, Lage, Bauzeit, Funktion, Größe, Begleitmaßnahmen, etc.) generell zulassen bzw. beeinflussen, zu identifizieren und zu bewerten. Aufbauend darauf ist eine allgemein anwendbare Systematik zu entwerfen, um diese Aspekte übersichtlich abbilden zu können. Im Anschluss ist ein Konzept für einen Nachweis zu entwickeln, mit dem man auf Basis eines objektiven Variantenvergleichs fundierte Aussagen über die Relevanz einzelner Bauwerke in einem konkreten Wildbacheinzugsgebiet treffen kann. In diesem Kontext bewegt sich eine weitere Arbeit, die den Einfluss historischer Verbauungsgrundgedanken zum Schutz vor Wildbachgefahren auf aktuelle Planungen untersucht. Die äußeren Umstände haben einen direkten Einfluss auf den Bau und die Ausgestaltung von Wildbachschutzsystemen und haben in Bayern über die Jahrzehnte zu einer immensen Anzahl verschiedenster Schutzbauwerke und Schutzsysteme geführt. Die ursprünglich bestehenden bzw. mehrfach umgebauten Schutzsysteme und die zugrundeliegende Strategie spiegeln also einen von den historischen Rahmenbedingungen determinierten Verbauungsgrundgedanken (z.b. Schaffung oder Sicherung landwirtschaftlicher Flächen, Stabilisierung von Geschiebepotenzialen, Tourismus

79 etc.) wieder. Wann jedoch welche äußeren Faktoren die Anordnung und Bauweise von Wildbachschutzbauwerken wie beeinflusst haben ist bis dato nicht klar (vgl. Abb. 5). 73 Abb. 5 links: Zustand 1954 (WLV Salzburg), rechts: Planung 2008 für denselben Bereich (WLV Salzburg) Da die historischen Planungsunterlagen nicht immer vorhanden sind bzw. deren Auswertung sehr zeitintensiv ist, ist es mitunter schwierig einzelne existierende Bauwerke einem Verbauungsgrundgedanken und somit einer gewissen Entstehungszeit mit typischen Bauwerkskonstruktionen und -kompositionen zuzuordnen. Dies ist aber eine wertvolle Grundlage, um im Zuge zukünftiger Planungen Aussagen über deren Anpassbarkeit, Sanierbarkeit, Dauerhaftigkeit sowie aktuelle und zukünftige Relevanz treffen zu können. Auf Basis historischer Analysen geeigneter Wildbachschutzsysteme und im Vergleich sollen Gemeinsamkeiten zwischen historischen Rahmenbedingungen bzw. Zeiträumen und den entsprechenden vorherrschenden Verbauungsstrategien im zeitlichen Kontext herausgearbeitet werden und geeignete charakteristische Beispiele identifiziert werden. 4 Fazit Um zukünftig nachhaltige Wildbachentwicklungskonzepte aufstellen zu können, ist es notwendig nicht nur den Raum ganzheitlich zu analysieren, sondern auch über die Berücksichtigung der historischen sowie der zu erwartenden zukünftigen Entwicklungen im Einzugsgebiet eine zeitlich integrale Betrachtung sicherzustellen. Diese Notwendigkeit wird unter dem Eindruck limitierter (finanzieller) Ressourcen mehr und mehr deutlich. Daher ist es heute essentiell, im Vorfeld von Planungen in Wildbacheinzugsgebieten detaillierte und umfassende Untersuchungen auf Basis wissenschaftlich fundierter Grundlagen durchzuführen und diese anschaulich zu dokumentieren. Nur so können in dieser von Unwägbarkeiten, langjährigen Erfahrungen und Expertenwissen geprägten Materie auch in Zukunft nachhaltige und vertretbare Entscheidungen getroffen werden.

80 74 5 Literatur 78, Wasserhaushaltsgesetz - WHG. ( ). Bayerisches Landesamt für Umwelt, Referat 62. (2012). Handlungsanleitung für die Wertermittlung unbarer Beteiligtenbeiträge bei Hochwasserschutzvorhaben des Freistaats Bayern. Begemann, W., & Schiechtl, H. (1986). Ingenieurbiologie - Handbuch zum naturnahen Erdbau. Wiesbaden und Berlin: Bauverlag. Florineth, F. (1982). Erfahrungen mit ingenieurbiologischen Maßnahmen bei Fließgewässern im Gebirge. In W. Kemmerling, Ökologie von Fließgewässern - Ingenieurbiologische Sanierungsmaßnahmen (S ). Wien: Institut für Wassergüte und Landschaftswasserbau Technische Universität Wien. Rimböck, A., & Asenkerschbaumer, M. (2012). Integral Torrent Development Concepts - Reconstruction Under Consideration Of Future Developments. München: 2nd IAHR Europe Conference. Rimböck, A., Eichenseer, E., & Loipersberger, A. (2012). Intergrale Wildbach-Entwicklungskonzepte - Ein neuer Ansatz, um Erhalt und Zukunftsanforderungen in Einklang zu bringen? 12th Congress Interpreavent Conference Proceedings (S bis 1065). Grenoble: International Research Society Interpreavent. Romang, H. (2004). Wirksamkeit und Kosten von Wildbach-Schutzmaßnahmen. Bern: Geographica Bernensia. Schiechtl, H. M. (1987). Böschungssicherung mit ingenieurbiologischen Maßnahmen. In U. Smoltczyk, Grundbautaschenbuch (S ). Stuttgart: Ernst & Sohn. Stauder, F. (2013). Masterarbeit: Historische Entwicklung von Wildbachschutzkonzepten. München: Lehrstuhl für Wasserbau und Wasserwirtschaft der Technischen Universität München. Anschrift des Verfassers Florian Stauder, M.Sc. Lehrstuhl für Wasserbau und Wasserwirtschaft Technische Universität München Arcisstr München florian.stauder@tum.de

81 Das Sommerhochwasser 2013 in Sachsen und Sachsen-Anhalt Jürgen Stamm und Torsten Heyer Kurzfassung Großflächige und ausgiebige Niederschläge im Vormonat führten im Juni 2013 zu einem deutschlandweiten Hochwasserereignis. In Sachsen stellten sich Elbwasserstände über dem 50-jährlichen Ereignis ein. In Sachsen-Anhalt traten an allen Elbepegeln historische Höchstwerte auf. Dabei trugen insbesondere die Saale und die Mulde bzw. ihre Nebenflüsse entscheidend zur hohen Intensität des Hochwassers 2013 in Mitteldeutschland bei. Extremwerte ergaben sich in Sachsen-Anhalt an der Saale und in Sachsen an der Weißen Elster, der Pleiße und der Zwickauer Mulde. Insgesamt kam es in Sachsen zu 40 und in Sachsen-Anhalt zu 10 Deichbrüchen. Der Gesamtschaden in beiden Bundesländern wird derzeit auf knapp 5 Mrd. Euro geschätzt. Durch die (teilweise) Umsetzung der in beiden Bundesländern speziell nach dem Hochwasser 2002 aufgesetzten Hochwasserschutz-Investitionsprogramme konnten größere Schäden dennoch verhindert werden. 1 Einleitung Hochwasser sind wiederkehrende Ereignisse und dennoch hört man seitens der Bevölkerung immer wieder: Das hat es noch nie gegeben!. In der zurückliegenden Dekade liefen im August 2002, April 2006, August/September 2010 und im Juni 2013 Ereignisse ab, deren Jährlichkeiten vielerorts über 50 lagen und z. T. zu historischen Maximalwerten führten. Selbstverständlich hat jedes Ereignis sein Spezifikum aufgrund seines Einzugsgebiets und der meteorologischen Ursächlichkeit, hinsichtlich der Fülle und Dauer des Ereignisses sowie der Schadenswirkung. Hierzu gibt es zahlreiche Analysen (BfG & DWD, 2013; LUG, 2003; LfULG, 2013; LfULG & LTV, 2013; LHW, 2014). Das Schadenspotenzial in den Überschwemmungsgebieten steigt i. A. ebenso wie die Betroffenheit der Bürger und das mediale Interesse daran. Hochwasserereignisse sind von sozio-ökonomischer Bedeutung. Sie fordern einerseits neue ingenieurtechnische Lösungen und andererseits eine höhere Resilienz in den Überschwemmungsgebieten, wie letztlich in der EU-Hochwasserrisikomanagement-Richtlinie im Jahr 2007 zum Ausdruck gebracht worden ist. Damit wurde einen Paradigmenwechsel im Umgang mit Hochwasser eingeläutet. In diesem Beitrag soll daher die regionale Entwicklung und das Management des Hochwasserereignisses 2013 begrenzt auf die beiden benachbarten

82 76 Bundesländer Sachsen und Sachsen-Anhalt dargelegt und teilweise vergleichend zum Ereignis 2002 betrachtet werden. 2 Ursachen Im Mai 2013 führte die stabile Großwetterlage TM (Tief/Mitteleuropa) mit zwischenzeitlicher Trogwetterlage beständig feuchte Luft aus Südosteuropa nach Norden und aus nord-östlicher Richtung nach Mitteleuropa heran (BfG & DWD, 2013). Dies führte zu langanhaltenden Starkniederschlägen an Mittelgebirgen und dem Alpenvorland (Abb. 1). In der Summe brachte sie in Sachsen jedoch weniger Gesamtniederschlag als die Vb- Wetterlage im August 2002 (Abb. 2). Abb. 1 Niederschlagssumme [mm] in der Zeit vom bis (jeweils 6:00 Uhr) (aus: BfG & DWD, 2013) Abb stündige Niederschlagsdifferenz vs (n. CEDIM, 2013) Auf Grund der hohen Niederschläge im Mai 2013, die im bundesweiten Flächenmittel ca. 178 % über den langjährigen Niederschlägen lagen (CEDIM, 2013), kam es zu einer weitgehenden Bodenwassersättigung mit einhergehender Abnahme der Wasseraufnahmekapazität. Auf ca % der Flächen in Deutschland war der Boden bis in etwa 60 cm Tiefe wassergesättigt. Dies führte zur größten räumlichen Ausdehnung aller Hochwasserereignisse seit 1950 (> 46% des deutschen Gewässernetzes von mind. 5-jährlichem Hochwasser betroffen) mit zum Teil neuen historischen Extremwerten an vielen Pegeln im Donau- und Elbeeinzugsgebiet.

83 77 3 Verlauf Maßgeblich für das Hochwasser der Elbe auf sächsischem Gebiet war der Hochwasserzufluss aus der Moldau (Pegel Prag-Chuchle/Moldau: Qmax m 3 /s). Der Elbescheitel passierte die deutsch-tschechische Grenze am Morgen des 6. Juni, wobei am Pegel Schöna ein Abfluss von ca m 3 /s bei einem Scheitelwasserstand von 10,65 m ü. PN ermittelt worden ist. Der Abfluss war dort somit um ca m 3 /s (- 26 %) niedriger als der Scheitelabfluss des Hochwassers Auch im weiteren Verlauf der sächsischen Elbe wurden zwar durchgehend die höchsten Alarmstufen, jedoch nicht die historischen Höchstwasserstände (überwiegend aus HW 2002) erreicht (Abb. 3). Beispielsweise lag der Scheitelwasserstand am Pegel Dresden mit 8,76 m ü. PN 64 cm unterhalb des Hochwasserscheitels Die Jährlichkeit des Hochwassers 2013 an den sächsischen Elbe-Pegel wird derzeit mit ca Jahren angegeben (FGG, 2013). Abb. 3 Pegel mit neuen Höchstwasserständen bzw. maximalen Alarmstufen im Einzugsgebiet der Elbe während des HW 2013 (Quelle: FGG, 2013)

84 78 Eine andere Situation ergab sich an den westlichen Nebenflüssen der Elbe im mitteldeutschen Raum. Aus Abbildung 3 geht hervor, dass Höchstwasserstände zunächst in den Fließgewässern im Bereich der Landesgrenze zwischen Thüringen und Sachsen auftraten. Mit dem Zufluss dieser Fließgewässer in die Mulde und die Saale und deren spätere Einmündung in die Elbe traten an den Elbepegeln im bzw. unterhalb des Mündungsbereichs maximale jemals beobachtete Wasserstände auf. Somit wird der signifikante Einfluss dieser beiden Nebengewässer, insbesondere jedoch der Saale, auf das Elbehochwasser des Jahres 2013 deutlich (siehe auch Abb. 4). Abb. 4 Wellenablauf der Hochwasser 2013 (links) und 2002 (rechts) an der Elbe auf der Basis von Abflüssen (Quellen: BfG & DWD, 2013; BfG, 2002) Der Hochwasserscheitel der Vereinigten Mulde erreichte den Mündungsbereich in die Elbe am 5. Juni und somit drei Tage vor dem Scheiteldurchgang des Elbabflusses. Obwohl die Abflüsse an den sächsischen Mulde-Pegeln Golzern 1 und Bad Düben 1 unter den Werten des Hochwassers 2002 lagen, war der maximale Zufluss in die Elbe im Bereich Dessau mit ca m 3 /s größer als beim HW 2002, da beim HW 2013 entlang der sächsischen Mulde deutlich weniger Deichbrüche (ca. 17) aufgetreten waren als im Jahr 2002 (> 80). In diesem Zusammenhang ist zu erwähnen, dass durch den Bruch des Muldedeiches an der Landesgrenze zwischen Sachsen und Sachsen-Anhalt (3. Juni, abends), auf den später noch eingegangen wird, bis zu ca. 500 m 3 /s aus der Mulde abgeschlagen worden sind. Der Scheitelabfluss der Elbe wurde durch den Zufluss der Mulde noch um ca. 500 m 3 /s erhöht. Trotz der Tatsache, dass der Saalescheitel (6. Juni) und der Elbscheitel (8. Juni) den Bereich der Saalemündung mit einem zweitägigen Versatz passierten, erhöhte sich der Gesamtabfluss der Elbe durch den Saalezufluss um ca m 3 /s. Infolgedessen wurden am unmittelbar unterhalb der Saalemündung gelegenen Elbe-Pegel Barby (9. Juni) sowie an allen weiteren Elbe-Pegeln auf dem Gebiet Sachsen-Anhalts historische Höchstwasserstände registriert. Dabei wurde am Pegel Barby der zu diesem Zeitpunkt gültige HQ200-Wert (Q = m 3 /s) mit einem bislang geschätztem Abfluss von

85 Q m 3 /s überschritten. Der Elbe-Umflutkanal, der beim Hochwasser 2013 den Abfluss der Elbe entlang der Strecke Schönebeck und Magdeburg um bis zu ca. 25 % (QEUK m 3 /s) reduzierte, erreichte bei diesem Ereignis bereichsweise seine Kapazitätsgrenze, so dass an mehreren Abschnitten Aufkadungen der Umflutdeiche notwendig waren. Am Pegel Magdeburg-Strombrücke wurde am 9. Juni ein neuer Höchstwasserstand von 7,47 m ü. PN registriert, der somit um 46 cm bzw. 67 cm über den Scheitelwasserständen der Hochwasser von 1941 bzw lag. Mit dem Ziel, die Wasserstände in der Unteren Mittelelbe stromab des Pegels Wittenberge zu reduzieren, erfolgte am 9. Juni die Flutung des Havelpolders über das Einlasswehr Neuwerben. Ungefähr zur gleichen Zeit ereignete sich im Bereich der Ortschaft Fischbeck ein Deichbruch, der zur großflächigen Überflutung des Elbe-Havel-Winkels führte. Beide Ereignisse waren Ursache für eine stärkere Verformung der Hochwasserwelle, die zunächst am Pegel Tangermünde erfasst worden ist. Die Scheitelwasserstände lagen dennoch am Pegel Tangermünde sowie am Pegel Wittenberge um 70 cm bzw. um 51 cm über den Werten des HW Tabelle 1 HW-Scheitelwerte an Elbepegeln (Auswahl) im historischen Vergleich HW-Ereignis Pegel Wmax [cm ü. PN] Schöna Dresden Magdeburg Neu Darchau Hochwassermanagement 4.1 Sachsen Nach dem Hochwasserereignis 2002 wurde in Sachsen mit der Aufstellung von insgesamt 47 Hochwasserschutzkonzepten (HWSK) für Gewässer 1. Ordnung begonnen, die bis 2010 durch weitere 25 kommunale HWSK für Gewässer 2. Ordnung ergänzt wurden (Müller, 2010). Die Erstellung erfolgte zunächst für 5 Piloteinzugsgebiete zur Anpassung der Methodik an sächsische Verhältnisse. Die Konzepterstellung war finanziell eingebettet in das Hochwasserschutz-Investitionsprogramm. In der Summe umfassen die Maßnahmenpläne ca Hochwasserschutzmaßnahmen für ganz Sachsen mit einem Investitionsvermögen von ca. 2 Mrd. Euro (Müller, 2010).

86 Schaden/Kosten [Mrd. EUR] 80 Für die Abarbeitung der Vielzahl von Einzelmaßnahmen wurde ein Priorisierungsverfahren entwickelt, das sich am Schadenspotenzial orientiert. Diese Vorgehensweise hat sich mittlerweile als richtig erwiesen. Leider kam es oft zu juristischen Verzögerungen, weshalb auch heute noch nicht alle HWSK umgesetzt sind. Das Beispiel Grimma an der Mulde legte den medial ausgetragenen Konflikt zwischen Einzelinteressen und Gemeinwohl in drastischer Weise offen. Als glücklicher Umstand darf gewertet werden, dass das Einlaufbauwerk an der Weißen Elster zur Flutung des Zwenkauer Sees bei Leipzig wenige Wochen vor dem HW 2013 eingeweiht wurde und somit gerade rechtzeitig in Dienst genommen werden konnte. Insgesamt lag die Zahl der Deichbrüche in Sachsen beim HW 2013 bei 40, gegenüber mehr als 100 im Jahr 2002 (FGG, 2013). Dennoch konnte eine signifikante Verringerung der Schäden bei Hochwassern vergleichbarer Intensität durch technische und nichttechnische Maßnahmen (Sensibilisierung, Katastrophenmanagement, etc.) erreicht werden (Abb. 5) HW 2002 HW HW 2013 Jahr/Zeitraum Abb. 5 Schadenshöhen in Mrd. Euro 2002 und 2013 im Freistaat Sachsen sowie Investitions- und Wiederherstellungskosten zwischen den beiden Ereignissen Zwischen den beiden Ereignissen konnten in den Jahren 2003 bis 2012 in Sachsen insgesamt ca. 1 Mrd. Euro in die Schadensbeseitigung und weitere ca. 0,6 Mrd. Euro in Hochwasserschutzmaßnahmen investiert werden. Die Sinnhaftigkeit dieser Investitionen wurde am von Sachverständigen dem Ausschuss für Umwelt und Landwirtschaft des Sächsischen Landtages dargelegt. Neben der Erhöhung des Flächenrückhalts wurde auch die Retention durch Stauanlagen vergrößert. Seit dem HW 2002 fand eine Erhöhung des Hochwasserrückhalteraums um 45 Mio. m³ statt. Der Gesamtstauraum sächsischer Talsperren von ca. 600 Mio. m³ hält nunmehr 205 Mio. m³ (160 Mio Mio.) für den Hochwasserrückhalt vor. Aktuell ist keine signifikante Steigerung mit bestehenden Anlagen möglich, da die multifunkti-

87 onalen Anlagen auch andere Bedarfe decken müssen (Klimawandel, Trinkwasserbereitstellung etc.). Eventuelle Verbesserungen könnten sich durch eine optimierte Vorentlastung erschließen, deren Steuerungsgüte abhängig von der Prognosegenauigkeit der Eingangsparameter (Meteorologie, Hydrologie) ist. Im Stadtbereich Dresden zeigte sich zwar eine relativ gute Übereinstimmung der im numerischen Modell des IWD simulierten Wasserstände mit den gemessenen Wasserständen (Abb. 6), dennoch bestanden gerechtfertigte Zweifel an der Durchflussmenge. Aus diesem Grund beauftragte das Umweltamt Dresden das IWD zur Durchflussmessung innerhalb der Stadtstrecke zwischen der Albert- und Carolabrücke. Die Abflussmessungen wurden am Donnerstag, den im Zeitraum zwischen 10:00 Uhr bis 14:00 Uhr bei Durchgang des Scheitels (Pegelstand 876 cm ü. PN) mit Unterstützung des THW Saar-Louis (Abb. 7) durchgeführt. 81 Abb. 6 2D-HN-Elbe-Modell des IWD im Bereich Dresdens und Beispiel einer daraus erstellten Karte mit pegelbezogener Ausweisung potenzieller Überflutungsflächen (Quelle: Abb. 7 Mehrzweckboot auf Trailer mit montiertem ADCP-Messkopf auf Backbordseite (Foto: H. Martin, aus: Stamm et al., 2013) Als ADCP-Messsonde kam ein RDI Rio Grande Workhorse 1200 mit der Dienstsoftware WinRiver 1.04 zum Einsatz. In insgesamt sieben Profilmessfahrten und einer

88 W [cm ü. PN] 82 Schleifenfahrt wurde ein unkorrigierter mittlerer Durchfluss von etwa 3650 m³/s gemessen und nach Berücksichtigung der erforderlichen Korrektur ein Durchfluss von ca m³/s errechnet. Für weitergehende Informationen wird auf Stamm et al. (2013) verwiesen. Die Daten wurden an die Bundesanstalt für Gewässerkunde übergeben und fanden somit neben zahlreichen weiteren Messungen, die stromab Dresdens durchgeführt wurden, Eingang in die Ermittlung der neuen Abflusstafeln für die Elbepegel (Abb. 8). Somit beträgt der amtliche Durchfluss in Dresden bei einem Pegelstand von 876 cm ü. PN nunmehr 3920 m³/s (ab 11/2012) gegenüber 4380 m³/s nach alter Abflusstafel (ab 11/2010) AT 12S gültig ab 11/2012 AT 12 gültig ab 11/ Q [m³/s] Abb. 8 Abflusskurven des Pegels Dresden vor/nach 11/2012 (Quelle: BfG, 2014) Die teilweise neuen Abflusstafeln an Elbe (mit Gültigkeit rückwirkend ab ) und Saale (i. d. R. mit Gültigkeit rückwirkend ab ) wurden Ende März bzw. Anfang April 2014 durch die WSV nach vorheriger Abstimmung mit den Bundesländern eingeführt. 4.2 Sachsen-Anhalt Mit dem Ziel, das Hochwasserschutzniveau des Landes zu erhöhen, investierte das Land Sachsen-Anhalt im Nachgang des Hochwassers 2002, in dem Schäden in Höhe von ca. 1,3 Mrd. Euro zu verzeichnen waren, mehr als 450 Mio. Euro (Stand 2012) in die Ertüchtigung und den Neubau von Hochwasserschutzanlagen sowie in weitere (auch nichttechnische) Maßnahmen des Hochwasserrisikomanagements (LHW, 2012). Grundlage für diese Maßnahmen waren zwei Schutzkonzeptionen, die im März 2003 beschlossen worden waren. Im Rahmen der ersten Konzeption erfolgte die Beseitigung der Schäden des Hochwassers Im Mittelpunkt des zweiten Teils standen und stehen die Planung und Umsetzung von technischen Maßnahmen wie z. B. Deichsanierungen, -neubauten oder rückverlegungen. Darüber hinaus ist auch die Errichtung von Poldern

89 (z. B. Polder Rösa/Vereinigte Mulde) und von Rückhaltebecken (z. B. HRB Wippra) Gegenstand aktueller Aktivitäten für ein verbessertes Hochwasserrisikomanagement in Sachsen-Anhalt. Entsprechend einer Einschätzung in LHW (2014) war das zum Ereigniszeitpunkt bestehende Hochwasserschutzsystem Sachsen-Anhalts der Intensität des HW 2013 nur teilweise gewachsen. Im Nachgang des Hochwassers 2002 unternahm das Bundesland enorme planerische und bauliche Anstrengungen, so dass ca. 50 % der bestehenden Hochwasserschutzdeiche DIN-gerecht saniert worden sind. Schwachstellen an Flussdeichen, die fallweise zum vollständigen Versagen führten, ergaben sich folglich überwiegend an unsanierten Deichabschnitten. Insgesamt traten in Sachsen-Anhalt zehn größere Deichbrüche auf (LHW, 2014), von denen die Deichbrüche bei Breitenhagen/Saale und Fischbeck/Elbe, die in Summe zu einer Überflutung von ca. 235 km² führten, die größten Schäden nach sich zogen (Abb. 9). 83 Abb. 9 links: Deichbruch bei Fischbeck/Elbe (Quelle: dpa) rechts: Deichbruch bei Breitenhagen/Saale (Quelle: n24) Der Deichbruch an der Vereinigten Mulde zwischen Löbnitz und Pouch, der sich zwar auf sächsischer Seite ereignete, dessen Auswirkungen jedoch vorrangig im Bitterfelder Raum in Sachsen-Anhalt spürbar waren, stellte ein weiteres schwerwiegendes, jedoch aus wissenschaftlicher Sicht sehr interessantes Ereignis dar. Entsprechend den Darstellungen in Abbildung 10 führte der Bruch, der sich im Bereich eines Altarmes ereignet hatte, zu einer Füllung des Seelhausener Sees mit Zuflüssen von bis zu ca. 500 m³/s (LHW, 2014). Dies hatte zur Folge, dass der Pegelstand des Seelhausener Sees ca. 9 m über dem des benachbarten Tagebaurestsees Goitzsche lag. Dadurch und durch das beginnende Versagen (Überströmung) der Dämme des Lober-Leine-Kanals, der zwischen beiden Tagebaurestseen verläuft, bestand die Befürchtung, dass es zu einem unkontrollierten Durchbruch zwischen beiden Seen kommen könne, in dessen Folge eine großflächige Überflutung der Stadt Bitterfeld-Wolfen möglich erschien.

90 84 Seelhausener See Goitzsche Bitterfeld- Wolfen Vereinigte Mulde Goitzsche Vereinigte Mulde Seelhausener See Abb. 10 Systemverhalten an Tagebaurestseen im Raum Bitterfeld infolge des Deichbruchs an der Vereinigten Mulde Aus diesem Grund wurden Teile der Stadt vorsorglich evakuiert. Dieses Ereignis zeigte mit Nachdruck die zwingende Notwendigkeit, die Auswirkungen von versagenden Hochwasserschutzkomponenten nicht singulär und kleinräumig, sondern als Auslöser für mögliche Prozessketten, die sich in Abhängigkeit vom System sehr großräumig ausbilden können, zu betrachten. Auf Grundlage dieser komplexeren Sichtweise werden Priorisierungsentscheidungen (z. B. bezüglich des Zeitpunkts, der Art und des Umfangs von Deichertüchtigungsmaßnahmen) maßgeblich beeinflusst. 5 Neue Erkenntnisse und Ansätze Ein erfolgreiches Hochwasserrisikomanagement erfordert neben der wasserbaulichtechnischen Infrastruktur einen optimalen Hochwassernachrichten- und Alarmdienst. Basierend auf den Erfahrungen aus dem Jahr 2002 wurden diese Dienste in Sachsen grundlegend umstrukturiert (Müller, 2010), organisatorisch gestrafft und eine neue Hochwassermeldeordnung 2004 eingeführt. Die Kommunikation in der Gewässernachbarschaft, sowohl nach unter- als auch nach oberstrom, wurde kontinuierlich verbessert und z. T. im Rahmen eines EU-geförderten Ziel3-Projektes Sächsisch-Tschechisches Hochwasserrisikomanagement (STRIMA) konkret entwickelt. So haben sich die frühzeitige Verfügbarkeit von Daten und der konsolidierte Informationstransport für verschiedenste Akteure bewährt (Fachbehörden wie Öffentlichkeit). In Verbindung mit der Häufigkeit der Ereignisse innerhalb der letzten 10 Jahre führte das zu sichtbar höherer Gelassenheit im Umgang mit Hochwasser in Sachsen, auch vor dem Hintergrund, dass die Hochwasserstände und die eingetretenen Schäden im Jahr 2002 extremer waren. Anders verhielt es sich in Sachsen-Anhalt, wo die Wasserstände

91 85 vielerorts über den höchsten bislang beobachteten Werten lagen (siehe Bericht LHW, 2014). In Auswertung der Ereignisse und des Managements des Hochwassers 2013 wurden durch den Landesbetrieb für Hochwasserschutz und Wasserwirtschaft Sachsen-Anhalt sinngemäß u. a. folgende Schlussfolgerungen gezogen bzw. Forderungen formuliert (LHW, 2014): erhöhter Personalbedarf, insbesondere erhöhter Bedarf an Ingenieuren dringende Notwendigkeit, die Hochwasservorhersagezentrale auf neuesten, technischen Stand zu bringen Weiterentwicklung des Vorhersage- und Prognosemodells WAVOS in Abstimmung und Zusammenarbeit mit der BfG Erfordernis der Modernisierung des landeseigenen Hochwassermeldepegelnetzes Verbesserung des Arbeitsumfelds, vor allem der IT- und Kommunikationstechnik des Zentralen Einsatzstabs Notwendigkeit von regelmäßigen Schulungen ( Aus- und Fortbildungsplan Hochwasser ) und Übungen für Einsatzstabpersonal (in Zusammenarbeit mit Bundeswehr, THW, Feuerwehr, etc.) Kontaktpflege zu externen Deichfachberatern und Beteiligung derer an Ausund Fortbildungsveranstaltungen Darüber hinaus soll der verfügbare Rückhalteraum u. a. durch den Bau von Poldern und durch Rückverlegung von Deichen weiter erhöht werden, weshalb diesbezügliche Analysen und Planungen weiter zu intensivieren sind. Dieser Ansatz wird durch die Untersuchungen, die durch die BfG im Nachgang des Hochwassers 2013 durchgeführt worden sind, weiter bestärkt. Darin wurde analysiert, dass ohne die kontrollierten (Talsperren, Rückhaltebecken, Polder) bzw. unkontrollierten (Deichbrüche) Rückhaltungen die Scheitelwasserstände entlang der Elbe um ca cm höher ausgefallen wären (LHW, 2014). Des Weiteren konstatiert die BfG, dass mit einer erfolgten Umsetzung der laut Aktionsplan Hochwasser der IKSE geplanten Rückhalteräume, eine zusätzliche Wasserstandsreduzierung entlang der Elbe um ca cm beim HW 2013 möglich gewesen wäre. Abschließend soll an dieser Stelle kurz auf einige Neuheiten, die während des Hochwassers 2013 zu Tage traten, eingegangen werden. Auffallend war zunächst der unaufgeregte Umgang mit dem Naturereignis Hochwasser an den Orten, an denen das Hochwasser 2002 eine höhere Intensität gezeigt und damit größere Schäden verursacht hatte, als im Jahr 2013 (speziell in Sachsen). Dieses durch Erfahrung herrührende erhöhte Risikobewusstsein wurde sicher auch dadurch unterstützt, dass man sich durch technische

92 86 und nicht-technische Maßnahmen (z. B. Objektschutz, mobile HWS-Systeme, Informationsmanagement) vielerorts deutlich besser gewappnet sah als beim Hochwasser Leider zeigte sich jedoch auch, welche verheerenden Auswirkungen die Verzögerung geplanter Maßnahmen haben kann (z. B. Dresden-Gohlis, Grimma). Mit Blick auf die Hochwasserabwehr war die starke Nutzung internetbasierter, sozialer Netzwerke (z. B. Facebook, Twitter) bei der Bedarfsmeldung und Koordinierung von Verteidigungsmaßnahmen auffällig. Allerdings muss auch hier angemerkt werden, dass in zukünftigen Ereignissen eine bessere Prüfung und Kanalisierung des Informationsflusses notwendig ist, um einen effizienteren Einsatz von Ressourcen (z. B. Helfer, Sandsäcke) zu erzielen. In diesem Zusammenhang ist auch zu erwähnen, dass sich durch die Nutzung moderner Mobiltelefone die Datendichte der Hochwasserdokumentation zwar stark erhöht hat (Fotos, Videos), sich daraus jedoch auch erhöhte Anforderungen bezüglich der Datenauswertung und validierung im Nachgang des Hochwassers ergeben. Dies trifft in ähnlicher Weise auch auf die Aufnahme von temporären Wasserständen zu, welche durch die Nutzung mobiler GPS-fähiger Geräte heute möglich ist. Allerdings ist die Qualität der Daten, speziell mit Blick auf die Höhengenauigkeit, sehr unterschiedlich, so dass diese Informationen zunächst einer intensiven Qualitäts- und Plausibilitätsprüfung unterzogen werden müssen, bevor Sie für planerische Aufgaben (z. B. Modellkalibrierungen) verwendet werden können. Als weitere Neuerung im Rahmen der Hochwasserdokumentation lieferten Drohnenbefliegungen interessante Daten und Informationen, so dass z. B. der Deichbruch bei Breitenhagen/Saale auf diese Weise umfangreich dokumentiert worden ist. Damit erscheint eine verbesserte, nachträgliche Analyse des Versagensprozesses sowie der Breschenentwicklung an Deichen möglich. Im innerstädtischen Bereich besteht weiterhin Bedarf für detailliertere Aussagen insbesondere bzgl. zu erwartender Maximalwasserstände und des zeitlichen Ablaufs für die optimale Bewältigung der HW-Ereignisse genauso wie für die innerstädtische Infrastruktur- und Raumplanung. Als grundsätzliche und mit jedem Hochwasser wiederkehrende Schwierigkeit erweist sich die hydrologische Auswertung des Hochwassers 2013 speziell im Hinblick auf evtl. neu festzulegende Hochwasserjährlichkeiten sowie die damit verbundene Festlegung von Bemessungsabflüssen und wasserständen. Für einige Elbe-Pegel wurden im März 2014 neue Abflusstafeln eingeführt und die nachfolgenden Einordnungsschwellen für HQ(t) fixiert.

93 Tabelle 2 Einordnungsschwellen für HQ(t) gemäß LfULG unter Verwendung der neuen Abflusstafeln ab für Dresden HQ (2) HQ (5) HQ (10) HQ (20) HQ (50) HQ (100) 87 Pegel Dresden Q [m³/s] W in [cm ü. PN] nach der ab gültigen W/Q-Beziehung Andernorts stehen bis zum heutigen Tag noch keine überarbeiteten Werte zur Verfügung. Daraus ergibt sich eine hohe Planungsunsicherheit vor allem bei Projekten, deren Umsetzung aktuell schon begonnen hat. In Konsequenz dieser fehlenden Werte sehen sich zuständige Landesfachbehörden oft damit konfrontiert, planerische Alleingänge, welche häufig aus dem Druck der Bevölkerung resultieren, einzufangen und zu verhindern. Ein schnelleres Vorgehen zur Auswertung und Abstimmung der Messwerte und Erkenntnisse eines Hochwassers erscheint daher erstrebenswert. Literatur BfG & DWD (2013) Das Juni-Hochwasser des Jahres 2013 in Deutschland. Bericht-1793 der Bundesanstalt für Gewässerkunde in Koop. mit dem Deutschen Wetterdienst. Koblenz BfG (2002) Das Augusthochwasser 2002 im Elbegebiet. Bericht der Bundesanstalt für Gewässerkunde. Koblenz. September CEDIM (2013) Juni-Hochwasser 2013 in Mitteleuropa Fokus Deutschland. Forensic Disaster Analysis Group (FDA) des Center for Disaster Management and Risk Reduction Technology, GFZ/KIT, Potsdam/Karlsruhe FGG (2013) Darstellung des Hochwassers 2013 im Einzugsgebiet der Flussgebietsgemeinschaft (FGG) Elbe IKSE (2012) Abschlussbericht über die Erfüllung des Aktionsplans Hochwasserschutz Elbe Internationale Kommission zum Schutz der Elbe. Magdeburg LfULG & LTV (2013) Ereignisanalyse Hochwasser im August und September 2010 und im Januar 2011 in Sachsen. Sächsisches Landesamt für Umwelt, Landwirtschaft und Geologie. Dresden. Juni 2013 LfULG (2013) Gewässerkundlicher Monatsbericht mit vorläufiger Auswertung des Hochwassers Juni Sächsisches Landesamt für Umwelt, Landwirtschaft und Geologie. Dresden. Aug LHW (2014) Bericht über das Hochwasser im Juni 2013 in Sachsen-Anhalt Entstehung, Ablauf, Management und statistische Einordnung. Magdeburg. März 2014 LHW (2012) 10 Jahre Landesbetrieb für Hochwasserschutz und Wasserwirtschaft Sachsen-Anhalt Jubiläumsschrift. Magdeburg. 2012

94 88 LUG (2003) Ereignisanalyse - Hochwasser August 2002 in den Osterzgebirgsflüssen. Sächsisches Landesamt für Umwelt und Geologie. Dresden. Juli 2004 Müller, Uwe (2010) Hochwasserrisikomanagement Theorie und Praxis. Vieweg+Teubner Verlag, Springer Wiesbaden, ISBN August 2010 Pieper, Wilhelm (2013) Wirksamkeit der in Deutschland seit 2002 umgesetzten Hochwasserschutzmaßnahmen. Ministerium für Landwirtschaft und Umwelt Sachsen-Anhalt. Vortrag im Rahmen des Workshops der Internationalen Kommission zum Schutz der Elbe. Magdeburg. November 2013 Stamm, J.; Helbig, U.; Martin, H. (2013) Abflussmessung HW-Scheitel, Elbe, Dresden, , Elbe-km Forschungsbericht IWD Nr. 2013/4. TU Dresden Anschrift der Verfasser Univ.-Prof. Dr.-Ing. Jürgen Stamm Dr.-Ing. Torsten Heyer Institut für Wasserbau und Technische Hydromechanik, Professur Wasserbau Technische Universität Dresden Dresden juergen.stamm@tu-dresden.de torsten.heyer@tu-dresden.de

95 Das Juni-Hochwasser 2013 in Österreich Thomas Nester, Jürgen Komma, Juraj Parajka, Rui A.P. Perdigão und Günter Blöschl Kurzfassung Das Hochwasser im Juni 2013 richtete in Österreich an der Donau, am Inn und vielen Zuflüssen erheblichen Schaden an. Die Kombination von hohen Niederschlägen am Alpenhauptkamm und hoher Bodenfeuchte zu Beginn des Ereignisses führte zu außergewöhnlich großen Abflüssen. Die kurze zeitliche Verzögerung zwischen den Hochwasserwellen an der bayrischen Donau und Inn in Passau verschärfte das Hochwasser an der österreichischen Donau zusätzlich. In Wien war der beobachtete Hochwasserdurchfluss der größte seit 200 Jahren mit einem maximalen Durchfluss von ca m³/s. In diesem Beitrag wird ein Überblick über die Entstehung und den Ablauf des Hochwassers 2013 in Österreich gegeben. 1 Einleitung Das Hochwasser Anfang Juni 2013 an der Donau, dem Inn und vielen Zuflüssen zählt zu den extremsten Ereignissen der letzten zwei Jahrhunderte. In Passau erreichten die Hochwasserstände im Juni 2013 ähnlich extreme Werte wie im Jahr In Wien wurde 2013 der größte Hochwasserdurchfluss seit 200 Jahren (Aller-heiligenhochwasser 1787) beobachtet, und an manchen Stellen war es überhaupt das größte je beobachtete Hochwasser. Im August 2002 waren die Hochwasserdurchflüsse am Kamp fast dreimal so groß wie das größte Hochwasser im Jahrhundert zuvor (Gutknecht et al., 2002). Das Hochwasser im Juli 1954 richtete enorme Schäden entlang der gesamten Oberen Donau an. Im September 1899 gab es eine enorme Hochwasserkatastrophe, ausgelöst durch Niederschläge mit stellenweise über 500 mm, bei der eine Fläche von mehr als 1000 km² hauptsächlich entlang des Inns, der Donau und der Traun überflutet wurden (Lauda, 1900). Eine gute Zusammenfassung über die Hochwässer der Donau in früheren Jahre gibt Kresser (1957). Abb. 1 zeigt die Jahreshochwässer seit Beginn der systematischen Beobachtungen im Jahr 1821 am Pegel Linz an der Donau. Der maximale Durchfluss im Juni 2013 betrug etwa m³/s. Die nächstgrößten Ereignisse traten in den Jahren 2002, 1954 und 1899 auf und erreichten Durchflusswerte von 7.630, und m³/s. Der steigende Trend bei den kleinen Hochwässern im 20. Jahrhundert ist teilweise auf einen Anstieg der Sommerniederschläge und teilweise auf wasserbauliche Maßnahmen zurückzuführen (Blöschl et al., 2011). Bei den großen Hochwässern ist zwar kein

96 90 Trend zu erkennen, doch fällt auf, dass zwei extreme Ereignisse (2002 und 2013) kurz hintereinander am Beginn des 21. Jahrhunderts aufgetreten sind. Abb. 1 Jahreshochwässer der Donau bei Linz seit Das Ereignis 1862 hatte einen maximalen Durchfluss von m³/s, war aber ein Eisstoßhochwasser Abb. 2 zeigt die Wasserstandsganglinien der Hochwässer 1899, 1954, 2002 und Die Ereignisse 1954 und 2002 traten als Doppelwellen auf, die durch zwei mehrere Tage getrennte Niederschlagsblöcke entstanden sind, während das Ereignis 1899 aus einer einfachen Welle bestand. Das Hochwasser 2013 wurde durch zwei nur wenige Stunden getrennte Niederschlagsblöcke verursacht, die zu einer einzigen Welle an der Donau verschmolzen sind. Deutlich zu erkennen ist auch, dass das Ereignis 2002 in Linz nicht so extrem war wie z. B. in Niederösterreich, wo 2002 der Schwerpunkt der Niederschläge lag. Abb. 2 Wasserstandsganglinien der Donau bei Linz der Hochwässer 1899, 1954, 2002, 2013

97 91 2 Entstehung des Hochwassers Der Vergleich des Hochwassers 2013 mit den Extremereignissen 1899, 1954 und 2002 ist auch in Hinblick auf die Entstehungsmechanismen interessant. Alle vier Hochwässer wurden durch extreme Sommerniederschläge ausgelöst. Abb. 3 zeigt die Niederschlagssummen und die räumliche Verteilung der Niederschläge. Abb. 3 Ereignisniederschläge der vier größten Hochwässer im Donaugebiet in den letzten zwei Jahrhunderten. Interpolation der gemessenen Stationsniederschläge erfolgte mittels Radar (2013, 2002, siehe Haiden et al., 2011) bzw. manuell (1954 und 1899, HZB, 1955; Lauda, 1900). Aus Blöschl et al. (2013) Mit Ausnahme des Hochwassers 1899 waren es großräumige, stationäre Trog-Wetterlagen über Mitteleuropa mit Feuchtezufuhr vom Atlantik und zusätzlicher Feuchte aus dem Mittelmeerraum, die zu Ereignisniederschlägen von über 300 mm führten war durch einen schneereichen Winter und ein feuchtes Frühjahr geprägt. So wurde z. B. in Lofer (Einzugsgebiet der Salzach) im Mai 2013 ein Niederschlag von 209 mm gemessen im Vergleich zum langjährigen Mittel von 140 mm. Der Schwerpunkt der Niederschläge, die zum Hochwasser führten, lag im Bereich des Alpenhauptkammes zwischen Inn und Salzach. Im Zeitraum vom 29. Mai bis 4. Juni wurden in Lofer weitere 232 mm Niederschlag registriert, wobei auch stellenweise auch Werte von bis zu 300 mm. Das Augusthochwasser 2002 war ein Doppelereignis. Der erste Niederschlagsblock am 7. August führte lokal zu Hochwässern (z. B. im Kampgebiet) und erzeugte weiträumig nahezu gesättigte Bodenbedingungen zu Beginn des zweiten Niederschlagsblocks am 11. und 12. August (Godina et al., 2003). Auch das Hochwasser 1954 hatte ein Vorereignis am 1. und 2. Juli (allerdings kleiner als im Jahr 2002), das

98 92 zur Erhöhung der Bodenfeuchte zu Beginn des Hauptereignisses vom Juli beitrug (HZB, 1955). Beim Hochwasser im September 1899 hingegen lag ein sehr großräumiges Tiefdruckgebiet vor, das von Nordafrika bis zum Baltikum und von den Westalpen bis zum Schwarzen Meer reichte. Transport feuchter Luft vom Nordwesten, Nordosten, sowie vom gesamten Mittelmeerraum in das Donaugebiet erzeugte exzessive Niederschläge von über 500 mm. Verschärft wurde das Hochwasser 2013 durch die sehr hohe Bodenfeuchte zu Beginn des Ereignisses im Einzugsgebiet der Bayerischen Donau (BfG, 2013), was auf ein feuchtes und kaltes Frühjahr zurückzuführen ist. Das Ereignis 1899 hingegen trat nach einem verhältnismäßig trockenen Sommer auf und auch der Winter 1898/1899 war außergewöhnlich schneearm, sodass die unterirdischen Speicher zu Beginn des Ereignisses einen Tiefstand besaßen (Lauda, 1900). Daher waren die Hochwasserdurchflüsse 1899 nicht wesentlich höher als die im Jahr 2013, obwohl 1899 deutlich mehr Niederschlag gefallen ist. Es ist klar, dass eine Vorbefeuchtung wie im Juni 2013 in Kombination mit Niederschlägen wie im September 1899 zu deutlich größeren Durchflüssen an der Donau führen würde als bei diesen beiden Ereignissen. Dies ist eine Kombination, die zwar unwahrscheinlich, aber hydrologisch möglich ist. 3 Ablauf des Hochwassers Abb. 4 gibt einen Überblick über die Fortpflanzung der Hochwasserwelle 2013 im Einzugsgebiet der Österreichischen Donau. Salzach und der Inn nördlich des Alpenhauptkammes reagierten wie oft sehr rasch und intensiv, die Bayerische Donau hingegen deutlich verzögert. In Passau erreichte der Wasserstand eine ähnliche Höhe wie beim Ereignis 1501, das als das größte Ereignis im 2. Jahrtausend angesehen wird (Kresser, 1957). Am Pegel Achleiten, kurz nach dem Zusammenfluss von Bayrischer Donau und Inn, ist die Überlagerung der beiden Hochwasserwellen deutlich zu erkennen: der erste steile Anstieg wird durch den Inn verursacht, während die bayrische Donau das an den Scheitel folgende Volumen zum Hochwasser beisteuert. Deutlich zu sehen ist in Abb. 4 auch die Verformung der Welle entlang der Österreichischen Donau: der Knick in der Ganglinien am Pegel Linz ist auf großräumige Überflutungen im Eferdinger Becken kurz vor dem Pegel Linz (Abb. 5) zurückzuführen ist.

99 93 Abb. 4 Ablauf der Hochwasserwelle Juni 2013 im Einzugsgebiet der Österreichischen Donau. Kreise markieren die Pegel. Der blaue Pfeil markiert den Pegel Linz, der rote Pfeil markiert den Pegel Kienstock, für den Abb. 8 ein Prognosebeispiel zeigt. Aus Blöschl et al. (2013). Abb. 6 zeigt die Wellenlaufzeiten der Hochwässer entlang der österreichischen Donau von Achleiten bis Wildungsmauer an der österreichisch-slowakischen Grenze. Hierbei zeigt sich, dass die beiden Hochwasserwellen 2002 die kürzeste Laufzeit aufweisen. Das liegt daran, dass die Überregnung der Zubringer Kamp, Traun und Enns besonders hoch war, wodurch die Wellen scheinbar beschleunigt wurden. Umgekehrt trat 1954 die langsamste Welle auf, da der Niederschlag vorwiegend in Bayern fiel und auch die Ausuferungen die Welle stark verzögerten. Das Ereignis 2013 lag in Hinblick auf die Niederschlagsverteilung zwischen 1954 und 1899, also würde man Laufzeiten um 80 bis 90 Stunden erwarten. Tatsächlich betrugen die Laufzeiten beim Hochwasser 2013 etwa 60 Stunden, was auf geringere Retention im Vorland und größere Wassertiefen in den Stauräumen zurückzuführen sein dürfte.

100 94 Abb. 5 Überflutungen im Bereich von Ottensheim bei Linz (Eferdinger Becken). Foto: Bundesheer/KERMER Abb. 6 Wellenlaufzeiten der Hochwässer der Ereignisse 2013, 2002, 1954 und 1899 entlang der österreichischen Donau von Achleiten bis Wildungsmauer bzw beziehen sich auf die erste bzw. zweite Welle des Hochwassers Aus Blöschl et al. (2014).

101 95 4 Einordnung des Hochwassers in der Statistik Abb. 7 zeigt die statistische Auswertung der Jahreshöchstwerte des Durchflusses an zwei Pegeln an der österreichischen Donau. Am Pegel Kienstock in der Wachau (Abb. 7, links) war der der maximale Hochwasserdurchfluss der Donau im Juni 2013 etwa gleich groß wie 2002, und das, obwohl die Niederschlagsverteilung, die Abflussbildung und das räumliche Zusammenspiel der Hochwässer der verschiedenen Flüsse in den Jahren 2002 und 2013 unterschiedlich waren. Die Katastrophenhochwässer der Jahre 1954 und 1899 waren in der Wachau deutlich niedriger. Sofern in der Fließstrecke keine großen seitlichen Zuflüsse auftreten, geht der maximale Durchfluss eines Hochwassers bei der Wellenfortpflanzung in einem Fluss üblicherweise zurück. Der Hochwasserscheitel im Juni 2013 war am Pegel Korneuburg bei Wien tatsächlich kleiner als in der Wachau (Abb. 7, rechts), allerdings war der Rückgang beim Hochwasserscheitel 2013 weniger stark ausgeprägt als Dadurch war in Korneuburg der Hochwasserdurchfluss 2013 etwas größer als Diese mäßige Abnahme der Maximaldurchflüsse auf dem Weg donauabwärts hat verschiedene Gründe. Zwar waren sowohl 2013 als auch 2002 Doppelereignisse, nur folgten 2013 die beiden Niederschlagsmaxima viel knapper aufeinander. Abb. 7 Statistische Auswertung der Jahreshöchstwerte des Durchflusses der Donau an den Pegeln Kienstock in der Wachau (Fläche km², links) und Korneuburg bei Wien (Fläche km², rechts). Aus Blöschl et al. (2013) 5 Hochwasserprognosen Die zuständigen Hydrographischen Dienste in Oberösterreich und Niederösterreich publizieren für mehrere Pegel entlang der österreichischen Donau Prognosen. Das Prognosemodell setzt Messungen und Prognosen des Niederschlags mittels Niederschlag-Abflussmodellen und Wellenablaufmodellen in Durchflüsse bzw. Wasserstände

102 96 um (Blöschl et al., 2008a; 2008b; Reszler et al., 2008; Nester et al., 2011). Abb. 8 zeigt ein Beispiel einer Prognose während des Hochwassers im Juni 2013 für den Pegel Kienstock in der Wachau für die nächsten 48 Stunden. Zum Prognosezeitpunkt wurde ein maximaler Abfluss von m³/s prognostiziert. Der tatsächlich aufgetretene Maximalabfluss betrug dann ca m³/s. Der Unterschied zwischen Prognose und Beobachtung war demnach nur 2 % bei einer Prognosefrist von 48 Stunden. Die Prognosen des Scheitels waren also sehr genau, und dies traf auch auf andere Donaupegel zu. Der Zeitpunkt des Scheitels wurde allerdings aus verschiedenen Gründen (u.a. wegen der Niederschlagsprognosen) deutlich zu früh erwartet. Je nach Prognosepegel trat der Scheitel zwischen 6 und 18 Stunden später auf als zunächst vorhergesagt. Abb. 8 Publizierte Prognose des Abflusses am Pegel Kienstock erstellt am 3. Juni Grün: Prognose. Blau: Messung. Eine Prognose von maximal m³/s gegenüber dem tatsächlich aufgetretenen Wert von ca m³/s entspricht einem Unterschied von nur 2 % bei einer Prognosefrist von 48 Stunden. Quelle: Um eine gute Prognosegüte zu gewährleisten, sind auch Abflussdaten von Oberliegerpegeln notwendig. Während des Ereignisses im Juni 2013 funktionierten die meisten Pegelstellen ordnungsgemäß. Bei einigen Pegelstellen (z. B. Pegel Passau-Ilzstadt, Pegel Achleiten) kam es allerdings entweder durch eine Fehlfunktion des Pegels selbst (durch Einstauen durch die hohen Wasserstände) oder durch eine Fehlfunktion der Übertragungsleitungen zum Datenausfall. Dadurch war es schwierig, den korrekten Zeitpunkt des Scheitels frühzeitig vorherzusagen. Grundsätzlich ist zu erwarten, dass eine Reduktion von Datenausfällen die Prognosegüte verbessert. Deshalb ist aus praktischer Sicht dem Aspekt der Datensicherheit ein großes Gewicht beizumessen. Durch redundante Auslegung des Systems kann die Datensicherheit erhöht werden. Mit Ensembleprognosen wurden zudem auch die dabei erwarteten Vorhersageunsi-

103 cherheiten abgeschätzt (Blöschl, 2008; Nester et al., 2011; 2012). Damit stand für die Einsatzplanung nicht nur der wahrscheinlichste Wert, sondern auch ein worst case zur Verfügung Zusammenfassung Das Junihochwasser 2013 hat trotz der erheblichen Schäden gezeigt, wie wichtig Schutzmaßnahmen für eine Reduktion der Schäden im Vergleich zur Situation ohne Schutz sind. Dabei werden, wie in der EU Hochwasserrisikomanagement-Richtlinie (EU, 2007) vorgesehen, nicht mehr ausschließlich Einzelmaßnahmen, berücksichtigt, sondern eine Fülle von verschiedenen kombinierten Maßnahmen: Technische Maßnahmen wie Dämme und mobile Hochwasserschutzsysteme spielen dabei ebenso eine Rolle wie z. B. die Vermeidung von Hochwasserrisikoflächen als Bauland und die Schaffung von Retentionsflächen. Auch Hochwasserprognosen tragen dazu bei, durch rechtzeitige Evakuierung oder Objektschutz das Ausmaß der Schäden bei entsprechender Warnung zu minimieren. Vermehrt ist dabei auch daran zu denken, dass Hochwässer auftreten können, die wesentlich größer als alle zuvor beobachteten Ereignisse und die Bemessungswerte sind (z. B. Niederschlag wie 1899 verbunden mit einer Bodenfeuchte wie 2013). Die dadurch verursachten Überflutungen durch entsprechende Maßnahmen, wie überströmbare Dammstrecken, im Zusammenspiel mit der Flächenvorsorge in kontrollierte Bahnen zu lenken, ist ein wichtiger Beitrag zum richtigen Umgang mit dem Restrisiko. Literatur BfG (2013) Das Juni-Hochwasser des Jahres 2013 in Deutschland. BfG Bericht Nr 1793, Bundesanstalt für Gewässerkunde, Koblenz. Blöschl, G. (2008) Flood warning - on the value of local information. International Journal of River Basin Management, 6 (1), pp Blöschl, G., Reszler, C. & Komma, J. (2008a) A spatially distributed flash flood forecasting model. Environmental Modelling & Software, 23 (4), pp Blöschl, G., Reszler, C. & Komma, J. (2008b) Hydrologische Hochwasservorhersage für den Kamp - Erfahrungen mit den Ereignissen 2006 und Österreichische Wasser- und Abfallwirtschaft, 60 (3-4), pp. a13-a18. Blöschl, G., Viglione, A., Merz., R., Parajka, J., Salinas, J. & Schöner, W. (2011) Auswirkungen des Klimawandels auf Hochwasser und Niederwasser. Österreichische Wasser- und Abfallwirtschaft, 63, (1-2), Blöschl, G., Nester, T., Komma, J. & Parajka, J. (2014) Hochwasserprognosen an der österreichischen Donau und Datenassimilation, Hydrologie und Wasserbewirtschaftung, 58(2), pp

104 98 Blöschl, G., Nester, T., Komma, J., Parajka, J., & Perdigão, R.A.P. (2013) The June 2013 flood in the Upper Danube Basin, and comparisons with the 2002, 1954 and 1899 floods, Hydrol. Earth Syst. Sci., 17, , doi: /hess EU (2007) Richtlinie 2007/60/EG Des Europäischen Parlaments und des Rates vom 23. Oktober 2007 über die Bewertung und das Management von Hochwasserrisiken Amtsblatt der Europäischen Union L 288/27 L288/34. Godina, R., Lalk, P., Lorenz, P., Müller, G. & Weilguni, V. (2003) Die Hochwasserereignisse im Jahr 2002 in Österreich, Mitteilungen des Hydrographischen Dienstes Österreich, 82, Gutknecht, D., Reszler, C. & Blöschl, B. (2002) Das Katastrophenhochwasser vom 7. August 2002 am Kamp - eine erste Einschätzung. Elektrotechnik und Informationstechnik, 119 (12), Haiden, T., Kann, A., Wittmann, C., Pistotnik, G., Bica B. & Gruber, C. (2011) The integrated nowcasting through comprehensive analysis (INCA) system and its validation over the eastern Alpine region, Weather Forecasting, 26, a. HZB (1955) Das Juli-Hochwasser 1954 im österreichischen Donaugebiet. Beiträge zur Hydrographie Österreichs, Nr. 29. Hydrogr. Zentralbüro Wien, 139 S. Kresser, W. (1957) Die Hochwässer der Donau. Schriftenreihe des österreichischen Wasserwirtschaftsverbandes, 32-33, Springer, Wien, 95S. Lauda, E. (1900) Die Hochwasserkatastrophe des Jahres 1899 im österreichischen Donaugebiete, Beiträge zur Hydrographie Österreichs, IV. Heft, k.k. hydrographisches Central-Bureau, Wien. Nester, T., Kirnbauer, R., Gutknecht, D. & Blöschl, G. (2011) Climate and catchment controls on the performance of regional flood simulations. Journal of Hydrology, 402, Nester, T., Komma, J., Viglione, A. & Blöschl, G. (2012) Flood forecast errors and ensemble spread - a case study, Water Resources Research, 48, W10502, 19 pp doi: /2011wr Reszler, C., Komma, J., Blöschl, G. & und Gutknecht, D. (2008) Dominante Prozesse und Ereignistypen zur Plausibilisierung flächendetaillierter Niederschlag-Abflussmodelle. Hydrologie und Wasserbewirtschaftung, 52 (3), pp Anschrift der Verfasser Dipl.-Ing. Dr. techn. Thomas Nester Dipl.-Ing. Dr. techn. Jürgen Komma Dr. Juraj Parajka Dr. Rui A.P. Perdigão Univ.Prof. Dipl.-Ing. Dr. techn. Günter Blöschl Institut für Wasserbau und Ingenieurhydrologie Technische Universität Wien Karlsplatz 13/ Wien bloeschl@tuwien.ac.at

105 Festlegung von Bemessungswerten unterhalb gesteuerter Speicher am Beispiel des Lechs Franz-Klemens Holle und Stefan Laurent Kurzfassung Für die Bemessung von Bauwerken und wasserwirtschaftliche Maßnahmen und für Sicherheits- und Risikobetrachtungen sind Bemessungswerte definierter Häufigkeit festzulegen. Diese Bemessungsgrundlagen werden in der Regel auf extremwertstatistischer Basis ermittelt und möglichst unter Hinzuziehung von Zusatzinformationen festgelegt. Unterhalb von den Hochwasserabfluss weitreichend beeinflussenden Speicherbauwerken ist bei einer ereignisspezifischen Steuerung, bei der auch die Zuflüsse unterhalb des Speichers mit berücksichtigt werden, die extremwertstatistische Analyse nicht mehr möglich. In solchen Fällen können aus einer auf extremwertstatistischer Basis begründeten Simulation des Abflussgeschehens unter Berücksichtigung der ereignisspezifischen Steuerung einschließlich möglicher Fehlsteuerungen Anhaltspunkte für die Festlegung der Bemessungsabflüsse unterhalb des Speichers gewonnen werden. Diese Vorgehensweise zur Festlegung der Bemessungswerte wird am Beispiel des Lechs unterhalb des Forggensees aufgezeigt. 1 Festlegung von Bemessungsereignissen Für die Auslegung von Bauwerken in und an Gewässern und für die Festlegung von Bewirtschaftungsregeln und Hochwasserüberschwemmungsgebieten werden in der Regel Bemessungshochwasser mit Abflussmaxima bis zum HQ100 benötigt. Für Sicherheitsbetrachtungen und Risikountersuchungen werden in Deutschland Bemessungsgrößen bis HQ und teilweise darüber hinaus gefordert. Diese Bemessungswerte werden in der Regel durch extremwertstatistische Untersuchung an lang beobachteten Pegelstandorten mit homogenen Hochwasserabflussserien ermittelt und über Regionalisierungsmethoden auf nicht beobachtete Gewässerquerschnitte übertragen. Die extremwertstatistische Untersuchung sollte in der Regel unter Hinzuziehung zeitlicher, räumlicher und kausaler Zusatzinformationen abgesichert werden (DWA, 2012). Für sehr seltene Ereignisse ist eine Extrapolation der Verteilungsfunktionen in der Regel zu unsicher, deswegen werden in Bayern die Bemessungswerte seltener HQ100 in der Regel über eine Konvention ermittelt, um so vergleichbare Extremwerte zu erhalten (Kleeberg, Schumann, 2001).

106 100 Für die Bemessung an Querschnitten unterhalb von Bauwerken, durch die das Abflussgeschehen signifikant beeinflusst wird, ist diese Vorgehensweise nur noch bedingt einsetzbar und führt zu oft nicht abschätzbaren Ungenauigkeiten. Das gilt besonders für Speicher bzw. Speichersysteme. Hier sind Systeme zu unterscheiden, die vornehmlich nach fester Regel gefahren werden und solche, bei denen ereignisspezifisch auf die Minimierung von Abflüssen auch weiter unterhalb gesteuert wird. Bei Speichern mit fester Regelung der Hochwasserabgaben und definierter Hochwasserentlastung, ohne signifikante Änderung der Regeln in der Vergangenheit und der näheren Zukunft können die an den Pegeln unterhalb des Speichers beobachteten Abflusszeitreihen statistisch analysiert werden. Abflusshäufigkeiten können aus den Verteilungsfunktionen interpoliert und u. U. geringfügig unter Berücksichtigung der Bewirtschaftungsregeln extrapoliert werden. Über die Leistungsfähigkeit der Hochwasserentlastungen können unter Berücksichtigung der Zuflussstatistiken und Hochwasserfüllenbetrachtungen auch für den Extrembereich Bemessungswerte definierter Häufigkeit abgeleitet werden, wie es für den Lech im bisherigen Hochwasserlängsschnitt durchgeführt wurde (LfW, 2002). In Systemen mit ereignisabhängiger Steuerung ist eine extremwertstatistische Untersuchung der Hochwasserabflüsse unterhalb der Speicher nicht mehr möglich, da die Messreihen nicht mehr als homogen betrachtet werden können. Die Steuerung ist bei diesen Systemen nur noch in geringem Maße von der Wahrscheinlichkeit der Zuflussspitzen abhängig. Dafür dominieren andere Abhängigkeiten die Abgabesteuerung, die nur bedingt bzw. nicht statistisch analysiert werden können. Diese Abhängigkeiten sind für den Speicherzufluss die Zuflussvolumina (über definierten Schwellwerten) und besonders die Form der Zuflussganglinie, für den Speicher selbst der Füllungsgrad und damit das Retentionspotential besonders zu Beginn des Ereignisses sowie für die relevanten Zuflussganglinien unterhalb des Speichers deren Abflussmaxima, Volumina und deren Form. Besonders die Form und die fließzeitgerechte Überlagerung der Zuflüsse unterhalb und der Speicherabgabe beeinflussen die Modulation der Abgabeganglinie. Um das während des Ereignisses zu erwartende Zuflussvolumen zum Speicher und die Auswirkung der Steuerung auf den Abfluss auch weiter unterhalb des Speichers erfassen zu können, sind Abflussvorhersagen erforderlich. Die Unsicherheiten der Abflussvorhersagen, die wiederum von den ebenso unsicheren Niederschlagsvorhersagen abhängen und deren Änderung bei aufeinander folgenden Vorhersagen beeinflussen die Abgabesteuerung und damit die Abflüsse unterhalb des Speichers ebenfalls. Zusätzlich ist die Abgabesteuerung von der möglichen Vorabsenkung des Speichers und damit von der individuellen Vorgeschichte des Ereignisses und den Niederschlagsvorhersagen vor dem Ereignis abhängig. Durch diese Abhängigkeiten mit ihren Wechselwirkungen und den daraus resultierenden teilweise aus den Unsicherheiten begründeten subjektiven

107 Eingriffen in die Steuerung sind die Einzelereignisse in der Regel nicht mehr vergleichbar und damit nicht mehr statistisch auswertbar. 101 Durch Langzeitsimulation und anschließende statistische Untersuchung der Simulationsergebnisse wäre eine Festlegung der Bemessungsabflüsse theoretisch möglich. Eine Langzeitsimulation der Meteorologischen Parameter für größere natürliche Einzugsgebiete ist aber bisher in der Praxis nicht möglich und eine auf diese Parameter basierende Niederschlagsvorhersage und individuelle kontinuierliche Steuerung des Speichers unter Berücksichtigung aller Speicherfunktionen wäre zeitlich nicht realisierbar. Deswegen können nur Variantenberechnungen von Einzelereignissen mit realistischen Randbedingungen simuliert werden und anhand der Simulationsergebnisse unter Berücksichtigung der Unsicherheiten der Randbedingungen und Berechnungen Bemessungsgrößen definierter Häufigkeit festgelegt werden. Diese Vorgehensweise wird am Beispiel des Lechs im Folgenden gezeigt. 2 Beschreibung des Lechgebietes und der Berechnungsgrundlagen 2.1 Das Einzugsgebiet des Lechs Der Lech entwässert die Lechtaler Alpen und die östlichen Allgäuer Alpen und fließt in Bayern vom nördlichen Alpenrand in nördlicher Richtung zur Donau. Die Größe des Einzugsgebietes beträgt 3926 km² bei einer Flusslänge von 256 km und einer Höhendifferenz im Einzugsgebiet von über 2600 m. Das Hochwasserabflussgeschehen im Lechgebiet wird weitgehend vom alpinen Teil des Einzugsgebietes mit den höchsten Abflüssen im Sommer geprägt. Am Alpenrand wurde im Lech 1954 der Forggensee als Kopfspeicher einer Speicherkette errichtet. Das Einzugsgebiet bis zum Forggensee beträgt ca km² und 2500 km² bis zur Wertach, dem bedeutendsten Nebenfluss mit ca km² Einzugsgebietsgröße. Im Rahmen der Hochwasserbewirtschaftung wird der Forggensee zur Rückhaltung von Hochwassern im Lech genutzt. Hierbei spielt insbesondere die kontrollierte Vorabsenkung des Seewasserspiegels im Vorfeld eines Hochwassers eine wichtige Rolle, da so ein deutlich größeres, nutzbares Rückhaltevolumen geschaffen werden kann. Während des Hochwassers wird dieses Volumen genutzt und die Abgabe so gesteuert, dass unter Einhaltung des Hochwasserstauziels und Berücksichtigung der Zuflüsse zum Lech bis zur Mündung in die Donau die maximalen Abflüsse im Lech möglichst gering gehalten werden können. In der Vergangenheit wurde das Volumen, das innerhalb einer bestimmten Vorlaufzeit vor einem Hochwasserereignis aus dem Forggensee abgelassen werden konnte, konstruktionsbedingt durch die damals bestehende Hochwasserentlastungsanlage (HWE)

108 102 eingeschränkt. Nach dem Umbau der Hochwasserentlastungsanlage bis zum Mai 2005 ist nun auch bei niedrigeren Seewasserständen ein nennenswerter Abfluss im Rahmen der Vorabsenkung möglich (Abb. 1). Zusätzlich wurde in Hinblick auf die Ausfallsicherheit die Anzahl der unabhängigen Auslassorgane der Hochwasserentlastung auf zwei Klappen erhöht. Abb. 1 Umbau der Hochwasserentlastungsanlage und Vergleich der möglichen Gesamtabgabe der alten und neuen HWE in Abhängigkeit des Seewasserstands. Durch diese Umbaumaßnahmen konnte das potentielle Rückhaltevermögen des Forggensees im Hochwasserfall deutlich erhöht werden, so dass eine Neuberechnung der statistischen Bemessungshochwasser sowohl für den Forggensee selbst, als auch für den Lech unterhalb des Speichers unter Berücksichtigung der genannten verbesserten Hochwasserbewirtschaftung notwendig war. 2.2 Hochwasserwahrscheinlichkeiten (HQT) Tabelle 1 Hochwasserquantile am Lech ohne Beeinflussung durch den Forggensee Lechpegel AEO [km²] HQ10 HQ100 HQ1.000 HQ Füssen Lechbruck Landsberg Haunstetten Augsburg u.d.w Als Grundlage für die Berechnungen der HQT diente der Hochwasserlängsschnitt Bayerischer Lech (LfW, 2002). Für diesen wurden aus den jeweils vorhandenen Beobachtungszeiträumen an den Pegeln die in Tabelle 1 dargestellten Jährlichkeiten für den

109 103 durch den Forggensee unbeeinflussten Zeitraum vor Bau des Speichers 1954 abgeleitet. Da für die Berechnung der HQT mit T > 100 a die Jahresserien an den Pegeln nicht ausreichend lang waren, wurden diese nach der Konvention für die Ableitung von Bemessungsabflüssen kleiner Überschreitungswahrscheinlichkeiten (Kleeberg; Schumann, 2001) ermittelt. Da die über die Konvention berechneten HQ1.000 nur unwesentlich von den bisher festgelegten abwichen, wurden die bisher gültigen aus Kontinuitätsgründen beibehalten. 2.3 Niederschlagswahrscheinlichkeiten (NT) Eine weitere Grundlage der Untersuchung sind die räumlich differenzierten Starkniederschlagshöhen in Abhängigkeit von Dauerstufe und Wiederkehrzeit. Dabei wurden für die 10- und 100jährlichen Niederschlagshöhen die KOSTRA-Werte des Deutschen Wetterdienstes (DWD 2005) und für die und jährlichen Niederschlagshöhen die ebenfalls vom DWD ermittelten PEN-Werte (PEN-LAWA, 2005) übernommen. Da der südliche Teil des österreichischen Lech-Einzugsgebiets nicht durch die Daten des DWD abgedeckt wird, wurden in diesem Bereich die offiziellen österreichischen Werten (ÖKOSTRA, MaxModN und Kombination der beiden) zum Vergleich herangezogen. Der Vergleich mit den Bemessungsniederschlägen des restlichen (deutschen) Einzugsgebiets zeigte jedoch unterschiedliche Größenordnungen. Für das nicht abgedeckte Österreichische Gebiet wurden daher benachbarte Werte aus KOSTRA-DWD und PEN-LAWA übernommen, um Inkonsistenzen innerhalb des Einzugsgebiets zu vermeiden. 2.4 Niederschlag-Abfluss-Modell (N-A-Modell) Lech Seit 2002 ist am Lech das N-A-Modell Lech auf der Basis von LARSIM (Bremiker, et al, 2013) für die operationelle Hochwasservorhersage im Einsatz. Das konzeptionelle, hydrologische Modell basiert auf einer flächendetaillierten Einteilung der hydrologisch relevanten Informationen und wurde speziell in Hinblick auf die Hochwasservorhersage und eine Optimierung der Hochwasserbewirtschaftung des Forggensees und des Grüntensees aufgestellt. Das Modell umfasst das komplette Einzugsgebiet des Lechs bis zur Mündung. 3 Vorgehen Wie beschrieben, ist eine statistische Auswertung der Hochwasserabflussspitzen unter Berücksichtigung der Steuerung des Forggensees nicht zielführend. Deswegen wurden Hochwasserereignisse, denen eine Wahrscheinlichkeit zugeordnet werden kann, mit

110 104 dem N-A-Modell berechnet und nach Kalibrierung der Ereignisse verschiedene Steuerungsvarianten simuliert, um daraus Bemessungswerte abzuleiten. Die unterhalb des Forggensee vorhandene Speicherkette wurde nicht explizit bei der Berechnung berücksichtigt, da sie auf den Hochwasserabfluss bisher nur einen untergeordneten Einfluss hat. Eine mögliche Hochwassersteuerung in dieser Kette wurde nicht untersucht. Die Effekte der Speicherkette sind in den Ganglinien der historischen Ereignisse enthalten und wurden damit bei der Kalibrierung implizit in den Flood-Routing-Parametern mit berücksichtigt. Im Einzelnen wurden folgende Berechnungsschritte durchgeführt. 3.1 Ermittlung von Bemessungsganglinien für den unbeeinflussten Zustand Im ersten Teil der Untersuchung wurden Berechnungen mit Hilfe des Niederschlag-Abfluss-Modells Lech ohne die Berücksichtigung der Rückhaltung im Forggensee und Grüntensee durchgeführt. Damit wird der Zustand des Lechs beschrieben der auch bei den in Tabelle 1 enthaltenen Hochwasserquantilen berücksichtigt wurde. Zunächst wurden Simulationen mit dem N-A-Modell Lech unter Berücksichtigung der in Kap. 2.2 angeführten statistischen Starkniederschlagshöhen (N10, N100, N1.000 und N10.000) durchgeführt. Dabei mussten zunächst die für die Untersuchung relevanten Niederschlagsdauerstufen ermittelt werden. Die räumlich differenziert ermittelten Niederschlagshöhen unterschiedlicher Dauer gingen als Eingangsdaten in das N-A-Modell ein. Aus den resultierenden Abflüssen wurden die Dauerstufen mit dem höchsten Spitzenabfluss unterhalb der Wertachmündung bzw. mit der höchsten Fülle am Zulauf zum Forggensee für die verschiedenen Häufigkeiten getrennt ermittelt. In allen Fällen ergab sich ein maximaler Spitzenabfluss bei einer N-Dauer von 24 [h]. Zur Berücksichtigung einer großen Fülle wurden die Ereignisse mit einer Niederschlagsdauer von 72 [h] gewählt. Im Weiteren wurde von der Annahme ausgegangen, dass unter Nutzung mittlerer gebietsabhängiger Parameterwerte und an die Größe des Ereignisses angepasste ereignisabhängige Parameterwerte aus einem Niederschlag mit der Wiederkehrzeit (T) und maßgebender N-Dauer ein Abfluss mit der Häufigkeit HQT erzeugt wird. Konkret bedeutete dies, dass der Abflussbeiwert, der die ereignisabhängige Abflussbildung im Gebiet widerspiegelt, räumlich differenziert für jede Jährlichkeit so angepasst wurde, dass die resultierenden Spitzenabflüsse den vorgegeben Abflusswerten aus der vom Speicher unbeeinflussten Extremwertstatistik entsprachen. Die so abgeleiteten Abflussmaxima an den Pegeln weichen um weniger als 1 [%] von denen in Tabelle 1 ab und die Abflussbeiwerte liegen in einem plausiblen Bereich. In einem weiteren Bearbeitungsschritt wurden Simulationen mit historischen Hochwasserereignissen am Lech durchgeführt. Es wurden extreme Ereignisse gewählt für die

111 105 eine gute Datengrundlage bezüglich Abfluss und Niederschlag vorlag. Die Hochwasserereignisse vom Mai 1999 und August 2005 mit Abflüssen von gut 1100 bzw m³/s am Zufluss des Forggensees erfüllten diese Vorgabe. Anhand dieser Ereignisse wurde das N-A-Modell Lech anhand der gemessenen Niederschläge und Abflüsse über die Anpassung des ereignisabhängigen Abflussbeiwerts verifiziert. Die gemessenen Abgabeganglinien des Forggensees und des Grüntensees wurden als Modellinput verwendet, um die tatsächliche Steuerung der Speicher zu berücksichtigen. Insgesamt konnte eine sehr gute Nachbildung der beiden historischen Hochwasser im Modell erreicht werden. Vergleichbar zu den synthetischen Ereignissen wurden die historischen Ereignisse im Zustand ohne Forggensee berechnet. Dabei wurde die Niederschlagssumme unter Beibehalten des räumlichen und zeitlichen Niederschlagsverlaufs so geändert, dass an den Pegeln Abflussspitzen simuliert wurden, die den Abflussspitzen der Tabelle 1 entsprachen. 3.2 Ermittlung von Bemessungsganglinien für den beeinflussten Zustand Im zweiten Teil der Untersuchung wurde der Forggensee als Speicherelement im N-A- Modell Lech aktiviert. Die im ersten Teil angepassten Ereignisse - basierend auf der Niederschlagsstatistik und den historischen Hochwassern - wurden mit praxisnahen Steuerungsszenarien modelliert. Anstelle einer Vorabsenkung wurden unterschiedliche Ausgangswasserstände im Forggensee angenommen und unter realen Bedingungen wahrscheinlich durchgeführte Hochwasserbewirtschaftungen des Forggensees simuliert. Mit diesen Randbedingungen erhält man eine Schar Abflussganglinien theoretischer Ereignisse die den Einfluss verschiedener Ereignistypen und Hochwasserbewirtschaftungen widerspiegeln. Insgesamt wurden für das HQ100 ca. 60 Variantenberechnungen, für das HQ1.000 und HQ jeweils ca. 20 Variantenberechnungen für die vier Ereignistypen (synthetische Ereignisse mit maximaler Spitze (NT-24h) und mit großer Fülle (NT-72h), sowie auf den historischen Ereignissen 1999 und 2005 basierend) durchgeführt. Abb. 2 zeigt die Speichersteuerung einer dieser Berechnungsvarianten. Für extreme Ereignisse wird unter Berücksichtigung der Vorentlastung ein Ausgangswasserspiegel von 779,50 m+nn, sprich einem Meter unter dem sommerlichen Normalstauziel von 780,50 m+nn, als realistisch erachtet. Die ertüchtigte Hochwasserentlastungsanlage würde selbst im n-1-fall eine rasche Vorabsenkung auf diesen Wasserstandsbereich ermöglichen. Auch wäre dies ein plausibles Absenkziel in Anbetracht der derzeit noch teilweise hohen Unsicherheiten der Niederschlagsvorhersagen. Um andere,

112 106 auch mögliche Ausgangsszenarien wie ein unterschätztes Hochwasser ohne Vorabsenkung, eine Ausgangssituation im Frühjahr mit Seestand unter dem sommerlichen Normalstauziel, ein Hochwasser nach einem Vorereignis, etc. in die Untersuchung mit einzubeziehen, wurden Ausgangswasserstände für jeden Ereignistyp und jede Steuerungsvariante in Schritten von 50 cm zwischen 778,50 m+nn auf 780,50 m+nn untersucht. Abb. 2 Beispiel einer Steuerung bei einem HQ100-Zufluss analog Ereignis 1999, einem Ausgangswasserstand von 780 m NN im n-fall unter optimalen Bedingungen Die Änderung der Abflüsse an den Auslassorganen wurde aufgrund der gängigen Praxis in der Staustufen-Bewirtschaftung am Lech stufenartig mit einer Abgabeänderung von max. 50 m³/s pro Stunde vorgenommen. Es wurde versucht, die Abgaben möglichst lange konstant zu halten. Beim HQ1.000 und HQ und höheren Ausgangspegelständen war eine länger gleichbleibende Abgabe jedoch nicht mehr möglich, da in diesen Fällen die Abgabe oftmals an der Grenze der maximal möglichen Abgabe aus dem Forggensee gefahren werden musste, um einen Überschreiten des regulären Hochwasserschutzraums weitgehend zu verhindern. Die obere Grenze des Hochwasserschutzraums mit 782 m+nn stellte immer eine begrenzende Randbedingung für die Hochwasserbewirtschaftung dar, die es einzuhalten galt. Es wurden sowohl Zustände für den n-1 Fall als auch für den n-fall berechnet. Auch für die Steuerungsvarianten wurden unterschiedliche, als wahrscheinlich erachtete Szenarien angenommen. So kann bei einer rechtzeitigen und gut zutreffenden Abflussvorhersage eine optimale Steuerung der Seeabgabe in Hinblick auf möglichst geringe Spitzenabflüsse im Lech gerade unter Berücksichtigung der Lechzuflüsse unterhalb des Speichers erreicht werden. Weniger zutreffende Niederschlags- und Abflussvorhersagen führen zu ungünstigeren Steuerungsvarianten, da die beispielsweise zu Beginn des Ereignisses getroffenen Steuerungsentscheidungen sich später als nicht optimal heraus stellen. Als ungünstigster Fall wurde beim HQ100 eine zu hohe Niederschlagsvorhersage angenommen, wodurch die Steuerung zu Beginn des Ereignisses zunächst vergleichbar

113 107 der Situation bei einem erwarteten HQ1.000 vorgenommen wird, und damit eine im Nachhinein deutlich zu hohe Abgabe aus dem Forggensee erfolgt. Bei den Berechnungen des HQ1.000 und HQ wurden aufgrund der oben beschriebenen Beschränkung des Hochwasserschutzraums nur jeweils eine Steuerungsvariante für jeden angenommenen Ausgangswasserstand und Ereignistyp vorgenommen. Die Auswirkung der Beschränkung des Hochwasserschutzraumes ist in Abb. 4 gut an der geringer werdenden Spreizung der möglichen Abflusszustände bei zunehmender Jährlichkeit zu erkennen Abfluss [m³/s] Lechbruck Landsberg Haunstetten Augsburg u.d.w Abb. 3 HQ100-Werte an den Pegeln der ausgewertete Berechnungsergebnisse In Abb. 3 sind beispielhaft für HQ100 die Ergebnisse der Variantenberechnung an den Pegeln wiedergegeben. Zur besseren Übersichtlichkeit wurden die Ergebnisse an den Pegeln linear verbunden. Die Abstände zwischen den Pegeln sind gleichmäßig und entsprechen nicht der Kilometrierung (dies gilt auch für Abb. 5.). Bei der Berechnung des HQ10 wurde ein vereinfachter Ansatz gewählt, der hier nicht näher erläutert wird. Das HQ10 ist für die Steuerung und die unterliegenden Gemeinden unkritisch und markiert einen Bereich, in dem die Hochwassersteuerung des Forggensees beginnt. 4 Ergebnisse Basierend auf den Variantenberechnungen wurden im Benehmen mit dem StMUV, den Regierungen von Schwaben und Oberbayern, den zuständigen WWA sowie dem LfU aus der Schar der möglichen Zustände Bemessungsabflüsse für HQ100 und HQ1.000 an

114 108 den Pegelstandorten festgelegt. Da bisher nur wenige Erfahrungen mit den neuen Steuerungsmöglichkeiten am Forggensee vorliegen und auch Niederschlags- und Hochwasservorhersagen, die für die Steuerung notwendig sind, noch mit großen Unsicherheiten behaftet sind, wurden nicht die Mittelwerte der Variantenberechnungen als maßgebend übernommen. Aus Sicherheitsaspekten wurden Bemessungsgrößen auf dem 90% Niveau gewählt. In Abb. 3 sind für HQ100 diese Werte an den Pegeln durch rote Kreise mit dickerer roter Verbindungslinie wiedergegeben. Die den Jährlichkeiten zugeordneten Bemessungsabflüsse an den Pegeln sind in Tabelle 2 zusammengefasst. Tabelle 2 Festgelegte Bemessungsabflüsse unter Berücksichtigung der Hochwasserbewirtschaftung am Forggensee Lechpegel HQ10 [m³/s] HQ100 [m³/s] HQ1.000 [m³/s] HQ [m³/s] Lechbruck Landsberg Haunstetten Augsburg u.d.w Nach Festlegung der Bemessungswerte an den Pegeln wurden aus dem Pool der Variantenberechnungen die Simulationen ausgewählt, die an den Pegeln die festgelegten Bemessungswerte am besten repräsentierten. Aus diesen wurde dann entsprechend der Hochwasserlängsschnitt abgeleitet (Abb. 4). In der Abbildung sind zusätzlich die Schwankungsbereiche wiedergegeben, die sich bei der Variationsberechnung ergeben haben. Diese Schwankungsbreiten geben nicht den Vertrauensbereich der Bemessungsabflüsse, so wie sie in Bayern in der Regel pauschaliert verwendet werden, wieder. 5 Überprüfung der Plausibilität der HQT im beeinflussten Zustand Zur Plausibilisierung der festgelegten Bemessungsabflüsse wurden die Hochwasser 1999 und 2005 herangezogen. Dabei wurden zum einen die jeweils real gemessenen Spitzenabflüsse entlang des Lechs mit den neu festgelegten Bemessungswerten verglichen (Abb. 5 links). Zum anderen wurden für die jeweiligen Hochwasserereignisse simulierte Spitzenabflüsse ohne Forggensee (unbeeinflusster Zustand) den Jährlichkeiten ohne Berücksichtigung des Forggensees gegenüber gestellt (Abb. 5 rechts). Für diese Simulation wurde die tatsächliche Abgabe aus dem Forggensee durch die simulierte Zuflussganglinie zum Forggensee ersetzt und die gemessenen Abflüsse von Halblech, Trauchgauer Ach, Illach und Wertach als Modellinput übernommen.

115 109 Abb. 4 Hochwasserlängsschnitt Lech unter Berücksichtigung der Steuerung des Forggensees entsprechend der zurzeit gültigen Regelungen Abfluss [m³/s] Abfluss [m³/s] HW 1999 HW 2005 HQ100 (neu) HQ1000 (neu) HQ10000 (neu) Füssen Lechbruck Landsberg Haunstetten Augsburg HW 1999 HW 2005 HQ100 (alt) HQ1000 (alt) HQ10000 (alt) Füssen Lechbruck Landsberg Haunstetten Augsburg Abb. 5 Vergleich der bei den Hochwassern 1999 und 2005 gemessenen Abflüsse mit den neu festgelegten Hochwasserquantilen (linke Grafik) und den simulierten Ereignissen 1999 und 2005 ohne Forggensee mit den HQT der Tabelle 1 Die Verifikation zeigt, dass bei beiden Hochwasserereignissen die Wiederkehrzeiten sowohl im beeinflussten als auch im unbeeinflussten Zustand zu vergleichbaren Wiederkehrzeiten (zwischen 100-jährlich und jährlich) führen (Abb. 4). Dies bestätigt die Größenordnung der festgelegten Hochwasserquantile. Weiterhin ist zu ersehen, dass die Wiederkehrintervalle der beiden Ereignisse im beeinflussten Zustand näher am

116 110 neuen HQ100 liegen, als im unbeeinflussten Zustand. Das resultiert daher, dass bei dem Ereignis 1999 und besonders bei dem 2005 der Forggensee unter günstigeren Randbedingungen gesteuert werden konnte, als für die Festlegung der Hochwasserquantile im beeinflussten Zustand angenommen wurde. 6 Gültigkeit der Ergebnisse Falls sich in Zukunft die Steuerungsregeln oder Steuerungsorgane ändern sollten, zusätzliche Speicherräume in der unterhalb gelegenen Staustufenkette in die Steuerung einbezogen werden, Vorhersagen und Steuerungsvorgaben sicherer werden, oder sich das Abflussregime ändern sollte, ist der Hochwasserlängsschnitt erneut zu überprüfen und gegebenenfalls anzupassen. Literatur Bremiker, M., Brahmer, G., Demuth, N., Holle, F.-K., Haag, I. (2013): Räumlich hoch aufgelöste LARSIM Wasserhaushaltsmodelle für die Hochwasservorhersage und weitere Anwendungen; Korrespondenz Wasserwirtschaft, 6. Jg, H. 9, Seite DWD (2005): KOSTRA-DWD-2000 Starkniederschlagshöhen für Deutschland ( ), Grundlagenbericht, DWA (2012): Ermittlung von Hochwasserwahrscheinlichkeiten, Merkblatt DWA-M 552, August 2012, Hennef Kleeberg, H.B., Schumann, A.H. (2001): Ableitung von Bemessungsabflüssen kleiner Überschreitungswahrscheinlichkeiten, Wasserwirtschaft, 91.Jg., H.2, Seite LfW (2002): Hochwasserlängsschnitt Bayerischer Lech; Hydrologische Planungsgrundlagen, Herausgeber und Verlag, Bayerisches Landesamt für Wasserwirtschaft, 2. Auflage, München. PEN-LAWA (2005): Software PEN-LAWA 2005, Version 1.0; Praxisrelevante Extremwerte des Niederschlags. Vertrieb: Institut für technisch-wissenschaftliche Hydrologie GmbH, Hannover Anschriften der Verfasser Dipl.-Ing. Franz-Klemens Holle Westenstr. 4B Karlsfeld franz-klemens.holle@kabelmail.de Dipl.-Hyd. Stefan Laurent Wasserwirtschaftsamt Kempten Rottachstr Kempten stefan.laurent@wwa-ke.bayern.de

117 DWA-Themenheft Flutpolder - Wesentliche Inhalte und Ausblick Gudrun Seidel Kurzfassung Flutpolder als Bestandteil einer integralen Hochwasserschutzstrategie treten nach den großen Hochwasserereignissen der letzten Jahre verstärkt in das öffentliche Interesse. Hierbei gilt es sowohl anspruchsvolle rechtliche und fachliche Vorgaben zu beachten als auch im Spannungsfeld zwischen öffentlichen und privaten Interessen zu bestehen. Die Arbeitsgruppe WW-1.3 Flutpolder der Deutschen Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall e.v. (DWA) hat es sich zur Aufgabe gemacht, einschlägiges Fachwissen in einem Themenheft zu bündeln, entscheidungsrelevante Aspekte aus Planung, Bau, Betrieb und Umweltverträglichkeit zu erarbeiten und insbesondere auch erfolgsversprechende Moderationsverfahren zur Realisierung von Flutpoldern aufzuzeigen. 1 Einleitung Flutpolder sind ein wichtiger Bestandteil der bayerischen Hochwasserschutzstrategie. Bereits nach dem Hochwasser Pfingsten 1999 wurde ein Konzept für gesteuerte Flutpolder als Teil des technischen Hochwasserschutzes in das Hochwasserschutzaktionsprogramm 2020 integriert. Das Hochwasseraktionsprogramm 2020plus, das nach dem Hochwasser im Juni 2013 erarbeitet wurde, stärkt und erweitert die Ausrichtung auf den wirksamen Rückhalt von Hochwasser. Neben Deichrück-verlegungen, natürlichen und ungesteuerten Rückhalte-maßnahmen sollen künftig als besonders wirksame Mittel des Hochwassermanagements gesteuerte Flut-polder eingesetzt werden. Abb. 1 AP2020plus Aktuell werden an der Donau bereits identifizierte Hochwasserrückhaltpotentiale auf ihre Wirksamkeit hin vertieft untersucht und in einem ersten Schritt deren Realisierbarkeit unter naturschutzfachlichen Randbedingungen bewertet. Ebenso werden künftig auch für Main und Inn entsprechende Konzepte entwickelt.

118 112 Vor diesem Hintergrund ist es wichtig, auf vorhandenes Fachwissen zurückzugreifen, dieses zu nutzen und an die örtlichen Gegebenheiten anzupassen. Das DWA-Themenheft Flutpolder versteht sich hier als eine zusammenfassende Grundlage zur Planung, Bau, Betrieb, Steuerung, Realisierung und Nutzung von Flutpoldern. Verschiedene Begrifflichkeiten im Zusammenhang mit Steuerung, Nutzung und normativer Einordnung von Flutpoldern und seinen baulichen Bestandteilen werden verdeutlicht, stellen jedoch keine Vorgabe im Sinne eines DWA-Regelwerkes dar. Dieses wird für die Zukunft angestrebt und einer weiteren Arbeitsgruppe überlassen. Zahlreiche Beispiele im Anhang zeigen anschaulich bereits umgesetzte Hochwasserrückhaltungen durch Flutpolder in Deutschland auf. Die folgenden Ausführungen sollen einen kurzen Überblick in das Themenheft und auch einen Einblick in die gegenwärtige Praxis in Bayern geben. 2 Flutpolder - Begriffsdefinition 2.1 Polder Der Begriff Polder wird in Abhängigkeit von der Wirkungsweise, dem Betrieb, der Anordnung und dem Zweck sehr unterschiedlich definiert. Allgemein kann ein Polder als geschützter Teil des natürlichen Überschwemmungsgebietes eines Gewässers bezeichnet werden, wobei der Grad des Schutzes in Abhängigkeit vom gewählten Bemessungsabfluss für die linienhaften Hochwasserschutzanlagen (Deiche, Hochwasserschutzwände, mobile Elemente) steht. Überlaufpolder oder Sommerpolder bieten nur einen sogenannten Teilschutz. Die Flächen innerhalb dieser Polder sind nur gegen kleinere und mittlere, aber entsprechend häufiger auftretende Hochwasser geschützt (DWA507-1,2011). Polder die vorrangig der Rückhaltung von Hochwasser dienen, werden auch als Flutpolder, Speicherpolder, Taschenpolder, Entlastungspolder oder Flutungspolder bezeichnet. Die nicht durchflossenen Polderflächen dienen der gezielten Retention von Hochwasser, werden ungesteuert oder gesteuert bei bestimmten Hochwasserereignissen abfluss- oder wasserstandsabhängig beaufschlagt. Fließpolder dienen ebenfalls der Hochwasserretention, werden aber im Gegensatz zu den bereits genannten Poldern durchflossen und dienen somit gesteuert oder ungesteuert der Ableitung eines Teilabflusses von Gewässern. Dem unmittelbaren Schutz eines Deichbauwerkes dient der Qualmpolder.

119 Flutpolder Flutpolder sind Polder, die bei extremen Hochwasserereignissen geflutet werden. Der maximale Wasserstand in Flutpoldern liegt im Gegensatz zu Hochwasserrückhaltebecken im Nebenschluss nur wenig über denen im Gewässer. Es sind nicht durchflossene Räume zur Speicherung eines bestimmten Volumens der Hochwasserwelle, die gesteuert (Einlassbauwerke, kontrollierte Flutung) oder ungesteuert (Überlaufstrecken, bedingt kontrollierte Flutung) betrieben werden können. Nach Durchgang der Hochwasserwelle erfolgt eine kontrollierte Entleerung über ein Auslassorgan. Wegen der korrespondierenden Wasserspiegellagen im Flutpolder und Hauptgewässer sind die Umschließungsbauwerke als Hochwasserschutzanlagen nach DIN bzw. DWA-M zu dimensionieren. Die hydraulische Leistungsfähigkeit der Ein- und Auslaufbauwerke richtet sich nach dem Betriebsregime. Die Zuordnung zur außergewöhnlichen Bemessungssituation ermöglicht den Ansatz des n-falls für die Bemessung der hydraulischen Leistungsfähigkeit von beweglichen Verschlüssen. Flutpolder dienen der gezielten Retention von extremem Hochwasser (> HQ100) und werden wasserstands- oder abflussabhängig im Bereich des Bemessungshochwassers (i.d.r. ein HQ100) bzw. darüber hinausgehenden Abflüssen geflutet. Als Teil eines bedingt überlastbaren und damit resilienten Schutzsystems haben sie keinen Einfluss auf die Festlegung der Bemessungshochwasser unterhalb liegender Hochwasserschutzeinrichtungen. Flutpolder, die gezielt erst bei extremen Hochwasserereignissen geflutet werden, dienen vorrangig dazu, den Wasserstand abzusenken und damit das Risiko einer Überlastung der unterhalb liegenden Hochwasserschutzanlagen (Deiche, Hochwasserschutzwände etc.) zu reduzieren. Sie erfüllen damit eine sehr wesentliche Aufgabe im systemischen Hochwasserschutz, da sie das System insgesamt widerstandsfähiger gestalten. Diese Risikobetrachtung entspricht den heutigen Anforderungen an ein Schutzsystem, sowohl hinsichtlich der fachlichen als auch der wasserrechtlichen Vorgaben. Unkontrolliertes und plötzliches Versagen kann insbesondere vor dem Hintergrund der intensivierten und hochwertigen Nutzung in ehemaligen Überschwemmungsgebieten zu katastrophalen Folgen für die menschliche Gesundheit führen, aber auch bei materiellen Schutzgütern.

120 114 Bayerische Beispiele für Flutpolder in Bayern: Riedensheim (Donau), Katzau (Donau) Abb. 2 Flutpolder Riedensheim (WWA Ingolstadt) Abgrenzung zu Hochwasserrückhaltbecken im Nebenschluss Das von der baulichen Anlage ausgehende Gefährdungspotential, sowie die Auswirkungen auf den Hochwasserschutz unterhalb sind maßgeblich für eine Differenzierung zwischen Flutpoldern und Hochwasserrückhaltebecken im Nebenschluss in Bayern. Liegt die Einstauhöhe im Flutpolder wesentlich über der Wasserspiegellage im Gewässer (> 50cm) ist von einem erhöhten Gefährdungspotential auszugehen und es ist somit zu prüfen, ob die bestehenden Normen und Regelwerke für Stauanlagen anzuwenden sind (u.a. DIN 19700). Für bewegliche Ein- und Auslassorgane ist wegen der Zuordnung zur planmäßige Bemessungssituation der (n-1)- bzw. (n-a)-fall für den Nachweis der hydraulischen Leistungsfähigkeit maßgeblich. Ebenso wird in Bayern der Einsatz im planmäßigen Hochwassermanagement bei Hochwasserereignissen mit häufiger Eintrittswahrscheinlichkeit (< HQ100) als ein Kriterium für den Betrieb eines gesteuerten Polders als Hochwasserrückhaltebecken im Nebenschluss gewertet (Hochwasserschutz Aktionsprogramm 2020plus). Hochwasserrückhaltebecken im Nebenschluss werden hierbei als integraler Bestandteil von Hochwasserschutzmaßnahmen bei der Festlegung der Bemessungsereignisse (Abfluss/Wasserstand) oder bei Nachweisen der Wirkungsneutralität für unterhalb liegende Schutzanlagen berücksichtigt.

121 Bayerische Beispiele für Flutpolder als HRB im Nebenschluss: Weidachwiesen (Iller), Feldolling (Mangfall) 115 Abb. 3 Flutpolder Weidachwiesen (WWA Kempten) 3 Flutpolder Bestandteile Zu den wesentlichen Komponenten eines Flutpolders gehören der Trenndeich, Einlass- / Auslassbauwerke, der Binnendeich und bedarfsweise Anpassungsmaßnahmen für Verkehrswege, Strom- und Produktleitungen, naturschutzfachliche Ausgleichsmaßnahmen, sowie ggfs. Maßnahmen an Nebengewässern und gegen Grundwasseranstiege im Hinterland. Abb. 4 Bestandteile von Flutpoldern (Friedrich und Hack 2009)

122 116 4 Flutpolder Planung und Realisierung 4.1 Planung Maßgebliche Randbedingung für die Planung von Flutpoldern ist die Festlegung der Wirkung als Teil eines resilienten Schutzsystems oder als Hochwasserrückhaltung im Nebenschluss und damit Bestandteil bei der Bemessung einer unterhalb liegenden Hochwasserschutzmaßnahme (Anwendung der Normen/Regelwerke für Deiche oder Stauanlagen). Generell bedarf es für die Planung, aber auch für den späteren Betrieb grundlegender Kenntnisse über die hydrologischen Verhältnisse im Flussgebiet. Hierfür werden langjährige Pegelbeobachtungen herangezogen und in Abhängigkeit von der Qualität der Daten verschiedene Verfahren zur Bestimmung der Bemessungsgrößen (Abflussganglinien für verschiedene Wiederkehrintervalle) verwendet, z.b. Extremwertanalysen, Niederschlags-Abfluss-Modelle oder empirische Verfahren. Aus den Ganglinien werden Scheitelwerte, Füllen bzw. Retentionsvolumina, Scheitelanstiegszeiten für die Bemessung der Bauwerke eines Flutpolders ermittelt. Nicht zu vernachlässigen sind ebenfalls die hydrologischen Verhältnisse von Nebeneinzugsgebieten, das Retentionsverhalten bis zum ggfs. definierten Gefährdungspunkt, sowie mögliche mehrgipflige Hochwasserereignisse. Aufbauend auf den ermittelten hydrologischen Bemessungswerten können hydraulische Voruntersuchungen im Rahmen von physikalischen Modellversuchen oder numerischen Strömungsmodellen Effizienz und Wirkung eines Flutpolders abschätzen und wichtige Ergebnisse zur Planung von Ausführungsvarianten und einzelnen Bauteilen, insbesondere der Ein- und Auslassbauwerke, liefern. Der Betrieb des Flutpolders als ungesteuerter oder gesteuerter Rückhalteraum hat wesentlichen Einfluss auf die Form der Hochwasserwelle. Eine wirksame Kappung des Wellenscheitels wird durch einen gesteuerten Flutpolder erreichbar, während ein ungesteuerter Flutpolder ähnlich einer Deichrückverlegung zu einer zeitlichen Verzögerung des Gesamtabflusses führt. Des Weiteren kann der Retentionsraum eines gesteuerten Flutpolder sowohl lokal als auch überregional genutzt werden, vorausgesetzt dieses ist mit den vorhandenen Mitteln der Hochwasservorhersage sinnvoll möglich. Die Technische Universität München (TUM) hat im Rahmen eines vom Bayerischen Landesamt für Umwelt beauftragten Forschungsvorhabens an der Donau vorhandene Retentionsraumpotentiale identifiziert und u.a. die Wirkung gesteuerter und ungesteuerter Retentionsräume in Abhängigkeit von der Jährlichkeit des Hochwasserscheitels und der Hochwasserwellenform analysiert.

123 117 Im Ergebnis dieser Studie war u.a. festzuhalten, dass ein gesteuerter Flutpolder gegenüber einer ungesteuerten Retention (Deichrückverlegung) bei gleichem Rückhaltevolumen eine 6-fach höhere Reduktion des Hochwasserscheitelabflusses bewirken kann und dass die Wirkung von gesteuerten Flutpoldern mit zielführenden Weiterentwicklungen der hydrologischen Vorhersagemodelle und Computertechnik sowohl im regionalen als auch überregionalen Betrieb künftig noch wesentlich verbessert werden kann. Die Auswirkungen von Flutpoldern auf die Grundwasserstände sind stets ein öffentlich kontrovers diskutiertes Thema. Hierauf ist daher bereits frühzeitig im Planungsprozess zu achten. Langjährige Beobachtungen an GW-Pegeln sind heranzuziehen, Grundwassermodelle aufzustellen und Anpassungsmaßnahmen zur Vermeidung von flächigen Grundwasseranstiegen oder dem Schutz von Einzelanwesen zu planen. Des Weiteren sind Auen entlang der Gewässer häufig von naturschutzfachlich herausragender Bedeutung. Eine Nutzung landwirtschaftlich intensiv bewirtschafteter Flächen stellt aus ökologischer Sicht zwar einen vergleichsweise geringeren Eingriff dar, jedoch sind hier vor allem ökonomische Wertminderungen und Nutzungseinschränkungen auf landwirtschaftlich genutzten Flächen zu beachten. Die aufgeführten Belange (Grundwasser, Naturschutz, Landwirtschaft) sind bei der Planung künftiger Nutzungen im Polderraum und Festlegung der Betriebsweisen zu berücksichtigen und werden für den Realisierungsprozess von herausragender Bedeutung sein. 4.2 Realisierung Der notwendige Schutz vor Hochwasser, auch mittels Maßnahmen zur gezielten Rückhaltung wird in der breiten Öffentlichkeit insbesondere kurz nach Hochwasserereignissen wie im Juni 2013 auf Zustimmung treffen. Die konkrete Planung von einzelnen Flutpolderstandorten führt jedoch auf lokaler Ebene immer wieder zu zahlreichen Problemfeldern. Regelmäßig sind Fragen der Standortauswahl abzuklären, Auswirkungen auf Grundwasserstände darzulegen, künftigen Nutzungen von Polderflächen zu erläutern, die Gewährleistung Betriebssicherheit aufzuzeigen, ökologische Belange und Auswirkungen auf das Landschaftsbild zu diskutieren. Ein Geheimrezept für ein erfolgreiches Moderationsverfahren kann es zwar nicht geben, aber es kann bereits auf zahlreiche Erfahrungen und bekannte Kommunikationsmittel für die Umsetzung von offenen Planungsprozessen zurückgegriffen werden. Wesentlich sind eine frühzeitige Einbindung aller Betroffenen, Interessensgruppen und Behörden, sowie das persönliche Engagement und der Wille des

124 118 Planers/Unternehmensträgers zur Umsetzung eines sehr aufwendigen und zeitintensiven Moderationsverfahrens. Für einen offenen Planungsprozess ist somit ausreichend Zeit und Personal zur Verfügung zu stellen, Erfahrungen zeigen, dass das Genehmigungsverfahren dieser Mehraufwand teilweise im Genehmigungsverfahren kompensiert werden kann Als konkretes Beispiel kann hier der Flutpolder Riedensheim genannt werden, hier gab es nach einem umfangreichen und öffentlichen Planungsprozess keine Klagen gegen den Planfeststellungsbeschluss. Die Realisierung eines Flutpolders ist auch abhängig vom verfügbaren Grundbesitz. Das öffentlich-rechtliche Verfahren kann die Zulässigkeit des Vorhabens zwar feststellen und somit auch das öffentliche Interesse an einer derartigen Maßnahme, jedoch wird ohne verfügbaren Grund bzw. frühzeitiger Regelung zur Nutzung und Entschädigung von Polderflächen auf privat-rechtlicher Ebene eine Umsetzung nur mit erheblichen Zeitverzug möglich sein. 5 Flutpolder Betrieb (Steuerung, Unterhaltung, Überwachung) 5.1 Betriebsszenarien In Abhängigkeit von Ort und zeitlichem Verlauf der Flutung können Betriebsszenarien von unkontrolliert bis gesteuert unterschieden werden. bedeutet schlagartiges Versagen Abb. 5 Betriebsszenarien (DWA-T1/2014) 5.2 Steuerung Für gesteuerte Flutpolder sind in einem Betriebsplan eindeutige Steuervorschriften für die einzelnen Betriebsfälle festzulegen. Hier wird unterschieden nach einer Steuerung mit fester Vorgabe, Steuerung nach festen Vorgaben auf Basis einer Vorhersage und adaptiver Steuerung während des laufenden Hochwasserbetriebes.

125 119 a) Steuerung nach fester Vorgabe Flutung erfolgt mit Erreichen eines bestimmten Abflusses (Steuerungsvorgabe) im Gewässer + eindeutige Vorgabe für Betreiber (Entscheidungsträger) Geringe Eingriffsmöglichkeit, keine Flexibilität im überregionalen HW- Management, bei HW Welle mit höherem Scheitel /Fülle Rückhaltevolumen ausgeschöpft Abb. 6 Durch gesteuerten Flutpolder gekappte Hochwasserwelle (Grafik: R. Klumpp) b) Steuerung nach festen Vorgaben auf Basis einer Vorhersage Flutung erfolgt in Abhängigkeit der Vorhersage und der jeweils hierfür festgelegten Steuerungsvorgaben + Wirkungsspektrum größer Abhängig von gut funktionierender HW- Vorhersage, Wirksamkeit Flutpolder bei falscher Wahl des Vorhersagebereichs stark eingeschränkt, Verantwortung für Betreiber (Entscheidungsträger) hoch Abb. 7 Steuervorgaben für mehrere Vorhersagebereiche (Fischer 2008) c) Adaptive Steuerung während des laufenden Hochwassersbetriebes Flutung erfolgt auf Basis einer exakten HW-Vorhersage (Niederschlags-Abfluss- Modell) und einer optimierten Steuerung + hohe Flexibilität und ggfs. hohe Wirksamkeit hoher Anspruch an HW-Vorhersage, Rechnerkapazitäten, gute Abbildung (2d-hn-Modelle) u.a. vorhandener Ausuferungs-, Rückstaueffekte, Vorgabe von Zielgrößen, Wirksamkeit bei unzureichender Vorhersage/ Steuerung deutlich eingeschränkt Abb. 8 Wasserstandsvorhersage (Holle 2006)

126 Überwachung Eigenüberwachung / Fremdüberwachung (Behördliche Aufsicht) Der bescheidsmäßige Betrieb des Flutpolders erfolgt über die Bauwerks- und Betriebsüberwachung und ist als Grundlage für Fremdüberwachung entsprechend zu dokumentieren, i.d.r in einem Sicherheits- bzw. Statusbericht. Die Fremdüberwachung kontrolliert stichprobenartig und im pflichtgemäßen Ermessen u.a. die Einhaltung und Erfüllung des wasserrechtlichen Bescheides und den ordnungsgemäßen Zustand eines Flutpolders. Hierzu gehören die Sichtung der Genehmigungsunterlagen, die Überprüfung der Eigenüberwachungsunterlagen und die Kontrolle vor Ort. Der Betreiber hat des Weiteren in angemessenen Zeiträumen eigenverantwortlich besondere Prüfungen und Untersuchungen zur Bewertung der Sicherheit der Anlagen (u.a Standsicherheitsnachweise, hydrologische/ hydrotechnische Sicherheit) durchzuführen Technische Gewässeraufsicht - Überwachung Flutpolder in Bayern Die Wasserwirtschaftsämter als Betreiber der Anlage führen die Eigenüberwachung nach einer vom Bayerischen Staatsministerium für Umwelt genehmigten vom Bayerischen Landesamt für Umwelt fachlich geprüften Betriebsvorschrift durch. In Bayern erfolgt die behördliche Überwachung von staatlichen Wasserspeichern durch die technische Gewässeraufsicht des Bayerischen Landesamtes für Umwelt. Alle staatlichen Wasserspeicher sind in der aktuellen Verwaltungsvorschrift zum Vollzug des Wasserrechts (VVWas) vom 27. Januar 2014 aufgeführt, hierzu zählt auch der bereits errichtete Flutpolder Weidachwiesen. Insoweit ein Flutpolder nicht zu den staatlichen Wasserspeichern gehört /gehören wird, erfolgt die technische Gewässeraufsicht durch das Wasserwirtschaftsamt, die Betriebsvorschrift ist durch die zuständige Kreisverwaltungsbehörde zu genehmigen. 6 Flutpolder Nutzungen im Rückhalteraum Bei der Planung von Flutpoldern sind die künftige Nutzungen im Polderraum frühzeitig zu beachten und zu regeln. Wertminderungen und Einschränkungen bei der Bewirtschaftung sollten vertraglich geregelt werden, soweit der Grund in privater Hand verbleibt. Den Nutzern muss des Weiteren zweifelsfrei und eindeutig klar sein, bis wann eine landwirtschaftliche Nutzung der Flächen ohne Einschränkung erfolgen kann und ab wann ggfs. Maßnahmen zur Flächenberäumung/ Noternten vorgeschrieben sind. Diese Zeitpunkte (u.a. Vorwarnfristen für planmäßige Flutungen), Maßnahmenpläne,

127 121 Entschädigungsregeln und insbesondere auch die jeweiligen Zuständigkeiten sollten rechtsverbindlich festgeschrieben sein. Gleiches gilt auch nach Polderentleerung, hier sind vom Betreiber die notwendigen Beweissicherungsmaßnahmen (u.a. wegen befürchteter oder eingetretener Bodenkontaminationen) vorzunehmen und unabhängige Sachverständige hinzuzuziehen. Die forstliche Nutzung ist in der Regel problemlos, sofern seltene Flutungen und Einstauzeiten unter 20 Tagen zu erwarten sind. 7 Flutpolder Anhang und Beispielsammlung Zahlreiche Beispiele veranschaulichen die im Themenheft aufgeführten Grundlagen, Empfehlungen und Hinweise zur Planung, Realisierung und Betrieb von Flutpoldern. Am Beispiel des Oberrheins werden umgesetzte Hochwasserrückhaltemaßnahmen und zugehörige Praxiserfahrungen dargelegt. Erfolgreiche Moderationsverfahren (Gesprächskreis, Planungsworkshops) werden vorgestellt. Beispiele für hydraulische Modellversuche und Untersuchungen zur Sediment- und Stoffrückhaltung bei Hochwasserrückhaltebecken sowie Entschädigungsregelungen aus zwei Bundesländern für und eine Mustergliederung für eine Betriebsvorschrift sind ebenfalls enthalten. 8 Flutpolder Zusammenfassung und Ausblick Das im April 2014 veröffentlichte DWA Themenheft stellt eine anschauliche Zusammenfassung des aktuellen Wissenstandes zur Planung, Realisierung und Betrieb von Flutpoldern dar. Vor dem Hintergrund eines erweiterten Rückhaltkonzeptes im aktualisierten bayerischen Hochwasseraktionsprogrammes 2020plus gewinnt das Thema und damit auch das Themenheft an zusätzlicher Bedeutung. Für den landesweiten Hochwasserschutz soll ein bayernweites System von gesteuerten Flutpoldern errichtet werden (3). Derzeit werden an der bayerischen Donau bereits identifizierte Flutpolderstandorte einer vertieften Wirkungsanalyse unterzogen. Für den Flutpolder Riedensheim besteht ein rechtskräftiger Planfeststellungsbeschluss, so dass nach geplantem Bauabschluss in ca. 5 Jahren bei einem extremen Hochwasserereignissen künftig rund 8 Millionen Kubikmeter zwischengespeichert können. Durch eine gezielte Kappung der Hochwasserwelle kann der Scheitelabfluss der Donau in der Spitze um ca. 164 m³/s reduziert werden. Dies entspricht einer Reduzierung des Scheitelabflusses um 7,5 %. Dadurch wird im Bereich des Einlassbauwerks eine Reduzierung der Wasserstände um max. 35 cm erreicht. Die unterhalb liegenden Hochwasserschutzanlagen der Stadt Neuburg an der Donau und Ingolstadt können

128 122 somit künftig besser vor einer Überlastung und damit einem möglichen Versagen geschützt werden. Ein weiterer Flutpolderstandort an der Donau bei Katzau befindet sich derzeit im Raumordungsverfahren, eine positive landesplanerische Beurteilung liegt vor. Als Bestandteil des Hochwasserschutzkonzeptes für die Untere Mangfall soll die Hochwasserrückhaltung Feldolling künftig mehr als 6 Mio. m³ Hochwasser zurückhalten. Derzeit wird hierfür das Planfeststellungsverfahren durchgeführt. Literatur DWA-Themen T1/2014,Flutpolder, April2014, DWA Deutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall e.v., Theodor-Heuss-Allee 17, Hennef Aktionsprogramm 2020plus, Stand 2014, Bayerisches Staatsministerium für Umwelt und Verbraucherschutz Pressemitteilung 65/14, , StMUV Planfeststellungsbeschluss Flutpolder Riedensheim zwischen Donau-km 2486 und 2482 linksseitig der Donau, , Regierung von Oberbayern Anschrift der Verfasserin Dipl.-Ing. Gudrun Seidel Baudirektorin Bayerisches Landesamt für Umwelt Haunstetter Straße Augsburg Tel.: 08 21/ Fax: 08 21/ Gudrun.Seidel@lfu.bayern.de

129 Hochwasser und Geschiebe am Hochrhein Peter Rutschmann und Minh Duc Bui Kurzfassung Der Beitrag befasst sich mit komplexen, mehrdimensionalen Simulationen des Feststofftransports und der Habitatmodellierung in großen Flüssen. Er zeigt die Möglichkeiten moderner Programme auf und illustriert deren Einsatz und Vorteile für Untersuchungen am Hochrhein. Beispiele belegen, dass mit solchen Werkzeugen geplante Baumaßnahmen im Fluss auf deren Erfolg und Kosteneffizienz untersucht werden können, und dass heute Entscheide nicht mehr auf Erfahrung oder Bauchgefühl abgestützt werden müssen. Der Beitrag soll aber insbesondere auch aufzeigen, dass Sohlveränderungen und Habitatänderungen im Fluss nicht als Mittelwertentwicklung gesehen werden können, sondern dass in diesen Prozessen eine hohe Dynamik der räumlichen und zeitlichen Änderungen stattfindet. Diese Dynamik kann von Nutzen sein (irgendwo ergeben sich in einem Flusslauf jedes Jahr immer wieder aber möglicherweise an anderen Orten gute Laichplätze, auch wenn die Randbedingungen nicht ideal sind), sie kann aber auch großen Schaden verursachen (unglückliches Aufeinandertreffen einer lokal hohen Sohlenlage, einem Hochwasser und einer örtlichen Schwachstelle im Deich). Als Folge von Klimaänderungen und damit höheren Abflüssen werden auch die Feststofffrachten in Flüssen überproportional zunehmen. Die oben dargestellten Einflüsse werden deshalb in Zukunft an Gewicht gewinnen. 1 Einleitung Der Hochrhein zwischen Bodensee und Rhein soll in den kommenden Jahren wieder vermehrt für das Geschiebe durchgängig gemacht werden. Deshalb wurde durch das schweizerische Bundesamt für Energie und das Baden-Württembergische Regierungspräsidium in Freiburg eine Studie beauftragt, an der neben zwei privaten Auftragnehmern (Flussbau AG, WFN - Wasser Fisch Natur) auch die TU München mit Geschiebeund Fischhabitat-Berechnungen involviert war. Als Aktivierungsmaßnahmen für das Geschiebe wurden Stauabsenkungen während Hochwasser, aber auch der Transport von Geschiebe mit LKWs und die Wiederzugabe stromabwärts untersucht. Ebenfalls wurden Untersuchungen durchgeführt, inwiefern die Habitatbedingungen für Äschen durch Geschiebezugaben unterschiedlicher Volumina und mit selektiver und optimierter Kornverteilungskurve verbessert werden können. Der vorliegende Beitrag soll die Dynamik in Stauräumen während eines Hochwassers, sowohl auf die Geschiebebewegungen als auch auf die Habitatänderungen verdeutlichen.

130 124 2 Abschnitte mit Geschiebe-/Habitatmodellierungen Die Rheinstrecke kann in zwei Abschnitte unterteilt werden: In einen oberen, vom Bodensee bis zur Mündung der voralpinen Thur bei Andelfingen und in einen unteren Abschnitt bis zur Landesgrenze bei Basel. Während im oberen Abschnitt keine großen Geschiebeumlagerungen zu erwarten sind, so fanden im unteren Abschnitt früher große Umlagerungen statt. Seit ab 1900 allerdings 11 Staustufen im Rhein gebaut wurden, ist der Geschiebetransport unterbunden und auch in den seitlichen Zubringern haben anthropogene Eingriffe dazu geführt, dass nur mehr ein Bruchteil des ursprünglichen Geschiebes dem Rhein zuströmt. Der Lehrstuhl für Wasserbau und Wasserwirtschaft der TU München hat im Zuge des Gesamtprojekts eine mehrdimensionale Modellierung des rund 50 km langen Bereichs zwischen Reckingen und Ryburg-Schwörstadt untersucht. Diese Strecke wurde deshalb gewählt, da insbesondere nach dem Kraftwerk Reckingen und in den Stauhaltungen Albbruck-Dogern und Laufenburg günstige Bedingungen für eine Reaktivierung des Geschiebetransportes und damit eine Verbesserung der Habitatbedingungen für die gefährdete Äsche erwartet wurde. Insbesondere die frei fließende Strecke zwischen dem Kraftwerk Reckingen und der Mündung der Aare, eines größeren seitlichen Zubringers, war potenziell von hohem ökologischem Interesse. Die Untersuchungen wurden mit dem Programm FAST (Flow Analysis Simulation Tool) durchgeführt, einem Werkzeug, das an der Universität Karlsruhe entstand (Bui, 1998) und in den letzten zehn Jahren an der Universität Innsbruck und am Lehrstuhl für Wasserbau von Dr. Bui kontinuierlich weiterentwickelt wurde. Infolge der rund 50 km langen Strecke und der Langzeitsimulationen wurde die 2,5D Variante von FAST eingesetzt, welche einen aufgewerteten 2D Flachwasseransatz enthält und einen guten Kompromiss von Genauigkeit und noch vernünftiger Rechenzeit darstellt. Die 3D Variante hätte insbesondere wegen der Langzeitsimulationen zu sehr langen Rechenzeiten geführt. 3 Methodik 3.1 Hydromorphologisches Modell Die Modellstruktur des Codes FAST besteht aus mehreren Modulen. Der erste Modul berechnet die Strömungsgeschwindigkeiten, die Sohlschubspannungen und die turbulenten Schubspannungen. Der zweite Modul dient der Berechnung des Geschiebe- und Schwebstofftransports sowie der Gesamttransportrate. In Abhängigkeit des Gesamttransports wird abschließend die Sohlveränderung im dritten Modul berechnet. Der

131 125 vierte Modul, der die Habitateignungen für aquatische Organismen berechnet, wird gesondert im folgenden Abschnitt erläutert. Zur Simulation der Strömung werden die 2D Flachwassergleichungen verwendet. Die Schließung des Gleichungssystems erfolgt mit einer tiefengemittelten Version des k- - Turbulenzmodells. Der Einfluss der von vertikalen Ungleichförmigkeiten der Geschwindigkeit stammenden Dispersionsterme wird über eine erhöhte Wirbelviskosität berücksichtigt. Der sich im lokalen Gleichgewicht mit der Strömung befindliche Geschiebetransport kann alternativ mit verschiedenen Transportformeln berechnet werden. Der Geschiebetransport unter Ungleichgewichtsbedingungen wird durch die Lösung einer semi-empirischen Bilanzgleichung berechnet. Durch Anwendung eines quasi-3d Strömungsmodells wird im Sedimenttransportmodul der Einfluss der Sohlenneigung und der Gerinnekrümmung auf die Größe sowie die Richtung des Geschiebetransports berücksichtigt. Zur Berechnung des Schwebstofftransports wird die tiefengemittelte Advektions-Diffusionsgleichung verwendet. Die Nettoaustauschrate des Sediments zwischen Schwebstofftransport- und Geschiebetransportzone werden hier als Quell- und Senkenterme eingesetzt. Die Transportberechnungen werden in Abhängigkeit der im hydrodynamischen Modul berechneten Strömungsverhältnisse durchgeführt. Das Modell zur Berechnung der Geschiebefracht arbeitet mit dem Konzept aktiver und inaktiver Schichten. Es wird davon ausgegangen, dass die aktive Schicht dauernd durchmischt wird, aber eine Oberfläche mit gröberem Geschiebe haben kann, die das darunter liegende feinere Material vor Erosion schützt. Zwei Prozesse werden simuliert: (1) Die Durchmischung zwischen Sohlmaterial und dem Flüssigkeits-Geschiebe-Gemisch durch die Bewegung der Flüssigkeit und (2) die Durchmischung zwischen aktiver und inaktiver Schicht durch die Bewegung der Sohloberfläche. Unter der Bedingung, dass die Sohle zu 100 % aus unterschiedlichen Fraktionen besteht, kann die Sohlveränderung als Summe aller Änderungsraten je Fraktion angegeben werden. Die Änderungsrate der Anteile jeder Fraktion basiert auf der Massenbilanz für das Sediment. Sedimenttransportraten werden für jede Korngrößenklasse berechnet. In Gerinnen mit fraktionierten Sohlmaterialien sind die großen Körner übermäßig dem Strömungsangriff ausgesetzt. Die kleinen Körner sind im Strömungsschatten der großen Körner, deshalb wird ihre Transportkapazität verringert. Zur Berücksichtigung dieser Effekte führt man in dem mathematischen Modell den sog. Hiding / Exposure - Faktor ein, dadurch wird der kritische Shieldsparameter oder die Geschiebefracht modifiziert. Es existieren verschiedene empirische Formeln für den Hiding / Exposure - Faktor. In der Arbeit benutzen wir die von Wu et al. modifizierte Meyer-Peter & Müller Formel. Die Sortierungsprozesse oder Kornanteilveränderungen in der Deck- und Unterschicht können durch die Massenerhaltungsgleichung beschrieben werden.

132 126 Abschnitt 1 Freie Fliessstrecke Abschnitt 2 Restwasserstrecke Abschnitt 3 Abschnitt 4 Abb. 1 Untersuchungsgebiet für die Modellierungen der TU München Die partiellen Differentialgleichungen für Strömung und Sedimenttransport in einem krummlinigen Koordinatensystem werden in allgemeiner Tensornotation geschrieben. Die numerische Lösung dieser Erhaltungsgleichungen erfolgt mit der Methode der

133 127 Finite-Volumen. Zur Erfassung komplexer Gebietsberandungen werden randangepasste numerische Gitter aus weitgehend beliebig geformten Viereckelementen verwendet, deren Zentren die Berechnungspunkte des numerischen Modells bilden. Für die Flachwasser-Gleichungen wird ein Verfahren eingesetzt, das die direkte Lösung der Kontinuitätsgleichung und die Technik des Druckkorrekturalgorithmus kombiniert. Die zeitabhängigen Terme in den Erhaltungsgleichungen des hydrodynamischen Moduls sowie des Sedimenttransportmoduls werden mit einem impliziten Diskretisierungsverfahren erster Ordnung genau in der Zeit approximiert. Mit Ausnahme der Bodenevolutionsgleichung und der Gleichung für Ungleichgewichts-Geschiebetransport haben sämtliche Erhaltungsgleichungen die gleiche Struktur. Die daraus resultierenden Matrizen sind schwach besetzt und haben überwiegend Bandstruktur, so dass sie sehr effizient z.b. mit dem Thomas-Algorithmus gelöst werden. Eine detaillierte Herleitung der Gleichungen und deren numerische Lösungsverfahren können Bui (1998) und Bui et al. (2010) entnommen werden. 3.2 Fischhabitat Modell Wasser, Nahrung und Unterschlupf sind u. a. die wichtigsten Voraussetzungen für das Überleben von Fischen. Ein Fischhabitat wird von verschiedenen Faktoren beeinflusst: der Wassertiefe, dem ph-wert, dem minimalen Sauerstoffgehalt im Wasser, der Verfügbarkeit von Ruheplätzen, der Fließgeschwindigkeit und den Sedimenteigenschaften wie z.b. Kiesgröße und Substratklasse. Die meisten neueren Fischhabitatmodelle benutzen die Fließgeschwindigkeit, die Wassertiefe, das Sohlensubstrat und teilweise die Wassertemperatur zur Charakterisierung der Eignung. Der Maßstab für die Habitatqualität einer räumlichen Einheit ist der Habitateignungsindex (Habitat Suitability Index HSI). Dieser Index hat einen Wert von 0 bis 1, mit 0 für ein ungeeignetes Habitat und 1 für ein optimal geeignetes Habitat. Wird diese Information mit den Umweltparametern für unterschiedliche Randbedingungen und Zeitpunkte bestimmt, können die Veränderungen der Habitatqualität für Fischspezies erfasst werden. Als Kenngrößen zur Quantifizierung der Habitatqualität werden der hydraulische Habitateignungsindex (Hydraulic Habitat Suitability Index HHS) und zur Quantifizierung des Habitatangebots die gewichtete nutzbare Fläche (Weighted Usable Area WUA) verwendet. Die WUA wird berechnet durch die Multiplikation aller Einzelflächen mit ihrer Eignung und nachfolgender Aufsummierung. Durch Teilen dieses integralen Habitatangebots WUA durch die benetzte Fläche, erhält man den HHS (Hydraulic Habitat Suitability). Dieser beschreibt demnach das Habitatangebot als prozentualen Wert und eliminiert so den Einfluss der mit dem Abfluss veränderlichen benetzten Fläche:

134 128 WUA N i 1 WUA 100 HHS N A mit A HSI i i 1 i i [ m [%] 2 ] (1) WUA = Gewichtete benutzbare Fläche einer Flussstrecke, [m 2 ] HHS = Hydraulischer Habitateignungsindex einer Flussstrecke, [%] N = Gesamtanzahl überfluteter, räumlicher Einheiten, [-] Ai = Oberfläche der überfluteten, räumlichen Einheit i, [m 2 ] HSIi = Habitateignungsindex der räumlichen Einheit i, [-] Daten bezüglich der Präferenzen bzw. Anforderungen einer Fischart können je nach der Modellierungsmethode in unterschiedlichen Formen beschaffen werden. Die üblichste Methode ist die Anwendung der sogenannten Präferenzkurve. Für jede Rechenzelle eines Flussstreckenmodells werden partielle Eignungsindices (Suitability Indices = SI) für eine Fischart berechnet, die anhand von univarianten Präferenzkurven in Relation zu Wassertiefe, Fließgeschwindigkeit und Substrattypen berechnet werden. Der Habitateignungsindex einer Rechenzelle (HSIi) kann mit unterschiedlichen Mittelungsverfahren ermittelt werden. In der Arbeit wird dafür der arithmetische Mittelwert verwendet: HSI i d v s 1 SI SI SI (2) 3 wobei SId, SIv, SIs = Eignungsindices in Bezug auf Wassertiefe, Geschwindigkeit und Substrat. Diese Eignungsindices werden von den Präferenzkurven bestimmt. Die Auswahl der Präferenzkurven hat eine große Auswirkung auf die Ergebnisse. Präferenzkurven, die unter ähnlichen Konditionstypen und auf der Grundlage von großen Datenmengen ermittelt werden, liefern die genauesten Ergebnisse. 4 Beispielberechnungen zwischen KW Reckingen und KW Albbruck-Dogern 4.1 Kalibrierung und Randbedingungen Das hydraulische Modell wurde mit den zur Verfügung gestellten Messdaten anhand von an verschiedenen Stellen vorliegenden Wasserstands-/Abflussbeziehungen kalibriert. Die Rauigkeitswerte wurden solange streckenweise verändert, bis eine gute Übereinstimmung von Rechnung und Messung erzielt wurde.

135 129 Berechnungen des Sedimenttransports wurden für den Zeitraum von 1990 bis 2000 durchgeführt. Zur Modellkalibrierung wurden die Berechnungsergebnisse mit der Messung der Sohlkoten im Jahr 2000 verglichen. Testrechnungen haben gezeigt, dass die Kornverteilungen sowohl der Sedimentzugabe am Zuströmrand als auch der Sohlmaterialien entlang des Flussabschnittes eine sehr wichtige Rolle spielen. Da im Rechenbereich exakte Daten darüber nicht vorlagen, wurde für die ersten Berechnungen die Kornverteilungen des Sohlmaterials aufgrund der zur Verfügung gestellten Unterlagen geschätzt und mittels der oben ermittelten Rauheitsbeiwerte positioniert. Die Schwebstofffracht wurde unter Verwendung von Schwebstofffunktion in Rheinfelden berechnet (Rutschmann et al., 2013) und als Randbedingung festgelegt. Anschließend wurden die Kornverteilungen der Sedimentzugabe und des Sohlmaterials sowie die Sohlrauheit iterativ so verändert, dass eine optimale Anpassung an die Beobachtung erzielt wurde. Die weiteren Randbedingungen waren: Für den Zufluss werden die Stundenwerte von 1985 bis 2008 verwendet, ebenso für die seitlichen Zubringer Aare und Wutach. Am Ausströmrand des Modells wird der Wasserspiegel am KW Albbruck-Dogern mit einem Stauziel von 311,24 m ü. M. für einen Gesamtabfluss kleiner als m 3 /s und von 310,74 m ü. M. für einen Gesamtabfluss größer als m 3 /s fixiert (Wehrreglement). Der Geschiebeeintrag am Modellanfang ist eine Zielgröße von m 3 /a, im Bereich Zurzach m 3 /a und ab Mündung Wutach ein Eintrag gem. heutigem Mittel von m 3 /a. Für die Habitatsimulationen interessieren die Bedingungen für den Äschelaich. Die Laichzeit der Äsche liegt im März und April. 4.2 Prognoserechnungen Abb. 2 zeigt die vermessene Ganglinie über 24 Jahre und die berechneten /prognostizierten Feststofffrachten aus dem Stauraum. Dabei ist zu beachten, dass die Geschiebefracht (blaue Kurve) starke Sprünge aufweist. So ist zum Beispiel ersichtlich, dass während des Hochwassers von 1994 etwa die 2,5 fache Menge einer durchschnittlichen Jahresfracht transportiert wurde. Zunächst erstaunt diese Feststellung vielleicht nicht so sehr. Gefühlsmäßig ist sich jeder bewusst, dass während eines Hochwassers sehr viel mehr Feststoffe transportiert werden. Allerdings sollte man nicht nur in Werten von Volumina denken, sondern auch die zeitliche und qualitative Veränderung der Sohle während eines Hochwassers im Auge behalten. Eine 2,5 fache Jahresfracht an Feststofftransport kann massive Veränderungen

136 130 der Höhenlage einer Sohle und damit der Hochwassersicherheit nach sich ziehen, im Falle der Erosion in einer Fließstrecke kann sich die Kapazität eines Gerinnes erhöhen, im Falle von Anlandungen kann aber auch eine Kapazitätsminderung und damit eine Verschärfung der Hochwassersicherheit eintreten. Es war natürlich ein wichtiger Punkt in den Untersuchungen, auch die maximalen Wasserspiegel bei veränderter Sohle zu überprüfen, um eine Verschärfung der Hochwassergefahr auszuschließen. Genauso wie zeitliche Veränderungen der Sohlenlage für die Hochwassersicherheit zu beachten sind, ist auch die qualitative Veränderung der Zusammensetzung der Sohle für eine Habitatmodellierung von großer Wichtigkeit. Abb. 3 zeigt diese Veränderungen ebenfalls am Beispiel des Hochwassers von 1994 auf. Man kann in gewissen Bereichen praktisch eine Verdoppelung der mittleren Korndurchmesser der Sohle feststellen. Während das gröbere Sohlmaterial einen geringeren Einfluss auf die Wasserspiegel bei gegebenem Abfluss hat (erhöhte Sohlrauigkeit), so kann der Einfluss auf das Laichen der Fische sehr große Auswirkungen, zum Guten wie zum Schlechten je nach Fischart und Präferenz, haben. Abb. 4 zeigt den Anteil sehr guter (grün) und geeigneter (gelb) Flächen für das Laichen von Äschen. Obschon die Bedingungen im Stauraum vor allem wegen der hohen Wassertiefe und der geringen Geschwindigkeiten insgesamt schlecht sind, kann mindestens eine relative Verbesserung um den Faktor 2 erreicht werden. Schaut man nun auch bei der Habitateignung etwas genauer hin, so sieht man, dass die Habitatbedingungen natürlich ebenfalls großen zeitlichen Schwankungen unterworfen sein können. In Abb. 5 ist die Eignung für den Äschelaich in der freien Fließstrecke dargestellt, wobei neben dem Referenzfall ohne Geschiebezugabe, die beiden Fälle mit einer Zugabe von m 3 /a bzw m 3 /a dargestellt sind. Die Graphiken zeigen, dass nicht nur eine große, relative Verbesserung durch Zugaben erreicht wird, sondern dass die Bedingungen starken, monatlichen (unterschiedliche Farben) und jährlichen Schwankungen unterworfen sind. Abb. 2 Zeitlicher Verlauf des Geschiebeaustrags aus der Stauhaltung Abfluss in Reckingen (m 3 /s) Gesamtgeschiebeaustrag (m 3 )

137 131 Abb. 3 Mittlere Korndurchmesser der Deckschicht (dm) vor (A) und nach (B) dem Hochwasser 1994 Abb. 4 Prozentualer Flächenanteil der für den Äsche-Laich geeigneten Flächen in der freien Fließstrecke vor und nach dem Hochwasser 1994

138 132 Abb. 5 Zeitlicher Verlauf der Eignungsfläche im sehr guten Bereich in der freien Fließstrecke während der Laichzeit; Im linken Bild werden oberhalb der Stauwurzel m 3 Geschiebe zugegeben, im rechten Bild die doppelte Menge von m 3 ; Oben in der Mitte das Referenzbild ohne Zugaben 5 Folgerungen Der vorliegende Beitrag zeigt auf, dass Berechnungen über lange Zeiträume von 48 Jahren mit einem komplexen, quasi-3d Werkzeug, mit Stundenwerten einer 24 jährigen Ganglinie, welche für die Prognose zweimal abgefahren wurde, und über einen räumlichen Bereich von 50 Flusskilometern möglich sind. Die durch das 3D Werkzeug mögliche sehr detaillierte räumliche und zeitliche Auflösung, erlauben wichtige Schlüsse: 1. Wir sind es gewohnt, mit räumlichen und zeitlichen Mittelwerten zu rechnen und haben Mühe, diese Sichtweise zu verlassen. 2. Veränderungen als Folge von Feststofftransport können nicht mit einer Mittelwertsbetrachtung erfasst werden, da die räumliche und zeitliche Variabilität entscheidend sein kann. 3. Geschiebezugaben zur ökologischen Verbesserung von Flussabschnitten sind groß in Mode gekommen. Es ist darauf zu achten, dass solche Zugaben nicht zu hohen Wasserspiegeln und damit Überflutungen im Hochwasserfall führen. Auch hier können die örtliche Verteilung der Geschiebeanlandungen oder Geschiebeerosionen und das zeitliche Aufeinandertreffen mit einem Hochwasser entscheidend

139 133 sein. Verlandungskörper vor einem Wehrbauwerk können die Abfuhrleistung eines Wehrbauwerks je nach Lage verbessern oder verschlechtern. 4. Die Dynamik einer Flusssohle in Bezug auf die Sohlenlage aber auch auf die Sohlenzusammensetzung verändert die Habitateignung für Fische sowohl zeitlich als auch räumlich. Diese Variabilität ist allerdings auch wichtig, da sie mindestens an einigen Stellen akzeptable Bedingungen ermöglicht und damit ein komplettes Versagen wie in monotonen Gerinnen verunmöglicht. 5. Das Beispiel Hochrhein zeigt auf, dass mit Geschiebezugaben Habitatbedingungen verbessert werden können. Durch eine Abstimmung der zugegebenen Kornfraktion auf die Bedürfnisse der zu fördernden Lebewesen kann der Erfolg einer solchen Maßnahme optimiert werden. 6. Das vorgestellte Habitatmodell und die am Hochrhein verwendete Methodik ermöglichen es, geplante Maßnahmen auf deren Effizienz zu untersuchen und gezielt zu verbessern. In Anbetracht der Tatsache, dass die meisten Finanzen für Revitalisierungen verwendet werden, wäre eine solche Erfolgsabschätzung kaum falsch. Das Beispiel von Abb. 5 zeigt, dass durch den doppelten Mitteleinsatz nicht immer auch der Nutzen verdoppelt werden kann. Angesicht der hohen Kosten von Baumaßnahmen, wären solche Vorab-Untersuchungen und Entwicklungsprognosen angebracht. 7. Während wir bei Abflüssen mit Klimazuschlägen arbeiten, gibt es auf den Feststofftransport noch keinen solchen. Die Feststoffthematik wird allerdings in Zukunft zunehmen, da der Feststofftransport mit höherem Abfluss überproportional zunehmen wird. Es wäre ein Fehler, Baumaßnahmen ohne Berücksichtigung solcher künftiger Änderungen zu planen. 6 Literatur Abegg, J., Kirchhofer A., Rutschmann P. (2013): Masterplan Maßnahmen zur Geschiebereaktivierung am Hochrhein; Bericht BFE und RP Freiburg, Bern/Freiburg, 110 Seiten. Bui, M.D. (1998): Berechnung der Strömung und des Sedimenttransports in Flüssen mit einem tiefengemittelten numerischen Verfahren; Dissertation, Institut für Hydromechanik, Universität Karlsruhe. Bui, M.D., and Rutschmann, P. (2010): Numerical modelling of non-equilibrium graded sediment transport in a curved open channel; Computers & Geosciences, Vol. 36, Gessler, J. (1970): Self-stabilizingtendencies of alluvial channels; J. Waterw. Harbors Div. Am. Soc. Civ. Eng., 96(WW2), Heggenes J., Saltveit S.J., Lingaas O, Vaskinn K.A. (1994): Predicting fish habitat use responses to changes in waterflow regime: modelling critical minimum flows for Atlantic salmon and brown

140 134 trout in a heterogenous stream. In 1st International Symposium on Habitat Hydraulics, Norwegian University of Science and Technology, Trondheim, Norway. Lahti, M., (2009): Two-dimensional aquatic habitat quality modelling. PhD thesis, Faculty of Engineering and Architecture for public examination and debate in Auditorium R1 at Helsinki University of Technology (Espoo, Finland). Mäki-Petäys A., Muotka T., Huusko A., Tikkanen P. & Kreivi P. (1997): Seasonal changes in habitat use and preference by juvenile brown trout (Salmo trutta L.) in a northern boreal river. Can. J. Fish. Aquat. Sci. 54: Schneider, M., (2001): Habitat- und Abflussmodellierung für Fließgewässer mit unscharfen Berechnungsansätzen Weiterentwicklung des Simulationsmodells CASIMIR, PhD. Rutschmann, P., Bui, M.D., Abdelaziz, S. (2013): Hydromorphologische Berechnungen und Fischhabitatmodellierung für den Hochrheinabschnitt zwischen KW Reckingen und KW Ryburg Schwörstadt. Fachbericht zum Masterplan - Massnahmen zur Geschiebereaktivierung im Hochrhein, Lehrstuhl für Wasserbau und Wasserwirtschaft, TU München. Vollmer, S. und Kempmann, K. (2008): Sediment deposition and sediment management in the impounded section of the upper Rhine. In: Abstracts of oral and poster contributions to the international CHR Workshop - Expert Consultation, Wu, W. (2007): Computational River Dynamics. Taylor & Francis. Anschrift der Verfasser Prof. Dr. Peter Rutschmann Dr.-Ing. Minh Duc Bui Lehrstuhl für Wasserbau und Wasserwirtschaft der TU München Arcisstr München peter.rutschmann@tum.de minhduc.bui@tum.de

141 Großräumige Modellierung von Hochwasserrückhalt und Hochwasserretention im Einzugsgebiet der bayerischen Donau Daniel Skublics Kurzfassung Die Modellierung von Hochwasserereignissen erfolgt i.d.r. durch hydrologische oder hydrodynamische Modelle. Insbesondere bei großräumigen Betrachtungen entstehen hieraus Unsicherheiten. Für den optimalen Einsatz von gesteuerter Hochwasserrückhaltung müssen die Zusammenhänge der Hochwasserwellen-ausbreitung allerdings sehr genau modellierbar sein. Diesbezüglich stellen vor allem die Effekte der natürlichen Hochwasserretention eine Herausforderung dar. Der vorliegende Artikel zeigt hierfür Beispiele und Ansätze. 1 Einleitung Der Ablauf von Hochwasserereignissen in großen Einzugsgebieten ist komplex. Im bayerischen Einzugsgebiet der Donau wird dies durch die auftretenden Hochwasserereignisse eindrucksvoll belegt. Auch das jüngste Ereignis Anfang Juni 2013 zeigte, wie die Ausbreitung der Hochwasserwellen durch verschiedenste Aspekte beeinflusst wird (siehe Abb. 1). Unterschiedliche meteorologische Wetterlagen treffen auf das Einzugsgebiet mit seinen hydrologischen Eigenschaften (0). Auf die folgenden Hochwasserprognosen (1) werden Hochwasserspeicher in den Kopfeinzugsgebieten (2) gesteuert. Entlang der Flussläufe bauen sich Hochwasserwellen durch die Zuflüsse aus dem Zwischeneinzugsgebiet (3) auf, bevor sie sich an den Flussmündungen mit Abflüssen aus Teileinzugsgebieten überlagern (4). In Bereichen mit großen Retentionsflächen und geringem Längsgefälle nimmt die Bedeutung natürlicher Hochwasserretention (5) zu. Auch durch den Betrieb von Staustufen (6) kann die Ausbreitung der Hochwasserwelle beeinflusst werden. Letztendlich kann durch Flutpolder (7) gezielt der Hochwasserscheitel gekappt werden. Innerhalb besiedelter Bereiche sollen Deiche und Hochwasserschutzmauern dafür sorgen, dass Hochwasserschäden (8) verhindert werden. Damit alle Bereiche des Hochwasserschutzes effektiv zusammenwirken können, müssen diese großräumigen Zusammenhänge hinreichend bekannt sein. Die zugrunde liegenden Prozesse sind allerdings häufig hochgradig nichtlinear, weshalb deren Modellierung aufwendig ist.

142 Durchfluss Durchfluss 0 0 Zeit Zufluss Abfluss_1 Abfluss_2 Abfluss_3 0 0 Zeit Fluss 1 Fluss 2 Überlagert Durchfluss 0 0 Zeit vor Flussaue Durchfluss (2) Speichersteuerung (5) natürliche Retention nach Flussaue 0 (7) gesteuerte Flutpolder 0 (8) Hochwasserschäden Durchfluss Oberwasserpegel 0 (1) Hochwasservorhersage 0 (4) Wellenüberlagerung 0 (3) Zwischeneinzugsgebiet 0 0 Durchfluss 0 (6) Staustufensteuerung Durchfluss (0) Meteorologie, Hydrologie 136 vor Polder nach Polder Zeit -100 Qab POW Zs Zeit ohne Speicher mit Speicher 1 mit Speicher 2 mit Speicher 3 Zeit Vorhersage 1 Vorhersage2 Vorhersage3 Zeit Abb. 1 Schematische Darstellung der Ausbreitung von Hochwasserwellen und beeinflussenden Faktoren (Skublics 2014-b)

143 137 Für die großräumige Modellierung solcher Prozesse werden unterschiedliche Ansätze und Modelle verwendet, wobei für die Abbildung der Wirkung von Hochwasserrückhalt und Hochwasserretention i.d.r. hydrologische oder hydrodynamische Modelle eingesetzt werden. Der vorliegende Artikel zeigt an zwei Beispielen die Möglichkeiten und Probleme bei der großräumigen Modellierung gesteuerter Hochwasserrückhaltung. Dabei wird speziell auf die unterschiedliche Abbildung und den Einfluss natürlicher Hochwasserretention eingegangen. Der Artikel stützt sich auf Untersuchungen, die im Rahmen meiner Dissertation (Skublics 2014-b) sowie zwei Forschungsvorhaben entstanden sind. 2 Modellierung von Hochwasserrückhalt Im Rahmen des (LfU-) Forschungsvorhabens Verzögerung und Abschätzung von Hochwasserwellen entlang der bayerischen Donau wurden im Donauabschnitt zwischen Neu-Ulm und Straubing mögliche reaktivierbare Retentionsflächen detektiert, sowie deren Wirkung entlang der gesamten bayerischen Donau quantifiziert. Dabei kamen 2d-hydrodynamische Modelle zum Einsatz. Das (LfU-) Forschungsprojekt Flussgebietsweite operationelle Steuerung der Abflüsse im Extrembereich hatte zum Ziel, die Hochwassersteuerung von Speichern im bayerischen Donau-Einzugsgebiet so zu optimieren, dass eine Wirkung über das Flussgebiet des jeweiligen Speichers hinaus möglich wird. Dabei wurden zum einen hydrologische Modelle eingesetzt und zum anderen untersucht, in wie weit eine Modellkopplung von hydrologischen und 2d-hydrodynamischen Modellen eine Verbesserung der Simulationsgüte darstellt. 2.1 Modellierung gesteuerter Flutpolder entlang der bayerischen Donau Damit im Überlastfall (> HQ100) eine Entlastung der Hochwasserschutzsysteme an der bayerischen Donau geschaffen werden kann, sollten Möglichkeiten und Wirkung gesteuerter Flutpolder untersucht werden. Um geeignete Standorte im Nebenschluss der Donau zu lokalisieren, wurden historische Überschwemmungsflächen (Donau vor der Flussregulierung) mit der heutigen Landnutzung, insbesondere mit besiedelten Flächen, verschnitten. Zusätzlich wurden eine Mindestgröße und eine Abschätzung der groben technischen Realisierbarkeit (Befüllbarkeit, Entleerung etc.) herangezogen. Dadurch wurden zwischen Neu-Ulm und Straubing 12 Standorte lokalisiert. Im Donauabschnitt zwischen Straubing und Vilshofen besteht bereits ein umfangreiches Hochwasserschutzkonzept und zwischen Vilshofen und der Landesgrenze zu Österreich verläuft die Donau weitgehend in einer Schluchtstrecke, sodass kaum Möglichkeiten zum Hochwasserrückhalt vorhanden sind.

144 138 Hochwasserereignisse an der bayerischen Donau sind sehr komplex und weisen selten über die gesamte Flussstrecke dieselbe Intensität auf. I.d.R. beeinflussen die größeren seitlichen Zuflüsse den jeweils unterhalb liegenden Abschnitt der Donau. So treten beispielsweise am Pegel Ingolstadt häufiger sommerliche Hochwasserereignisse auf, während am Pegel Schwabelweis (östlich von Regensburg) die winterlichen Ereignisse überwiegen. Grund dafür sind im ersten Fall (sommerliche) Hochwasserabflüsse aus den Alpen (Lech) und im zweiten Fall typische Winterhochwasser aus den Mittelgebirgen an Naab und Regen (Unbehauen 1971). Für die Untersuchungen wurde die Donau daher in mehrere hydrologische Abschnitte unterteilt. Anschließend wurden von diesen Flussabschnitten 2d-hydrodynamische Modelle erstellt, kalibriert sowie validiert. Für die Untersuchungen zur Auswirkung der möglichen Flutpolderstandorte wurden Hochwasserereignisse erstellt, die in jeweils einem hydrologischen Abschnitt ein 100- jährliches Ereignis erreichen bzw. leicht übertreffen. Dazu wurden reale Ereignisse verwendet, die mithilfe eines hydrologischen Modells skaliert wurden. Nach der Berechnung des Ist-Zustandes wurden die Polderstandorte in die Modelle integriert und eine Einzelwirkungsanalyse durchgeführt (siehe Abb. 2). Landnutzung Undurchlässig disabled Fluss / Bach Siedlung / Gewerbe Wald Grünland Ackerland Fließrichtung Donau Fließrichtung natürliche Ausuferung Fließrichtung Polderfüllung Abb. 2 Modellierung eines gesteuerten Flutpolders im hydrodynamischen Modell. Die Aktivierung des Flutpolders wird chronologisch dargestellt (Darstellung 3-fach überhöht) (Skublics 2014-b). Ausgewertet wurde insbesondere die Scheitelreduktion der Hochwasserwelle bei optimal horizontaler Kappung. Die Auswirkungen des Flutpolderbetriebs wurden über die

145 139 gesamte bayerische Donau dargestellt. Zusätzlich wurde der kombinierte Betrieb von zwei Flutpoldern im selben hydrologischen Abschnitt sowie eine überregionale Steuerung der möglichen Flutpolder untersucht. Die überregionale Steuerung eines Flutpolders bedeutet, dass bei einem Überlastfall im unterstromig liegenden hydrologischen Abschnitt der Donau der jeweilige Flutpolder so gesteuert wird, dass unterhalb des hochwasserbestimmenden Zuflusses eine möglichst optimale Flutpolderwirkung erreicht wird. Diese Methodik ermöglichte eine detaillierte Darstellung der erzielbaren Flutpolderwirkung und auch eine Priorisierung der möglichen Standorte (innerhalb eines Flussabschnitts). Der Simulationsaufwand war allerdings selbst bei den begrenzten hydrologischen Szenarien sehr hoch. Die Hochwasservielfalt der Donau hält jedoch eine breitere Palette an Hochwasserszenarien bereit, deren Untersuchung mit den gewählten Methoden nicht mehr zu bewerkstelligen ist. Die Bewertung der Unsicherheit von Hochwasserprognosen auf die Poldersteuerung und die flussgebietsweite adaptive Steuerung aller Rückhaltemaßnahmen ist somit nur stark vereinfacht möglich. 2.2 Modellierung einer überregionalen Speichersteuerung Im Regelfall erfolgt der Hochwasserrückhalt in Speichern auf ein definiertes Schutzziel, das sich im selben Flusssystem befindet wie die Anlage selbst. Demnach birgt eine Optimierung darüber hinaus, also bis in das übergeordnete Flusssystem, das Potenzial, den Hochwasserschutz zu verbessern. Beispielsweise wird der Forggensee bei Hochwasser so betrieben, dass in Augsburg und entlang des Lechs möglichst geringe Hochwasserschäden entstehen. Die überregionale Speichersteuerung würde eine Optimierung der Speicherabgabe auf einen Zielpegel in der Donau bedeuten. Insbesondere dann, wenn am Speicher Retentionsvolumina ungenutzt bleiben bzw. der zeitliche Ablauf der Hochwasserereignisse eine entkoppelte Steuerung zulässt, könnten zusätzliche Schutzziele definiert werden. Dies wurde an vier Speichern im Einzugsgebiet der bayerischen Donau mit hydrologischen Modellen untersucht. Dabei wurden drei Szenarien betrachtet. Das Referenzszenario geht von einer möglichst geringen Speicherwirkung aus. Das Szenario regional optimiert, minimiert die maximal auftretenden Wasserstände am Zielpegel im Flusssystem, in dem sich auch der Hochwasserspeicher befindet. Das Szenario überregional optimiert, minimiert die maximal auftretenden Wasserstände an einem Zielpegel im übergeordneten Flusssystem. Bei den Untersuchungen wurden Annahmen zugrunde gelegt, die darauf abzielten, die größtmögliche Wirkung der Hochwasserrückhaltungen zu quantifizieren (Seibert et al. under review).

146 140 Die Ergebnisse der Untersuchung zeigten, dass eine positive Wirkung erzielt werden kann. Es ist ein deutlicher Unterschied zwischen der regionalen und der überregionalen Wirkung der untersuchten Speicher erkennbar (siehe Abb. 3). Wasserstands anderung W (cm) uebopt-regopt (cm) reg-opt ueb-opt Differenz Abfluss anderung Q (m 3 /s) Fliesstrecke ab Forggensee (Km) Abb. 3 Wasserstands- (links) und Abflussreduktion (rechts) des Wellenscheitels für die Fließstrecke unterhalb des Hochwasserspeichers. Mittelwerte und Abweichungen des regional optimierten Szenarios (schwarz) sowie des überregional optimierten Szenarios (blau). Zusätzlich ist die Differenz der Wasserstandsänderung eingetragen (Seibert et al. under review). Dennoch ist eine derartige Speichersteuerung aus heutiger Sicht nicht zu empfehlen. Grund dafür sind die großen Unsicherheiten der Vorhersagemodelle. Dies gilt einerseits für die Speicherzuflüsse (Anlagensicherheit), andererseits auch für die Ausbreitung und Verformung der beeinflussten Hochwasserwelle. Hier zeigen sich die Schwächen der hydrologischen Modelle bei der Abbildung natürlicher Retentionseffekte sowie der Überlagerung von Hochwasserwellen. 2.3 Hydrologisch-hydrodynamisch gekoppelte Modellierung von Hochwasserrückhalt Um den Schwächen der unter 2.1. und 2.2 vorgestellten Ansätze zu begegnen, wurde eine großräumige hydrologisch-hydrodynamische Modellkopplung untersucht. Dabei wurde anhand von drei abgelaufenen Hochwasserereignissen untersucht, inwieweit durch die Hinzunahme von hydrodynamischen Modellen eine Verbesserung der hydrologischen Simulationen möglich ist. Das Untersuchungsgebiet erstreckte sich über das gesamte bayerische Einzugsgebiet der Donau (ohne Inn). Es wurden jeweils rein hydrologische Hochwassersimulationen durchgeführt sowie Hochwassersimulationen, in der die hydrologisch ermittelten Abflüsse an 2d-hydrodynamische Modelle (der Flüsse Wertach, Lech, Isar, Naab, Regen und Donau) übergeben wurden. Dafür wur-

147 141 den vorhandene hydrologische und hydrodynamische Modelle mit möglichst geringen Anpassungen verwendet. Ausgewertet wurde die Simulationsgüte an ca. 85 Evaluationspegeln anhand unterschiedlicher Gütemaße. Die Ergebnisse dieser Untersuchung zeigen, dass durch einfaches Ersetzen des hydrologischen Flood-Routings durch 2d-hydrodynamische Modelle keine pauschale Verbesserung der Simulationsgüte erzielt werden konnte (Seibert et al. under review). Die nachfolgende Grafik (Abb. 4) verdeutlicht dies anhand der Gütemaße Root Mean Square Error (RMSE) und Peak Time Difference (PTDF). Die erzielten Werte der hydrologischen Simulation (HY) sind gegen die erzielten Werte der gekoppelten Simulation (HY&HD) geplottet, sodass Abweichungen von der Winkelhalbierenden eine Verbesserung hinsichtlich eines Modellansatzes bedeuten. Abb. 4 Simulationsgütemaße RMSE und PTDF der gekoppelten Berechnungen gegen die hydrologischen Berechnungen. Darstellung der Werte aller Evaluationspegel der drei Hochwasserereignisse (Seibert et al. under review). Der Grund für dieses unerwartete Ergebnis liegt insbesondere in der unterschiedlichen Abbildung von natürlichen Retentionseffekten durch hydrologische bzw. 2d-hydrodynamische Modelle. Durch die nicht eindeutige Trennung zwischen Abflussentstehung und Abflussfortpflanzung innerhalb konzeptioneller hydrologischer Modelle besteht die Möglichkeit, dass durch die Modellkalibrierung Lösungen entstehen, die nicht den aufgetretenen (natürlichen) Zuständen entsprechen (Skublics et al c, Kirchner 2006). Somit werden über das hydrologische Modell häufig fehlerhafte Zuflüsse in das hydrodynamische Modell übergeben. Diese Fehler können dann im hydrodynamischen Modell nicht (mehr) durch (realistische) Kalibrierungsparameter kompensiert werden.

148 142 3 Modellierung von Hochwasserretention Die Ausbreitung von Hochwasserwellen wird insbesondere durch (natürliche) Hochwasserretention beeinflusst. Die korrekte Abbildung von Hochwasserretentionseffekten ist daher für die großräumige Hochwassermodellierung einer der wichtigsten Aspekte. Die Verformung der Hochwasserwelle durch Retentionseffekte, die Dämpfung und die Verzögerung des Hochwasserscheitels weisen komplexe, stark nichtlineare Eigenschaften auf. Neben den Eigenschaften der Vorländer (Fläche, Gefälle, Rauigkeit etc.) spielen insbesondere die Abflusshöhe und die Fülle der Ganglinie eine Rolle (Skublics 2014-b, Haider und Vischer 1994). Allein über das aktivierte Retentionsvolumen kann die Retentionswirkung nicht beschrieben werden (Skublics 2014-a). Für die großräumige Hochwassermodellierung ist es daher wichtig, dass das verwendete Modell eben diese Effekte und Eigenschaften abbilden kann. Konzeptionelle hydrologische Modelle scheitern daran, da das kalibrierte Flood-Routing die Retentionsverhältnisse immer nur für einen ganz bestimmten Bereich wiedergeben kann und darüber hinaus nicht extrapolierbar ist. Die unterschiedliche Abbildung der Scheiteldämpfung Q*max und der Scheitelverzögerung dt(qmax) durch Retentionseffekte wurde an einem Donauabschnitt (ca. 80 Fkm) mit drei Modellen untersucht (siehe Abb. 5). Das Modell HY_vereinfacht ist ein einfacher Flood-Routing Ansatz mit einer Einzellinearspeicherkaskade. Dabei wurden Doppeltrapezprofile verwendet und Retentionseffekte nach Williams (1969) berücksichtigt. Das Modell HY ist ein für die operationelle Hochwasservorhersage eingesetztes Modell und das Modell HD ist ein 2d-hydrodynamisches Modell. Es wurden synthetisch erzeugte Ganglinien zwischen HQ1 und HQ1.000, basierend auf zwei unterschiedlichen Hochwasserereignissen (HW 2002 und HW 2005) untersucht (Skublics 2014-b, Skublics 2014-c). Deutlich zu erkennen ist, dass das operationelle hydrologische Modell gegenüber dem vereinfachten hydrologischen Modell bereits eine verbesserte Abbildung der Retentionseffekte aufweist. Allerdings sind die Abweichungen in einigen Abflussbereichen sowohl bei der Scheiteldämpfung als auch bei der Scheitelverzögerung groß. Besonders hinsichtlich der Hochwasserwellen-überlagerung mit seitlichen Zuflüssen sind derartige Abweichungen kritisch zu sehen.

149 dt(qmax)_hd 2002 dt(qmax)_hd 2005 dt(qmax)_hy 2002 dt(qmax)_hy 2005 dt(qmax)_hy_vereinfacht 2002 dt(qmax)_hy_vereinfacht Q max * [-] Qmax*_HD 2002 Qmax*_HD 2005 Qmax*_HY 2002 Qmax*_HY 2005 Qmax*_HY_vereinfacht 2002 Qmax*_HY_vereinfacht HQ_1 HQ_5* HQ_10 HQ_20* HQ_50 HQ_100 HQ_1000 dt(q_ max ) [h] HQ_1 HQ_5* HQ_10 HQ_20* HQ_50 HQ_100 HQ_1000 Abb. 5: Abbildung der Hochwasserretention im Untersuchungsgebiet durch das vereinfachte hydrologische Modell (HY_vereinfacht), das operationelle hydrologische Modell (HY) und das hydrodynamische Modell (HD) und derenauswirkungen auf die Scheiteldämpfung (links) und auf die Laufzeit des Hochwasserscheitels (rechts) (Skublics 2014-b). 4 Schlussfolgerungen Der gesteuerte Rückhalt von Hochwasser stellt sowohl für den Hochwasserschutz als auch für Überlaststrategien eine wichtige Säule dar. Um allerdings das Potenzial des gesteuerten Hochwasserrückhaltes großräumig voll ausschöpfen zu können, bedarf es einer Modellierung, die sowohl den breiten hydrologischen Aspekten als auch den spezifischen hydrodynamischen Aspekten gerecht wird. Dabei ist es besonders wichtig, dass Retentionseffekte richtig abgebildet werden. Dies ist über 2d-hydrodynamische Modelle möglich, da hier die hydraulischen Vorgänge in den Ausuferungsbereichen wiedergegeben werden. Der Simulationsaufwand lässt deren Einsatz für Prognose- und Optimierungszwecke in diesen Dimensionen allerdings (noch) nicht zu. Eine mögliche Lösung wäre die Bereitstellung von Daten über ein gekoppeltes hydrologisch-hydrodynamisches Modell. Dabei muss dieses Modell bereits bei der Kalibrierung aufeinander abgestimmt sein, um zu verhindern, dass Unsicherheiten in der Niederschlags-Abflussmodellierung mit Parametern der Wellenausbreitung ausgeglichen werden. Diese so gewonnenen Daten könnten dann auf andere Modellansätze für den operationellen Einsatz übertragen werden. Literatur Haider, S und Vischer, D. (1994): Der Beitrag von Vorlandüberflutungen zur Verformung von Hochwasserwellen. Dissertation, Eidgenössische Technische Hochschule Zürich

150 144 Kirchner, J.W. (2006): Getting the right answers for the right reasons: Linking measurements, analyses, and models to advance the science of hydrology, Water Resources Research, 42, W03S04, doi: /2005WR Seibert, S.P., Skublics, D., Ehret, U. (under review): The Potential of coordinated reservoir operation for flood mitigation in large basins - a case study at the Bavarian Danube using coupled hydrologicalhydrodynamic models, submitted to Journal of Hydrology. Skublics, D. und Rutschmann, P. (2014-a): Hochwasserrückhalt durch natürliche Hochwasserretention entlang der Bayerischen Donau. WasserWirtschaft, 4/2014, S Skublics, D. (2014-b): Großräumige Hochwassermodellierung im Einzugsgebiet der bayerischen Donau - Retention, Rückhalt, Ausbreitung. Dissertation am Lehrstuhl für Wasserbau und Wasserwirtschaft der Technischen Universität München, (eingereicht). Skublics, D., Seibert, S.P., Ehret, U. (2014-c): Abbildung der Hochwasserretention durch hydrologische und hydrodynamische Modelle unter unterschiedlichen Randbedingungen. Sensitivitätsanalyse am Donauabschnitt zwischen Neu-Ulm und Donauwörth, Hydrologie und Wasserbewirtschaftung, HW , H. 3, S.: Unbehauen, W (1971): Die Hochwasserabflußverhältnisse der bayerischen Donau Hochwasser der Jahresreihe 1845/1965, München, Bayer. Landesstelle für Gewässerkunde. Williams, J R (1969): Flood routing with variable travel time or variable storage coefficients. Transactions of the ASAE, S Anschrift des Verfassers Dipl.-Ing. Daniel Skublics Lehrstuhl für Wasserbau und Wasserwirtschaft Technische Universität München Arcisstr München daniel.skublics@tum.de

151 Series Distance ein innovatives Gütemaß zur Bewertung der Simulationsgüte hydrologischer und hydraulischer Modelle Simon Seibert und Uwe Ehret Kurzfassung Series Distance (SD) (Ehret & Zehe 2011) ist ein Verfahren zur simultanen Quantifizierung von Zeit- und Wertefehlern in hydrologischen und hydraulischen Simulationen. In den letzten drei Jahren wurde SD weiter entwickelt, so dass es mittlerweile nicht mehr nur ereignisbasiert sondern kontinuierlich auf Zeitreihen beliebiger Länge angewendet werden kann. Möglich wird dieses durch einen Algorithmus zur Abgrenzung ähnlicher Zeitreihenabschnitten (steigender Ast, fallender Ast, Niedrigwasserperiode) in der simulierten und gemessenen Ganglinie. Im ersten Teil dieses Artikels stellen wir die Grundzüge dieses Verfahrens vor. Im zweiten Teil beschreiben wir den Einsatz von SD zur Erstellung von Unsicherheitsbereichen. Hierzu verwenden wir ein statistisches Verfahren welches eine Stichprobe aus der 2-dimensionalen SD-Fehlerverteilung zieht und diese auf die Simulation anwendet. Die Güte unseres Ansatzes beurteilen wir anhand von drei Kriterien: i) Prozentualer Anteil der Messwerte im Unsicherheitsbereich (%-MiU), ii) relative Breite des Unsicherheitsbereiches im Verhältnis zum Simulationswert (SNR) und iii) anhand der kumulierten Breite des Unsicherheitsbereiches (Volumen). Um den Nutzen von SD beurteilen zu können, vergleichen wir es mit einem Ansatz bei dem der Unsicherheitsbereich durch ein traditionelles, vertikales Gütemaß (hier Differenz zwischen Messung und Simulation) aufgespannt wurde. Die Ergebnisse zeigen, dass bei identischen prozentualen MiU, das Volumen des Unsicherheitsbereiches des aufwendigen SD Verfahrens um 1/3 größer, der SNR aber kleiner ist als bei dem alternativen, vertikalen Verfahren. Dies begründet sich dadurch, dass der SD basierte Unsicherheitsbereich vor allem im Abflussbereich < MQ Messwerte verpasst, wohingegen der einfachere, vertikale Ansatz in den Abflussspitzen schlechter abschneidet. Die unterschiedliche Güte der von uns verwendeten Verfahren manifestiert sich daher vor allem an den Rändern der Verteilung der Messwerte. Entsprechend ergeben sich Konsequenzen hinsichtlich des Potentials der Verfahren für unterschiedliche Anwendungszwecke. Der einfachere, vertikale Ansatz liefert bessere Ergebnisse bei Niedrigwassersimulationen und ggf. auch in (großen) Gebieten mit

152 146 schwach bis mäßig ausgeprägter zeitlicher Abflussdynamik. Das SD Verfahren ist dagegen besser für die Simulation von Perioden mit hohen Abflüssen geeignet und in der Lage einer stärkeren zeitlichen Abflussdynamik Rechnung zu tragen 1 Einleitung In der wasserwirtschaftlichen Praxis geht es oft darum, die Güte einer hydrologischen oder hydraulischen Simulation oder Vorhersage zu bewerten. Genau zu diesem Zweck ist der Series Distance (SD) Ansatz (Ehret & Zehe 2011) entwickelt worden. SD ist ein Verfahren, welches die visuelle Ganglinieninterpretation nachempfindet. Verglichen werden nicht, wie bei traditionellen Gütemaßen (z.b. NASH), Punkte mit identischem Abszissenwert, sondern steigende Zeitreihensegmente werden mit steigenden verglichen, fallende mit fallenden usw.. Die Stärke des SD Verfahrens liegt darüber hinaus darin, dass Zeit- und Wertefehler simultan quantifiziert werden. Es vereint (und berücksichtigt) damit unterschiedliche Kriterien in einem gemeinsamen Ansatz. Das Series Distance Verfahren lässt sich prinzipiell auf beliebige Zeitreihen anwenden. Allerdings können nur dann sinnvolle Ergebnisse erwartet werden, wenn sich die untersuchten Zeitreihen auch ähneln. Letzteres bedeutet hier, dass die Zeitreihen über eine ähnliche zeitliche Abfolge von lokalen Maxima und Minima verfügen müssen. Dies ist eine zentrale Annahme, die dem Verfahren zu Grunde liegt. Ist die zeitliche Abfolge steigender und fallender Zeitreihensegmente ähnlich, wie z.b. beim Vergleich einer gemessenen und einer simulierten Abflussganglinie, ist die Anwendung von SD möglich. Gibt es hingegen keine Ähnlichkeit bzgl. der zeitlichen Segmentabfolge ist die Anwendung von SD nicht geeignet. Auch die Anwendung von SD auf Zeitreihen unterschiedlicher Wertebereiche und/oder mit variierenden Einheiten ist, z.b. im Gegensatz zu einer Korrelationsanalyse, nicht möglich. Das SD Verfahren wird mittlerweile in vielen Forschungseinrichtungen aber auch in der wasserwirtschaftlichen Praxis getestet. 2 Material und Methoden 2.1 Von der ereignisbasierten zur kontinuierlichen Anwendung des Verfahrens Die ursprüngliche SD Version (Ehret & Zehe 2011) war beschränkt auf eine ereignisbasierte Anwendung des Verfahrens. Anhand eines nutzerspezifischen Abflussschwellenwertes wurde zwischen Ereignis und kein Ereignis unterschieden (Abbildung 1). In der Praxis resultieren daraus zum Teil Probleme, wenn z.b. die Simulation (sim) den Grenzwert überschreitet, die Messung (obs) aber nicht oder umgekehrt. Zudem musste spezifisch für jeden Pegel und oft auch in Abhängigkeit von der Jahreszeit oder der hydrologischen Situation der Schwellenwert angepasst werden. Gerade bei der

153 Analyse längerer Zeitreihen stellte auch das alternative Vorgeben von manuell bestimmten Ereignisanfängen und enden keine zufriedenstellende Lösung dar. 147 Abb. 1 Gemessene (schwarz) und simulierte (grau) Ganglinie. Die horizontale Linie entspricht dem nutzerspezifischen Schwellenwert der zwischen Ereignis und kein Ereignis unterscheidet. Die hellgrauen Verbindungslinien markieren die Punkte zwischen denen die SD-Zeit- und Wertefehler berechnet werden (Grafik aus Ehret und Zehe 2011). Um die Anwendung des SD Verfahrens dahingehend weiter zu optimieren, haben wir einen Algorithmus entwickelt der steigende und fallende Zeitreihenabschnitte (Segmente) automatisch abgrenzt, irrelevante Segmente identifiziert und diese dem nächstgelegenen, relevanten Segment zuordnet. Weiterhin wird die zeitliche Abfolge der Segmente in Simulation und Messung berücksichtigt und angeglichen. Letztlich resultierte eine eindeutige, chronologische Zuordnung der steigenden bzw. fallenden Segmente in Simulation und Messung. Basierend auf dieser Segmentabfolge werden dann die SD-Zeit- und Wertefehler bestimmt (Abbildung 2). Damit ist es nun möglich, das SD Verfahren kontinuierlich anzuwenden. Die resultierenden Segmente lassen sich i.d.r. gut den Kategorien ansteigender Ast, fallender Ast und Niedrigwasserperiode zuordnen, so dass eine getrennte Analyse dieser Ganglinienabschnitte möglich wird.

154 148 discharge (m³/s) discharge (m³/s) connectors observation simulation time step (h) connectors observation simulation time step (h) Abb. 2 Abgegrenzte Segmente (farblich markierte Abschnitte) in gemessener und simulierter Zeitreihe. Die grauen Verbindungslinien kennzeichnen die Punkte zwischen denen die Series Distance Zeit- und Wertefehler berechnet werden. Dargestellt ist ein 25-tägiger Ausschnitt einer Ganglinie vom Pegel Enz an der Dornbirner Ach. Die Simulation erfolgte mit einem LARSIM-WHM. Algorithmus zur Abgrenzung und Festlegung einer eindeutigen Segmentabfolge Im Detail besteht der Segmentierungsalgorithmus aus einem vierstufigen, hierarchischen Vorgehen: 1. Pre-processing: In dieser Phase werden sim und obs für die Analyse vorbereitet. Hier werden Lücken gefüllt, auf negative Werte geprüft, geglättete temporäre Kopien der Zeitreihen angelegt, identische aufeinanderfolgende Werte verändert, die hydrologischen Fälle (steigender Ast, fallender Ast, Peak, Tal) festgelegt und Start- bzw. Endzeitpunkt so definiert, dass beide Zeitreihen gleich lang sind und entweder mit einem steigenden oder fallenden Segment beginnen bzw. enden. 2. Basierend auf der zeitlichen Abfolge der hydrologischen Fälle werden nun alle Segmente in sim und obs bestimmt. Dabei werden für jedes Segment diverse Eigenschaften bestimmt wie Beginn, Ende, Segmentlänge, relative Segmentlänge bezogen auf die Länge der gesamten Zeitreihe. Außerdem wird die Summe der absoluten Steigung absolut und relativ bezogen auf die Summe der absoluten Steigung der kompletten Reihe bestimmt. Über die relative Länge und den relativen Steigungsanteil des Segments wird im Anschluss die Relevanz jedes Segmentes in sim und obs bestimmt. Letztere ergibt sich aus der Euklidischen Distanz von normierter relativer Länge (rellenght) und normiertem absoluten Steigungsanteil (reldq) (Gl. 1). Damit erhalten sehr kurze Segmente oder solche, die

155 keinen nennenswerten Werteunterschied aufweisen eine geringe Relevanz und umgekehrt. relevanz = rel length 2 + rel dq 2 ; (1) Im nächsten Schritt erfolgt eine iterative Angleichung der Anzahl vorhandener Segmente in sim und obs durch sukzessives Aggregieren der am wenigsten relevanten Segmente in derjenigen Zeitreihe die mehr Segmente enthält. Beim Aggregieren werden Segmente geringer Relevanz mit dem jeweils vorausgehenden und nachfolgenden Segment zusammengefasst, so dass ein neues Segment höherer Relevanz entsteht. Das Angleichen der Segmente endet sobald beide Zeitreihen eine identische Anzahl an Segmenten aufweist. 4. Im vierten Schritt wird eine eindeutige Segmentabfolge in sim und obs für den SD basierten Vergleich festgelegt. Hierfür wird erneut aggregiert. Dieses Mal erfolgt eine iterative Zusammenfassung der Segmente in sim und obs, so dass am Ende beide Zeitreihen nur noch durch zwei bzw. drei Segmente repräsentiert werden. In jedem Iterationsschritt wird ein Segment aus der Folge von sim und obs entfernt und der verbleibenden Segmentmenge zugeordnet. Dann wird die Distanz der nun auf diese Weise in sim und obs neu entstandenen Segmentabfolge bestimmt. Das Verfahren testet hierbei alle möglichen Zuordnungsoptionen und behält diejenige mit der kleinsten Distanz. Die Distanz der Segmentabfolgen wird über eine Zielfunktion ermittelt. Diese berücksichtigt die prozentuale Anzahl modifizierter hydrologischer Fälle (eine Konsequenz des Aggregierens), die SD-Zeit- und Wertefehler und die Relevanz des aggregierten Segments. Auch hier werden wieder alle Kriterien zunächst normiert und dann über die Euklidische Distanz zusammengefasst, so dass alle Kriterien identisch gewichtet werden. Das iterative Verfahren stoppt, wenn nur noch zwei bzw. drei Segmente (je nach Ausgangszustand) verbleiben. Die beste Aggregationsstufe ist durch die geringste euklidische Distanz gekennzeichnet (Abbildung 3). Mit dieser Kombination wird weitergearbeitet, alle anderen Zwischenschritte werden verworfen. Weiterentwicklungen am Series Distance Verfahren Auch das eigentliche SD Verfahren wurde weiterentwickelt. Zum einen hat sich die Verwendung der SD Konnektoren geändert. Bisher wurde die Anzahl der Konnektoren pro Segment aus der Länge bzw. der Anzahl der Zeitschritte des Segmentes bestimmt. In der aktualisierten Version wird nun die Anzahl der pro Segment verwendeten Konnektoren aus der relativen Bedeutung des Segments bezogen auf die gesamte Zeitreihe ermittelt (siehe Bestimmung der Segmentrelevanz oben). Dadurch werden kurze aber extrem hohe Abflussereignisse ebenso wie überdurchschnittliche lange aber nur

156 150 mäßig hohe Abflussereignisse stärker gewichtet als bisher. Zum anderen wurde eine weitere Option zur Berechnung des vertikalen Fehlers eingeführt. Bisher wurde der vertikale Fehler (Verr) direkt aus der Differenz von obs und sim ermittelt (Gl. 2): Verr = obs sim (2) aggregation step 1 of 18 observation simulation aggregation step 8 of 18 observation simulation discharge (m³/s) discharge (m³/s) time step (h) time step (h) discharge (m³/s) aggregation step 17 of 18 observation simulation value of objective function time step (h) step of aggregation (0=initial conditions) Abb. 3 Aggregieren der Zeitreihensegmente: Die Abbildungen zeigen exemplarisch die Segmentabfolge in den originalen Zeitreihen (oben links), nach acht Aggregationsschritten (oben rechts) und nach 17 Aggregationsschritten (unten links). Die Abbildung unten rechts zeigt die Veränderung des Zielfunktionswertes in Abhängigkeit von der Aggregationsstufe. Der rote Punkt markiert die Aggregationsstufe mit dem geringsten (=besten) Zielfunktionswert. Die Ganglinien stammen vom Pegel Enz an der Dornbirner Ach in Vorarlberg.

157 151 In der aktualisierten Version von SD besteht die Möglichkeit, den Vertikalfehler mit dem Mittelwert von sim und obs zu normieren (Gl. 3). Dadurch erhält man einen relativen Fehler, der in der Anwendung dazu genutzt werden kann, je nach Wertebereich unterschiedlicher Breite Unsicherheitsbänder zu erzielen. Wie bisher auch, bedeuten Verr>0, dass die Messung größer als die Simulation ist. V errnorm = obs sim 1 2 (obs + sim) (3) 2.2 Nutzung von Series Distance zur Erstellung von Unsicherheitsbereichen Allgemeine Grundlagen zur Quantifizierung von Modellunsicherheiten Unsicherheitsbereiche helfen die Sicherheit einer Simulation oder Vorhersage einzuschätzen. Das Potential und der Mehrwehrt von Unsicherheitsbereichen für die Interpretation von Modellergebnissen stehen heute weitgehend außer Frage (Moriasi et al. 2007). In den letzten zwei Jahrzehnten wurden zahlreiche neue Methoden entwickelt, die Unsicherheiten in hydrologischen und hydraulischen Modellen zu quantifizieren. Auf diese Weise entstanden zahlreiche probabilistische und nicht-probabilistische Ansätze. Erstere umfassen beispielsweise totel model uncertainty Konzepte (z.b. Montanari & Grossi 2008), Methoden die auf dem Bayes-Theorem beruhen (z.b. Krysztofowicz 2001, 2002) oder klassische Ensemble-Vorhersagen (z.b. Georgakakos et al oder Cloke & Pappenberger 2009). Als nicht-probabilistische Methoden gelten beispielsweise der GLUE Ansatz (Beven & Binley 1992), möglichkeitsbasierte Verfahren (z.b. Jacquin & Shamseldin 2007) oder Methoden die auf Fuzzy-Set Theorie beruhen (z.b. Nasseri et al. 2014). Bis heute gibt es in der Literatur keine klare Empfehlung welcher der vielen verfügbaren Ansätze am besten geeignet ist. Die wichtigsten Kritikpunkte die an die nichtprobabilistischen Ansätze gerichtet werden, sind ihre Subjektivität und oft auch ihre Inkonsistenz mit statistischen Verfahren, wenn sie auf Fragestellungen angewendet werden, die auch statistisch eindeutig gelöst und beantwortet werden können (Stedinger et al. 2008). Demgegenüber beruhen probabilistische Ansätze i.d.r. immer auf der Annahme von Ergodizität und Stationarität. Beide Annahmen stehen in der Praxis auf ziemlich wackeligen Beinen, weswegen manche Kritiker fordern, grundsätzlich auf probabilistische Verfahren zu verzichten. Es stellt sich daher die grundlegende Frage, ob es besser ist die genannten Annahmen zu treffen und von statistischen Informationen zu profitieren oder auf jegliche statistische Information zu verzichten und die Annahme in Frage zu stellen (Montanari 2007).

158 152 Aufgrund der einfachen Anwendung haben wir uns für einen probabilistischen Ansatz entschieden und eine Methode zur Konstruktion von Unsicherheitsbereichen basierend auf der 2-dimensionalen SD-Fehlerverteilung entwickelt. Statistische Methoden zur Konstruktion, Bewertung und zum Vergleich von Unsicherheitsbereichen Zur Erstellung der probabilistischen Unsicherheitsbereiche sind wir folgendermaßen vorgegangen: Zunächst wurden mit zwei unterschiedlichen Gütekriterien Fehlerverteilungen erstellt. Hierzu haben wir einmal die Differenz aus Messung und Simulation (obs-sim, als Vertreter eines einfachen klassischen Gütemaßes) und einmal SD mit der neu implementierten relativen Form der Fehlerberechnung auf unsere Zeitreihen angewendet. Um die resultierenden Verteilungen zur Konstruktion von Unsicherheitsbereichen zu verwenden, war eine nutzerspezifische Vorgabe erforderlich. Dies begründete sich dadurch, dass Unsicherheitsbereiche einerseits so schmal wie möglich, andererseits aber auch so viele Werte wie möglich enthalten sollten. Da diese Ziele entgegengerichtet sind, musste ein Kompromiss gefunden werden. Dazu wurde auf praktische Erwägungen zurückgegriffen. In der Praxis hat es sich häufig als nützlich erwiesen, den Unsicherheitsbereich so aufzuspannen, dass die Wahrscheinlichkeit den Messwert darin zu finden zwischen 80 und 90 % beträgt. Wir haben daher die Schwelle von 90 % gewählt und ausgehend vom Mittelwert beider Verteilungen entsprechende Stichproben aus den Fehlerverteilungen gezogen (Abbildung 4). Der letzte Schritt bestand darin, die gezogene Stichprobe auf jeden Punkt der simulierten Zeitreihe aufzutragen und eine Hüllkurve zu konstruieren. Letztere dient lediglich einer klareren Visualisierung. Beide Ansätze wurden auf eine Zeitreihe vom Pegel Enz (Dornbirner Ach, Einzugsgebietsgröße = 52 km²) angewendet. Die Länge von Simulation und Messung umfasste Stundenzeitschritte (ca. 13 Monate). Die Simulation wurde durch ein LARSIM-Wasserhaushaltsmodell erzeugt. Um die Güte der Unsicherheitsbereiche quantifizieren und vergleichen zu können wurden drei unterschiedliche Kriterien verwendet: 1. Prozentualer Messwertanteil im Unsicherheitsbereich (%-MiU): Das Kriterium beschreibt den prozentualen Anteil aller Messwerte, die innerhalb des Unsicherheitsbereiches liegen (Wertebereich [0 100]). Anhand des Kriteriums lässt sich sicherstellen, dass die nutzerspezifische Vorgabe die Messwerte sollten sich mit einer Wahrscheinlichkeit von XY % im Unsicherheitsbereich wiederfinden, erfüllt wird. In unserer Anwendung wurde sichergestellt, dass beide Verfahren identische %-MiUs erzielen. Unter diesen Bedingungen können die Breite und das Volumen der Unsicherheitsbereiche als Qualitätsmerkmal verwendet werden.

159 Je schmaler der Unsicherheitsbereich bzw. je geringer sein Volumen, desto besser das Verfahren Signal-to-noise-ratio (SNR): Der dimensionslose SNR beschreibt das mittlere Verhältnis aus der Breite des Unsicherheitsbereiches und Simulationswert. Je kleiner der Unsicherheitsbereich im Verhältnis zum Simulationswert ist, desto kleiner (besser) der SNR. Er kann Werte zwischen 0 und annehmen. 3. Volumen des Unsicherheitsbereichs (Volumen): Das Volumen des Unsicherheitsbereichs entspricht dem Integral über die komplette Breite des Unsicherheitsbereiches. Das Volumen ist abhängig von der Länge der betrachteten Zeitreihe und hat die Einheit [m³]. Da es ein absolutes, nicht normiertes Maß ist, lässt es sich lediglich im Kontext eines Vergleiches sinnvoll interpretieren. 3 Ergebnisse und Diskussion 3.1 Analyse der Fehlerverteilungen Aus der Differenz der Wertepaare (obs-sim) resultierte eine 1-dimensionale Fehlerverteilung (Abbildung 4, links), aus der Anwendung von Series Distance eine 2-dimensionale (Abbildung 4, rechts). Beide Verteilungen können, je nach Anwendungszweck, z.b. in mittleren (Zeit- und) Wertefehler zusammengefasst werden, die Basis für die Erstellung eines Unsicherheitsbereiches bilden oder für modelldiagnostische Analysen weiter differenziert und ausgewertet werden (z.b. segmentbasierte Unterscheidung der Fehlerverteilungen in steigendem/ fallendem Ast, hoher bzw. niedriger Abfluss). Für den Einsatz der Verfahren in der Hochwasservorhersage wäre auch eine weitere Unterscheidung nach lead time, hydrologischer Fall, Abflussniveau, usw. denkbar. Die vertikale Fehlerverteilung (Abbildung 4, links) ist nahezu symmetrisch, ihr Median weicht lediglich um m³/s vom Mittelwert ab. Die Ränder der Verteilung zeigen etwas höhere positive Fehler als negative. Das lässt vermuten, dass einige Abflussspitzen durch die Simulation nicht in voller Höhe erfasst wurden. Da es sich bei der Dornbirner Ach um ein kleines, schnell reagierendes alpines Einzugsgebiet handelt (MQ=2.8 m³/s), indizieren diese Werte eine recht hohe Simulationsgüte. Dies bestätigen auch RMSE 2.5 m³/s und NASH=0.7. Es ist daher zu erwarten, dass Zeitfehler in dem von uns betrachteten Untersuchungszeitraum eine eher untergeordnete Rolle spielen. Die 2-dimensionale SD-Fehlerverteilung (Abbildung 4, rechts) bestätigt diese Vermutung. Sie zeigt, dass der Median der Zeitfehler 0 h beträgt und damit betrachtet über die komplette Reihe vernachlässigbar ist. Der Wertefehler streut zwischen ± 150 % der Messung und hat einen Median von Das bedeutet, dass die Simulation in der Hälfte aller Fälle um rund 7 % zu groß ist. In einzelnen Fällen über- bzw. unterschätzt

160 154 die Simulation die Messung um etwa die Hälfte des Messwertes. Auch die Streuung der Zeitfehler ist hoch, es existieren einige Werte > 50 h. Angesichts der geringen (absoluten) Wertefehler vermuten wir jedoch, dass es sich hierbei um Artefakte und nicht um echte Fehler handelt. Diese können durch falsch zugeordnete Segmentabfolgen im Einzelfall entstehen. Das zeigt auch, dass für die Erstellung von Unsicherheitsbereichen zwingend hinreichend lange Zeitreihen berücksichtigt werden müssen, um derartige Ausreißer bei der Ziehung der Stichproben auszuschließen. Cumulative distribution function VALUE>0: sim<obs all values (n=10000) sampled range median (-0.15) absolute amplitude errors (obs-sim) [m3/s] Abb. 4 1-dimensionale kumulative Verteilungsfunktion basierend auf dem Fehlermaß (obs-sim, eq. 1) (links) und 2-dimensionale Series Distance Fehlerverteilung (rechts). Die dunkelgrauen Bereiche kennzeichnen die gezogenen Stichprobenbereiche (sampled range). Zu Gunsten kürzerer Datenverarbeitungszeiten wurde bei SD der Bereich innerhalb des dunkelgrauen Rings ausgespart. scaled value error (obs-sim)/(1/2(sim+obs)) [-] TIME > 0: obs later than sim VALUE > 0: obs > sim all values (n=9953) sampled range median(0.00,-0.07) time error [h] 3.2 Konstruktion der Unsicherheitsbereiche Basierend auf den gezogenen Stichproben wurden für das vertikale Fehlermaß (obssim) ein statischer Unsicherheitsbereich (Abbildung 5, oben) und für SD ein dynamischer (relativer) 2-dimensionaler Unsicherheitsbereich konstruiert (Abbildung 5, unten). Der Unsicherheitsbereich des vertikalen Ansatzes ist an allen Stellen gleich breit. Dies hat zur Folge, dass er in den Niedrigwasserphasen zu breit und während der hohen Abflüsse zu schmal wirkt. Auch die Genauigkeit während der steil ansteigenden Abflusssegmente muss hinterfragt werden. Hier verschwindet der Unsicherheitsbereich quasi unter der simulierten Ganglinie. Dadurch besteht die Gefahr, dass potentielle Zeitfehler als nicht relevant erachtet und demnach unterschätzt werden. Beides birgt das Risi-

161 155 ko, dem Unsicherheitsbereich eine nicht vorhandene Gewissheit zu unterstellen. Der kurze in Abbildung 5 (oben) dargestellte Zeitreihenausschnitt verdeutlicht, dass die Simulationsunsicherheit keine über alle Abflussregime geltende Konstante ist bzw. sein kann absolute amplitude error (%-MiU=90.0%, SNR=3.21, V=39E3 m³) uncertainty range observation simulation SD uncertainty bounds (%-MiU=89.7%, SNR=2.25, V=61E3 m³) uncertainty range observation simulation Abb 5 Statischer vertikaler Unsicherheitsbereich (oben) und dynamischer auf Series Distance beruhender Unsicherheitsbereich (unten). Dargestellt ist ein knapp 20-tägiger Zeitreihenausschnitt (Abfluss auf der Y-Achse (m³/s) und Zeitschritt (h) auf der X- Achse). Die statistischen Kenngrößen beschreiben den prozentualen Anteil der Messwerte im Unsicherheitsbereich (%-MiU), den Signal-to-Noise-Ratio (SNR) und das Gesamtvolumen der Unsicherheitsbereiche (V).

162 156 Der auf SD basierende Unsicherheitsbereich unterscheidet sich grundlegend von dem konstanten, vertikalen Ansatz. Augenscheinlich ist vor allem die stark variierende Breite des Unsicherheitsbereiches (graues Band in Abbildung 5, unten). Während der Niedrigwasserperioden ist der Unsicherheitsbereich klein, während der Abflussspitzen wächst er dagegen stark an. Auch die im Unsicherheitsbereich berücksichtige (2- dimensionale) zeitliche Komponente ist links und rechts der steilen Anstiege deutlich erkennbar. Durch die Dynamik wirkt der Unsicherheitsbereich insgesamt realistischer, wobei das SD basierte Verfahren innerhalb der Abflussspitzen wenig differenziert und grundsätzlich einen sehr großen Unsicherheitsbereich ausweist. Auch bezogen auf die statistischen Kriterien zur Beurteilung der Breite der Unsicherheitsbereiche sind deutliche Unterschiede ersichtlich, trotz identischem Anteil an Messwerten im Unsicherheitsbereich (%-MiU). Der SNR beträgt bei dem vertikalen, statischen Unsicherheitsbereich 3.21, der des SD-basierten Vorgehens lediglich Dies unterstreicht, dass das SD-basierte Verfahren betrachtet auf die gesamte Länge von Zeitschritten das geringere (=bessere) Verhältnis aus Unsicherheitsbereichsbreite und Simulation aufweist. Gleichwohl ist das Gesamtvolumen des Unsicherheitsbereichs bei SD um etwa ein Drittel größer als beim vertikalen Abstandsmaß. Dieses Ergebnis illustriert einen interessanten Zusammenhang: Obwohl der SD- Unsicherheitsbereich insgesamt ein um ein Drittel größeres Abflussvolumen umfasst, hat er, betrachtet über die komplette Zeitreihe, einen besseren SNR. Daraus folgt, dass es hier keinen einfachen linearen, negativ korrelierten Zusammenhang zwischen Unsicherheitsbereichsvolumen und SNR gibt, wie man es aus der Formulierung der Kriterien zunächst vielleicht erwarten würde. Ursächlich für diesen Zusammenhang ist das unterschiedliche Verhalten der beiden Verfahren. Trotz identischer %-MiUs werden verschiedene Werte in den Unsicherheitsbereichen erfasst bzw. nicht erfasst. Beim vertikalen Ansatz sind 77 % der nicht im Unsicherheitsbereich erfassten Messwerte > MQ (MQ=2.8 m³/s). Bei SD verhält es sich umgekehrt. Hier stammen nur 26 % der nicht erfassten Messwerte aus dem Abflussbereich > MQ. Fehler entstehen bei SD also vor allem in den Niedrigwasserperioden. Die Ergebnisse implizieren, dass je nach Anwendungszweck (Niedrigwasser- vs. Hochwassersimulation bzw. -vorhersage) und Dynamik des hydrologischen Regimes unterschiedliche Ansätze besser bzw. schlechter geeignet sind. Allgemein lässt sich festhalten, dass konstante, statistische Formulierungen von Unsicherheitsbereichen, Abflussregimen mit ausgeprägter zeitlicher Dynamik per se nur schlecht gerecht werden können. Die Anwendung statischer Verfahren ist daher besser für träge (große) Systeme mit geringerer Dynamik oder für die Simulation bzw. Vorhersage von Niedrigwasser geeignet. Verglichen mit dem einfachen vertikalen Gütemaß ist das SD Verfahren ausgesprochen aufwendig. Unser Beispiel zeigt aber, dass der SD basierte Ansatz dem einfachen, statischen Verfahren deutlich überlegen ist, wenn eine korrektere Erfassung der Abflussspitzen von Interesse ist. Zudem berücksichtigt es

163 grundsätzlich Zeitfehler und erlaubt es, durch die Veränderung der SD-internen Parameter, entweder Zeit- oder Wertefehler nutzerspezifisch zu gewichten Ausblick Basierend auf dieser ersten Studie zur Einschätzung des Potentials des Series Distance Verfahren zur Konstruktion von Unsicherheitsbereichen sind weitere Untersuchungen geplant. Diese sollen Antworten auf die folgenden, derzeit noch offenen Forschungsfragen liefern: Lassen sich SNR und Volumen beider Unsicherheitsbereiche durch differenziertere Fehlerverteilungen (z.b. nach Wertebereich, hydrologischer Fall, segmentbasiert) weiter verringern? Wie verändern sich SNR und Volumen des vertikalen Unsicherheitsbereiches, wenn dieses nicht absolut ( statisch ) sondern ebenfalls relativ formuliert wird? Welches der beiden Verfahren ist besser geeignet um Unsicherheitsbereiche für Vorhersagen zu erstellen. Hier spielen die Vorhersagetiefe (lead-time), vor allem aber auch Zeitfehler in der Regel eine große Rolle. 5 Literatur Beven, K. & Binley, A. (1992) The future of distributed models: model calibration and uncertainty prediction. Hydrological Processes. 6 (3), pp Cloke, H. L. & Pappenberger, F. (2009) Ensemble flood forecasting: A review. Journal of Hydrology. 375 (3-4), pp Ehret, U. & Zehe, E. (2011) Series distance an intuitive metric to quantify hydrograph similarity in terms of occurrence, amplitude and timing of hydrological events. Hydrology and Earth System Sciences. 15 (3), pp Georgakakos, K. P., Seo, D. J., Gupta, H. V., Schaake, J. & Butts, M. B. (2004) Towards the characterization of streamflow simulation uncertainty through multimodel ensembles. Journal of Hydrology. 298 (1-4), pp Jacquin, A. P. & Shamseldin, A. Y. (2007) Development of a possibilistic method for the evaluation of predictive uncertainty in rainfall-runoff modeling. Water Resources Research. 43 (4), W04425, doi: /2006wr Krzysztofowicz, R. (2002) Bayesian system for probabilistic river stage forecasting. Journal of Hydrology. 268 (1-4), pp Krzysztofowicz, R. & Kelly, K. S. (2000) Hydrologic uncertainty processor for probabilistic river stage forecasting. Water Resources Research. 36 (11), pp Montanari, A. (2007) What do we mean by uncertainty? The need for a consistent wording about uncertainty assessment in hydrology. Hydrological Processes. 21 (6), pp

164 158 Montanari, A. & Grossi, G. (2008) Estimating the uncertainty of hydrological forecasts: A statistical approach. Water Resources Research. 44, W00B08, doi: /2008wr Moriasi, D. N., Arnold, J. G., Van Liew, M. W., Bingner, R. L., D., H. R. & T., V. (2007) Model evaluation guidelines for systematic quantification of accuracy in watershed simulations. Transactions of the ASABE. 50 (3). pp Nasseri, M., Ansari, A. & Zahraie, B. (2014) Uncertainty assessment of hydrological models with fuzzy extension principle: Evaluation of a new arithmetic operator. Water Resources Research. 50 (2), pp Stedinger, J. R., Vogel, R. M., Lee, S. U. & Batchelder, R. (2008) Appraisal of the generalized likelihood uncertainty estimation (GLUE) method. Water Resources Research. 44, W00B06, doi: /2008wr Anschrift der Verfasser MSc. Ing-Ök. Simon Seibert und Dr. Uwe Ehret Bereich Hydrologie Institut für Wasser und Gewässerentwicklung Karlruher Institut für Technologie (KIT) Kaiserstrasse Karlsruhe simon.seibert@kit.edu uwe.ehret@kit.edu

165 Welches Potenzial haben dezentrale Hochwasserschutzmaßnahmen bei Ereignissen wie dem Juni-Hochwasser 2013? Wolfgang Rieger Kurzfassung In folgendem Beitrag wird die Wirksamkeit dezentraler Hochwasserschutzmaßnahmen hinsichtlich extremer Hochwasserereignisse wie dem Juni-Hochwasser 2013 diskutiert. Dies erfolgt einerseits anhand aktueller Studien zu dezentralen Hochwasserschutzmaßnahmen. Andererseits wird ein Ansatz zur prozessorientierten Modellierung einzelner und kombinierter dezentraler Hochwasserschutzmaßnahmen vorgestellt. Der Anspruch der Prozessnähe bedeutet insofern eine große Herausforderung, da dezentrale Hochwasserschutzmaßnahmen sowohl die Abflussbildung und Abflusskonzentration als auch den Wellenablauf im Gerinne beeinflussen können. Daher wird ein kombinierter Modellansatz aus dem physikalisch basierten Wasserhaushaltsmodell WaSiM (Schulla, 1997) und dem 2D-hydrodynamisch-numerischen Modell HYDRO_AS-2D (Nujic, 1998) gewählt, welcher primär unter Nutzung von experimentell erhobenen Daten parametrisiert wird. Die Ergebnisse dieser Untersuchung belegen für die dezentralen Hochwasserschutzmaßnahmen unter bestimmten Randbedingungen, die die Ereignisbzw. die Gebietscharakteristik betreffen, ein zum Teil merkliches Retentionspotential, welches gerade in kleineren Gebieten und bei geringvolumigen Starkniederschlägen zum Tragen kommt, jedoch maßnahmenspezifisch bei advektiven Extremereignissen deutlich abfällt. 1 Einleitung Das Junihochwasser 2013 kann hinsichtlich seiner Ausdehnung und Stärke insgesamt als das größte Hochwasser der letzten Jahrzehnte in Deutschland bezeichnet werden. Gesättigte Vorbedingungen auf Grund eines weit überdurchschnittlich feuchten Monats Mai gefolgt von einem stabilen Tiefdruckkern über Mitteleuropa mit tagelangen Niederschlägen bedingten dieses Jahrhundertereignis, das an nahezu 50 % der Gewässer in Deutschland zu mindestens fünfjährlichen Hochwasserabflüssen führte (Bröker, 2013; Eichenseer, 2013). In Bayern traten nahezu an allen Flüssen Hochwasser auf und historische Niederschläge im Chiemgau und im Berchtesgadener Land in Verbindung mit ungünstigen Überlagerungseffekten führten zu Rekordabflüssen, vor allem in Südostbayern und an den östlichen Donauabschnitten (LfU, 2014). Bemerkenswert ist, dass in

166 160 vielen mesoskaligen Zuflussgebieten der Donau geringere Jährlichkeiten als bei den vergangenen großen Hochwasserereignissen auftraten, jedoch die Summeneffekte dieses extrem flächenhaften Ereignisses zur Folge hatten, dass an der Donau die Höchstmarken der vergangenen Ereignisse dennoch überschritten wurden (Abb. 1). Abb. 1 Jährlichkeiten an Pegeln mesoskaliger Donauzuflüsse für die vergangenen drei Hochwasserereignisse in Bayern (Datengrundlage: LfU 2014) Um diesen Summeneffekten entgegenzuwirken, ist es für einen effektiven Hochwasserschutz zwingend erforderlich, neben technischen zentralen Maßnahmen und einer weitergehenden Hochwasservorsorge auch den Wasserrückhalt in der Fläche zu fördern. Dies wird in den Folgerungen der Bayerischen Wasserwirtschaft zum Junihochwasser 2013 berücksichtigt, da neben dem Ausbau des technischen Hochwasserschutzes der natürliche Rückhalt auch dezentraler Hochwasserschutz genannt weiter intensiviert werden soll (LfU 2014). Die Wirksamkeit solcher dezentralen Hochwasserschutzmaßnahmen wird im Folgenden aufgezeigt und diskutiert. 2 Arten und Wirkungsweise dezentraler Hochwasserschutzmaßnahmen Dezentrale Hochwasserschutzmaßnahmen dienen der Erhöhung der Retention in der Fläche. Werden sie als Änderungen der Landnutzungs- und Bewirtschaftungsform in Land- und Forstwirtschaft umgesetzt, so sind sie vor allem flächig angelegte Maßnahmen, die primär die Abflussbildung durch die verbesserte Infiltration und Interzeption reduzieren. Als dezentrale Kleinspeicher oder als Renaturierungsmaßnahmen hingegen führen sie vorwiegend zu punktueller oder linienförmiger Retention und beeinflussen je nach Anordnung im Einzugsgebiet die Abflusskonzentration und den Wellenablauf im Einzugsgebiet. Damit können sie auf Grund ihrer Vielfältigkeit nahezu überall umgesetzt werden und sie beeinflussen alle Phasen des Abflussprozesses (Tabelle 1).

167 161 Tabelle 1 Arten, Anordnung und Wirkpfade dezentraler Hochwasserschutzmaßnahmen Dezentrale Hochwasserschutzmaßnahmen Rand-bedingung: Landwirtschaft Forstwirtschaft Dezentrale Kleinrückhalte Renaturierungsmaßnahmen Einzelmaßnahmen: Konservierende Bodenbearbeitung Rückbau von Dränmaßnahmen Moorrenaturierung Ökologischer Waldumbau Aufforstungs-maßnahmen Geländemulden Feldabflussspeicher Ungesteuerte Becken Fließweg-verlängerung Auwaldaufforstung Anordnung: vorwiegend flächenhaft verteilt vorwiegend punktuell und linienförmig Beeinflusst: Abflussbildung Abflusskonzentration Wellenablauf 3 Untersuchungen zur Wirksamkeit dezentraler Hochwasserschutzmaßnahmen Im Gegensatz zu den vielen Synergieeffekten dieser Maßnahmen, wie die Grundwasserneubildung oder die Verbesserung des Kleinklimas, die Stoffaustrags- und Erosionsminderung sowie die Verbesserung der Strukturgüte und des Landschaftsbildes, ist ihr Retentionspotential vor allem bei selteneren Hochwasserereignissen sehr umstritten. Dies liegt unter anderem daran, dass die Untersuchungsergebnisse zur Wirksamkeit der dezentralen Hochwasserschutzmaßnahmen (z.b. Wegner 1992, Niehoff 2001, Marenbach 2002, Bauer 2004, Wilcke et al. 2002, Bölscher & Schulte 2007, Kreiter 2007, Müller & Sauer 2007, Wahren et al. 2007, Bronstert et al. 2008, Reinhardt 2010) deutlich voneinander abweichen. Gerade bei Studien zu den Maßnahmen, die die Abflussbildung beeinflussen, liegt eine große Streuung hinsichtlich des Retentionspotentials vor (vgl. Abb. 2). So liegt der Median bei Konservierende Bodenbearbeitung bei 0,7 %, während der Mittelwert bei 12,5 % Scheitelabminderung beim hundertjährlichen Ereignis liegt. Eine relativ gute Übereinstimmung zwischen den Untersuchungsergebnissen liegt bei der Maßnahme Dezentrale Kleinrückhalte vor, welche zudem als wirksamste dezentrale Hochwasserschutzmaßnahme anzusehen ist, da auch bei einem HQ100 noch merkliche Scheitelabminderungen festzustellen sind. Im Gegensatz dazu bewirken Maßnahmen auf Wald- und Ackerflächen, wenn sie in realistischem Umfang umgesetzt werden, bei diesen Ereignissen kaum eine Retention. Ihr Potential steigt gemäß den Studien mit sinkender Jährlichkeit des Ereignisses etwas an. Die Vergleichbarkeit der Maßnahmen wird weiterhin dadurch erschwert, dass in den meisten Studien nur einzelne oder Teile der angesprochenen Maßnahmen untersucht werden.

168 162 Abb. 2 Variabilität der Untersuchungsergebnisse zur Wirksamkeit dezentraler Hochwasserschutzmaßnahmen sortiert nach Maßnahmentyp (n = Anzahl der Untersuchungen, x = Mittelwert, weiterhin abgebildet: Median und Quartile) 4 Prozessnahe Modellierung einzelner und kombinierter dezentraler Hochwasserschutzmaßnahmen In Rieger (2012) wurde ein Modellansatz entwickelt, der es ermöglicht, die dezentralen Hochwasserschutzmaßnahmen (gem. Tabelle 1) mit ihren Einflüssen auf die drei Abfluss-prozesse zu simulieren und damit die Vergleichbarkeit der Maßnahmen zu gewährleisten. Eine Herausforderung bestand darin, den Einfluss unterschiedlicher Landnutzungen auf bodenhydraulische Eigenschaften innerhalb der Modellparametrisierung zu berücksichtigen. Dies erfolgte auf Grundlage von Feldmessungen und Laborproben, die an repräsentativen Punkten im Untersuchungsgebiet entnommen wurden. 4.1 Untersuchungsgebiet Als Untersuchungsgebiet wurde das mesoskalige ländlich geprägte (50 % Grünland, 25 % Wald, 17 % Acker, Rest bebaut) nördliche Teileinzugsgebiet der Windach gewählt (Abb. 3). Es hat eine Einzugsgebietsgröße (AEZG) von 65 km², als südlichen Zufluss den sogenannten Windachspeicher und befindet sich im Gebiet der eiszeitlichen Jungmoräne. Zu Kalibrierzwecken wurde das Gesamtgebiet bis zum Pegel Greifenberg (AEZG = 124,12 km²) zur Nutzung der realen Abflüsse verwendet. Der Leitbodentyp ist die Parabraunerde mit einer mittleren gesättigten Leitfähigkeit. Abgesehen von dem eher geringen Ackerflächenanteil stellt das Windachgebiet ein typisch ländlich geprägtes Einzugsgebiet im bayerischen Voralpenraum dar. Innerhalb dieses Untersuchungsgebietes diente ein Messgebiet als Grundlage zur landnutzungsabhängigen Bodenparametrisierung des hydrologischen Modells. Zu diesem Zwecke wurden umfassend Bodenproben

169 für die Laboranalyse entnommen und Feldmesstechnik in Form von TDR-Sonden und Tensiometern installiert (Abb. 3). 163 Abb. 3 Nördliches Teileinzugsgebiet der Windach (AEZG = 65 km², links), Messgebiet: Kopfgebiet des Saubaches (ca. 1,5 ha) mit Entnahmepunkten der Bohrstockanalyse und den Standorten der Messplots (installierte TDR-Sonden und Tensiometer) 4.2 Modellansatz Die Vielfalt der Maßnahmen mit ihren sehr unterschiedlichen Einflüssen auf die Abflussprozesse führte zur Wahl zweier Modelle, welche mit einem geeigneten Ansatz gekoppelt werden mussten. Verwendet wurde das physikalisch basierte Wasserhaushaltsmodell WaSiM und das zweidimensionale hydrodynamisch-numerische Strömungsmodell HYDRO_AS-2d. Auf Grund der implementierten Teilmodelle (z.b. Verdunstungs- und Bodenmodell, vgl. Tabelle 2) eignet sich WaSiM besonders zur Modellierung der Maßnahmen, die die Abflussbildung beeinflussen. Defizite liegen primär in der Simulation des Wellenablaufs im Gerinne, weshalb als zweites Modell das hydrodynamisch numerische Modell HYDRO_AS-2d eingesetzt wurde, welches auf Grund seiner Features besonders für die prozessnahe Simulation von Gewässerrenaturierungen geeignet ist. 4.3 Modellparametrisierung und -kalibrierung Da das Messgebiet als repräsentativ für das gesamte Windachgebiet bewertet wurde, konnte eine landnutzungsabhänge Bodenparametrisierung von WaSiM unter Berücksichtigung der gewonnenen Messdaten (tiefenabhängige Trockenrohdichten, Humusanteile und Feuchte-Saugspannung-Beziehungen) gewährleistet werden. Eine detaillierte Beschreibung der messdatengestützen Modellparametrisierung liegt in Rieger (2012) vor.

170 164 Tabelle 2 In der Untersuchung verwendete Modelle WaSiM HYDRO_AS-2d - Physikalisch basiertes N-A-Modell - 2D-hydrodynamisch-numerisches Modell - Rasterbasiert - Individuell wählbares Berechnungsnetz - Geschichtete Böden (RICHARDS-Gleichung), Makroporen - Umfassende Vegetationsparametrisierung (PENMAN-MONTEITH) - Variable Gewässer- und Uferstruktur (Lösung der Flachwassergleichungen) - Berücksichtigung der Landnutzung über Rauheitsansatz - Drän- und Speichertool - Berücksichtigung von Bauwerken - Gekoppeltes 2D-Grundwassermodell - Gute Abbildung der Vorlandströmung Prozessorientierte Modellierung der Abflussbildung Prozessorientierte Modellierung des Wellenablaufs im Gerinne Für Modellkalibrierung und -validierung von WaSiM wurden jeweils Zeiträume mit einem maßgeblichen Hochwasserereignis verwendet (2002/2005). Neben dem Güte-kriterium nach Nash-Sutcliffe (1970) standen eine stimmige Volumenbilanz sowie eine realistische Verteilung des modellierten Gesamtabflusses in die einzelnen Abfluss-komponenten im Vordergrund (Tabelle 3). Eine Grundwasserganglinie, der Bodenfeuchteverlauf im Intensivmessgebiet sowie der Abfluss eines zusätzlich dort angebrachten Messpegels konnten gut nachgebildet werden. Damit kann die Kalibrierung von WaSiM, bei der die physikalisch begründeten Modellparameter nicht verändert wurden, als sehr gut bewertet werden. Tabelle 3 Kalibrierung und Validierung von WaSiM am Pegel Greifenberg Pegel Greifenberg (A EZG = 124,12 km²): Kalibrierung ( 02-03) Validierung ( 03-05) Nash-Sutcliffe-Koeffizient: 0,94 0,93 V simuliert /V gemessen 1,03 1,00 Q Basis /Q Gesamt 0,29 0,44 Für die Erstellung des hydrodynamisch-numerischen Modells HYDRO_AS-2d wurden für den Ist-Zustand der Gewässerstruktur alle 50 m Geometriedaten der Windachzuflüsse aufgenommen. Die in WaSiM verwendete Landnutzung wurde in HYDRO_AS- 2d hinterlegt und mit spezifischen Oberflächenrauheiten parametrisiert. Die Einzugsgebietsstruktur wurde von WaSiM durch 65 Zuflussrandbedingungen in HYDRO_AS-2d übernommen, so dass Oberflächen-, Zwischen- und Grundwasserzuflüsse kleinmaßstäbig abgebildet wurden. Die Überprüfung der modellierten Abflüsse am Pegel Greifenberg ergab eine sehr gute Übereinstimmung beider Modelle und bestätigte die Eignung des gewählten Ansatzes für die Zielsetzung der Untersuchung. So konnten die in HYDRO_AS-2d simulierten Renaturierungen mit den restlichen in

171 WaSiM simulierten dezentralen Hochwasserschutzmaßnahmen verglichen und die Maßnahmen untereinander kombiniert werden Modellierungsergebnisse Die Wirksamkeit der dezentralen Hochwasserschutzmaßnahmen wurde unter Verwendung von vier Hochwasserereignissen untersucht: zwei advektive und zwei konvektive Ereignisse. Während das Eintreten der Hochwasserspitze beim advektiven HQ10 (Scheitelabfluss = 21 m³/s; Abflussvolumen = 3,5 Mio m³) und HQ100 (43 m³; 9,9 Mio m³) erst nach ein bis zwei Tagen zu verzeichnen war, so dauerte dies beim konvektiven HQ50 (31 m³/s; 2,9 Mio m³) und HQ60 (32 m³/s; 2,0 Mio m³) nur wenige Stunden. Betrachtet wurden Maßnahmen auf Acker-, Grünland- und Waldflächen, dezentrale Kleinrückhalte, Renaturierungsmaßnahmen sowie ein Maßnahmenkonzept, das Realisierbarkeit und Effektivität in sich vereint. In Tabelle 4 sind alle Maßnahmen und ihre unterschiedliche Wirksamkeit in Bezug auf die Scheiteldämpfung übersichtlich dargestellt. Ausgewählte Maßnahmen werden im Folgenden näher erläutert. Maßnahmen in der Landwirtschaft Die konservierende Bodenbearbeitung wurde durch einen veränderten Bodenaufbau (fehlende Verschlämmungsschicht/Pflugsohle gegenüber konventioneller Bearbeitung) sowie einen erhöhten Makroporenanteil im Modell umgesetzt. Die Wirkung der Maßnahme wird neben dem Abflussvolumen vor allem von Dauer und Form der Ganglinie beeinflusst. In den ersten Stunden führt das durch die konservierende Bodenbearbeitung erhöhte Infiltrationsvermögen und die geringere Bildung von Oberflächenabflüssen zu einem reduzierten Abflussvolumen und einer daraus resultierenden Scheitelabminderung. So kann der Abfluss bei einem stark konvektiven Ereignis mit 100 % Acker im Einzugsgebiet um über 5 % reduziert werden. Ab einer Ereignisdauer von einem Tag, was bereits beim HQ50 der Fall ist, können jedoch die größeren Zwischenabflüsse zu erhöhten Gesamtabflüssen (über 3 %) führen. Für die übrigen Ereignisse und bei realistischem Ackerflächenanteil ist die konservierende Bodenbearbeitung kaum wirksam. Aufforstung Die Wirksamkeit von Maßnahmen in der Forstwirtschaft ist nicht ausschließlich von Volumen und Spitze des Hochwasserereignisses abhängig. Vielmehr spielt die Niederschlagsverteilung für die Wirksamkeit der Wälder eine Rolle. Dies zeigt sich bei den ex-tremen Aufforstungsszenarien, da hierbei der erhöhte Interzeptionsspeicher der Wälder den sehr kurzen und starken Niederschlag des HQ60-Ereignisses geringer abpuffert als beim HQ10- und HQ50-Ereignis (Abb. 4). Weiterhin spielt die Art der Landnutzung, die aufgeforstet wird, eine Rolle. Durch realistische Aufforstungen von ca. 10 % können Hochwasserspitzen nur in sehr geringem Umfang reduziert werden (< 2 %).

172 166 Abb. 4 Prozentuale Scheitelabminderung durch Aufforstung in Abhängigkeit der aufgeforsteten Landnutzungsform und des Hochwasserereignisses Dezentrale Kleinrückhalte Im Gegensatz zu den bisher genannten Maßnahmen kann durch dezentrale Kleinrückhalte auch beim HQ100 der Abfluss mit knapp 10 % effektiv verringert werden. Die insgesamt 17 ungesteuerten Becken wurden mittels GIS-Studie und Feldbegehung im Untersuchungsgebiet identifiziert, in WaSiM implementiert und hinsichtlich ihrer Drosselweite für das jeweilige Ereignis optimiert. Das Retentionspotential der Becken ist stark abhängig vom Abflussvolumen bis zum Eintreten des Abflussscheitels. Dabei liegt ein direkter Zusammenhang zwischen spezifischem Volumen (sv = Retentionsvolumen aller Becken / Einzugsgebietsfläche) und Retentionspotential der Becken vor (Abb. 5). Abb. 5 Scheitelabminderung (in %) in Abhängigkeit des spezifischen Volumens

173 167 Renaturierung der Windachzuflüsse Die Renaturierungsmaßnahmen wurden in HYDRO_AS-2d für die Windachzuflüsse durch eine Laufverlängerung von insgesamt m auf m und eine mittlere Gefällereduzierung um 16,5 % umgesetzt. Das zusätzliche Szenario Auwaldaufforstung wurde im gesamten Böschungs-, Ufer- und Vorlandbereich durch eine Anpassung des Stricklerbeiwertes auf 10 m 1/3 /s realisiert. Das Retentionspotential wies eine Abhängigkeit vom Fließgefälle und vom Hochwasserereignis auf. Die Laufverlängerung allein wirkt sich vor allem bei einem Fließgefälle von unter 0,5 % und einem maximal zehnjährlichen Hochwasserereignis merklich aus. Dabei können in Teileinzugsgebieten Scheitelabminderungen von über 6 % erzielt werden. Die Wirkung der Maßnahme Gewässerrenaturierung steigt gerade bei größeren (geringvolumigen!) Hochwasserereignissen um ein Vielfaches an, wenn die Laufverlängerung in Verbindung mit großflächiger Auwaldauf-forstung umgesetzt wird und beim Hochwasserereignis Vorländer umfassend überflutet werden (bis zu 10 % Scheitelabminderung im Gesamtgebiet). Bei den advektiven Hochwasserereignissen ist das Retentionspotential zwar erkennbar, jedoch deutlich geringer. Maßnahmenkonzept Im letzten Schritt wurde ein für das Untersuchungsgebiet realisierbares und möglichst effektives Maßnahmenkonzept entwickelt und dessen Retentionspotential untersucht. Um das Einzugsgebiet dabei nicht mit einer übermäßigen Anzahl an Becken oder eng aufeinander folgenden Beckenkaskaden zu überladen, wurde die Beckenanzahl auf die wirksamsten zwei Drittel reduziert. Zusätzlich wurden an den Windachzuflüssen Renaturierungsmaßnahmen mit Auwald, ein renaturiertes Moor und ökologischer Waldumbau mit 10 % Aufforstung vorgesehen. Erwartungsgemäß hatten die dezentralen Rückhaltebecken mit im Mittel 61 % den größten Anteil am Retentionspotential des Maßnahmenkonzepts, gefolgt von den Gewässerrenaturierungen inklusive Auwaldaufforstung mit ca. 28 %. Insgesamt hängt die Wirksamkeit des Maßnahmenkonzepts primär vom Abflussvolumen ab, da beim HQ60_k-Ereignis sowohl in den Teileinzugsgebieten mit annähernd 50 % als auch im Gesamtgebiet mit über 25 % die größten Scheitelabminderungen erzielt wurden. Aber auch beim HQ100_a-Ereignis konnte die Abflussspitze im Gesamtgebiet um über 10 % und in den Teilgebieten um bis zu 22 % reduziert werden. 5 Diskussion und Ausblick Anhand der vorgestellten Studien sowie der durchgeführten Modellierungen zur Wirksamkeit dezentraler Hochwasserschutzmaßnahmen konnte die Variabilität des modellierten Retentionspotentials sowie die hieraus resultierende Notwendigkeit einer messdatengestützten transparenten Modellierungsstrategie veranschaulicht werden.

174 168 Tabelle 4 Scheiteländerung in % der in dieser Untersuchung behandelten Maßnahmen im nördlichen Teileinzugsgebiet der Windach (Pegel Greifenberg, AEZG = 65 km²) Ereignis: HQ 10 _a HQ 100 _a HQ 50 _k HQ 60 _k Abflussspitze, Q max : 21 m³/s 43 m³/s 31 m³/s 32 m³/s Abflussvolumen, Vol Q : 3, m³ 9, m³ 2, m³ 2, m³ Maßnahme Konservierende Bodenbearbeitung bei 17 % Ackerfläche im EZG - 0,4-0,2 + 0,3-0,3 bei 100% Ackerfläche im EZG - 0,4 + 0,4 + 3,3-5,8 Dränmaßnahmen Rückbau - 0, Dränabstand und tiefe halbiert + 0,4 + 0,1 + 0,2 0 Renaturierung von Mooren Seggen-Ökotop (6,5 % Flächenanteil) - 3,0-0,2 0-1,1 Sphagnum-Ökotop (6,5 % Fl.-Anteil) - 6,7-2,1-1,2-2,7 Ökologischer Waldumbau von 13 % Fläche Fichtenwald - 1,5-0,2-0,8-1,9 Aufforstung um 10 % von 25 % auf 27,5 % Waldfläche - 1,0-0,5-0,4-0,6 Aufforstung um 10 % inkl. ökologischer Waldumbau - 3,6-1,0-3,0-5,0 Aufforstung auf 100 % (ausgehend von 25 % Waldfläche) - 17,0-12,2-19,8-13,5 Aufforstung auf 100 % inkl. ökologischer Waldumbau - 32,4-16,2-34,1-30,5 Dezentrale Kleinrückhalte (17 St.) Vol ges. = m³, sv = 3,6 mm - 13,8-9,5-15,0-22,2 Renaturierung Windachzuflüsse nur Laufverlängerung - 5,9-0,9-3,5-2,4 Laufverlängerung + Auwald - 6,4-5,0-11,1-11,0 Maßnahmenkonzept - 17,6-10,7-19,2-26,0 Der gewählte Modellansatz dieser Untersuchung wird für die prozessorientierte Modellierung dezentraler Hochwasserschutzmaßnahmen grundsätzlich als geeignet eingestuft, da vor allem Abflussbildung und Wellenablauf im Gerinne den realen Bedingungen sehr nahe kommen. Hinsichtlich der Modellierung der ober- und unterirdischen Abflusskonzen-tration ergibt sich aus den Simulationsergebnissen weiterer Forschungsbedarf, da für eine prozessnähere Modellierung landnutzungsabhängige Oberflächenrauheiten sowie eine bodenart- und bodentiefenspezifische Unterscheidung der Fließgeschwindigkeit des Zwischenabflusses notwendig sind. Eine Übertragbarkeit der Ergebnisse dieser Untersuchung ist vor allem für die dezentralen Kleinrückhalte und Renaturierungsmaßnahmen gewährleistet, da hier geometrische und topographische Aspekte wie Volumenverhältnisse, Fließweg oder das Gefälle

175 169 im Einzugsgebiet eine Rolle spielen. Die weniger wirksamen infiltrationsfördernden Maßnahmen sind abhängig von Landnutzung und Untergrund und sollten daher einzugsgebietsspezifisch betrachtet werden. Es konnte gezeigt werden, dass die Möglichkeiten und Grenzen des dezentralen Hochwasserschutzes je nach Maßnahme von unterschiedlichen Parametern abhängen. Als Haupteinflussfaktor auf die Wirksamkeit der dezentralen Hochwasserschutzmaßnahmen ist das Abflussvolumen zu nennen. Bei realistischer Anzahl und Ausdehnung der Maßnahmen im Einzugsgebiet kann vor allem dann ein hohes Retentionspotential erreicht werden, wenn die Maßnahmen in einem integrierten Konzept umgesetzt werden, wobei hierbei die dezentralen Kleinrückhalte am wirksamsten sind. Je nach Anzahl und Anordnung können die dezentralen Hochwasserschutzmaßnahmen somit auch bei selteneren Ereignissen wie dem Pfingsthochwasser 1999 zu merklichen Scheitelabminderungen von über 10 % führen, wobei in diesem Falle die Maßnahmen, die die Abflussbildung beeinflussen, kaum eine Rolle spielen. Für das Junihochwasser 2013 lässt sich daher folgendes ableiten: Wenn man nun die Summeneffekte aus den zahlreichen mesoskaligen Einzugsgebieten betrachtet, die zu diesem Ereignis führten, so kann den dezentralen Hochwasserschutzmaßnahmen, die primär Abflusskonzentration und Wellenablauf im Gerinne beeinflussen, ein gewisses Potential bei solchen Ereignissen zugesprochen werden. Voraussetzung ist die Anzahl und strategisch richtige Anordnung der Maßnahmen unter Berücksichtigung der die Wirksamkeit beeinflussenden Parameter. Für einen effektiven Einsatz der finanziellen Mittel, die für den Wasserrückhalt in der Fläche eingesetzt werden können, wären daher flächendeckende Einzugsgebietsanalysen zur Identifizierung potentieller Standorte, an denen diese dezentralen Hochwasserschutzmaßnahmen besonders wirksam sind, empfehlenswert. Literaturverzeichnis Bauer, C. (2004): Bestimmung der Retentionspotentiale naturnaher Maßnahmen in Gewässer und Aue mit hydraulischen Methoden. Endbericht, Kasseler Wasserbau- Mitteilungen, Heft 16 Bölscher, J. & A. Schulte. (2008): Dezentraler Hochwasserschutz im Einzugsgebiet der Natzschung (Mittleres Erzgebirge). Mitteilungen des Instituts für Wasserwesen Heft 100/2008, Universität der Bundeswehr München Bröker, S.(2013): Juni-Hochwasser 2013: Vorbedingungen, Hydrologie, Ausmaß, Schäden. Korrespondenz Wasserwirtschaft, DWA, Hennef, 6. Jg., Heft 8 Bronstert, A., Blume, T., Francke, T. & D. Niehoff (2008): Möglichkeiten des Hochwasserrückhalts im Einzugsgebiet: Ergebnisse aus dem Rhein- und Illergebiet. In: Mitteilungen des Instituts für Wasserwesen Heft 100/2008, Universität der Bundeswehr München Eichenseer, E. (2013): Juni-Hochwasser 2013 in Bayern. Korrespondenz Wasserwirtschaft, DWA, Hennef, 6. Jg., Heft 11

176 170 Kreiter, T. (2007): Dezentrale und naturnahe Retentionsmaßnahmen als Beitrag zum Hochwasserschutz in mesoskaligen Einzugsgebieten der Mittelgebirge. Dissertation, Universität Trier, Fachbereich für Geographie und Geowissenschaften LfU (2014): Junihochwasser 2013 Wasserwirtschaftlicher Bericht. Herausgeber: Bayerisches Landesamt für Umwelt, Augsburg Marenbach, B. (2002): Der Beitrag naturnaher Retentionsmaßnahmen in den Talauen zur Hochwasserdämpfung. Dissertation, Mitteilung des Fachgebiets Wasserbau und Wasserwirtschaft der Universität Kaiserslautern Müller, C. & T. Sauer (2007): An integrative agricultural management approach to Improving flood protection in agricultural areas. In: Beiträge zur Scientific Conference on 'Integrated Catchment Management for Hazard Mitigation', September 2007, Trier Nash, J.E. & J.V. Sutcliffe (1970): River flow forecasting through conceptual models, Part I - A discussion of principles, J. Hydrol., 10: Niehoff, D. (2001): Modellierung des Einflusses der Landnutzung auf die Hochwasserentstehung in der Mesoskala. Dissertation an der Math. Nat. Fakultät der Universität Potsdam Reinhardt, C. (2010): Dezentraler Hochwasserrückhalt im Einzugsgebiet der Oberen Flöha (Mittleres Erzgebirge). Dissertation an der freien Universität Berlin, D 188, Berichte aus der Geowissenschaft, Shaker Verlag, Aachen Rieger, W. (2012): Prozessorientierte Modellierung dezentraler Hochwasserschutzmaßnahmen. Mitteilung des Instituts für Wasserwesen, Univerität der Bundeswehr, Heft 116 Wahren, A., Schwärzel, K. & K.-H. Feger (2007): The impact of well-founded land-use scenarios on floods. In: Beiträge zur Scientific Conference on 'Integrated Catchment Management for Hazard Mitigation', September 2007, Trier Wegner, H. (1992): Dezentraler Hochwasserschutz. Wasser & Boden 1/1992, S.6-10 Wilcke, D., In: F. Sieker (2002): Innovativer Ansatz eines vorbeugenden Hochwasserschutzes durch dezentrale Maßnahmen im Bereich der Siedlungswasserwirtschaft sowie der Landwirtschaft im Einzugsgebiet der Lausitzer Neiße. Endbericht. DBU Projekt 15877, Hannover Anschrift des Verfassers Dr.-Ing. Wolfgang Rieger Lehrstuhl für Hydrologie und Flussgebietsmanagement Technische Universität München Arcisstr München wolfgang.rieger@tum.de

177 Lehren aus dem Juni-Hochwasser 2013 Hochwasserschutz im Konsens mit dem Bürger? Theodor Strobl Kurzfassung Können große raumbedeutende Infrastrukturmaßnahmen nur noch im sog. Konsens mit dem Bürger wie von Landespolitikern geäußert - durchgeführt werden? Welche Konsequenzen hätte diese Festlegung in der Vergangenheit auf die Zukunftsvorsorge im Freistaat Bayern bedeutet und was haben wir auf dieser Basis in der Zukunft zu erwarten? An einigen Beispielen von großen Hochwasserschutzprojekten soll dieser Frage nachgegangen werden. Auch wird die Frage diskutiert, ob es im Handeln der Verwaltung entsprechend den Rechtsverfahren nicht darum geht, die Interessen von Gruppierungen mit denen des Allgemeinwohles abzuwägen; Entscheidungen sollen am Ende dieser Verfahren von den dafür zuständigen Behörden allein getroffen werden. 1 Politische Vorgaben für wasserbauliche Planungen Nach in den letzten Monaten veröffentlichten Äußerungen des Bayer. Ministerpräsidenten und des Umweltministers sollen Maßnahmen zur Hochwasservorsorge (und auch andere Planungen für die Infrastruktur) nur im Konsens mit dem Bürgern umgesetzt werden. Diese Vorgabe wurde zwar in der Vergangenheit nicht so klar formuliert, sie ist aber seit Jahren Praxis des politischen Handelns, dem sich die Verwaltung selbstverständlich unterordnen muss. Einige Beispiele sollen dies verdeutlichen. In den 80-er Jahren des letzten Jahrhunderts wurde in der Obersten Baubehörde die Notwendigkeit der Erhöhung des Sylvensteinspeichers zur Verbesserung des Hochwasserschutzes vor allem der Stadt München erkannt. Bei Informationsveranstaltungen über diese Maßnahme im Isartal wurde der Verfasser dieses Beitrages als Technofaschist beschimpft. Die Planungen der Verwaltung sahen als Ergebnis der Hochwasseranalyse der Isar 1988 vor, den Damm des Sylvensteinspeichers um 6 m zu erhöhen. Diese Beschränkung auf 6 m ergab sich zwangsläufig aus der Höhenlage der neuen Ortschaft Fall, die bei einer Erhöhung keinesfalls noch einmal wie beim Bau in den 50-er Jahren des letzten Jahrhunderts umgesiedelt werden durfte. Damals gab es gegen den Bau des Sylvensteinspeichers massive Proteste der Isartalbewohner. Diese aus verschiedenen Gesichtspunkten optimierte Erhöhung scheiterte im Vorfeld des Raumordnungsverfahrens an den Einsprüchen der Landes- und Kommunalpolitiker im Isartal. Man einigte sich im Vorfeld auf eine Erhöhung um nur 3 m. Das ROV wurde 1994 abgeschlossen. Interessant ist in diesem Zusammenhang ein Artikel in der SZ

178 172 Wolfratshausen vom 6. August 2007 in dem Herr Stoiber sich als damaliger Innenminister darüber beklagt, dass man nicht auf ihn gehört habe, denn er wollte schon damals vor 20 Jahren in Erkennung der Notwendigkeit des verbesserten Hochwasserschutzes die Erhöhung von 6 m! Die Erinnerung trügt hier den ehemaligen Landesvater: die von der Verwaltung vorgeschlagene Erhöhung von 6 m wurde vor 20 Jahren von den Landes- und Kommunalvertretern nicht mitgetragen. Im Konsens konnte nur eine Erhöhung von 3 m verwirklicht werden; heute fehlen die dadurch verlorenen vielen Millionen Kubikmeter beim HW-Schutz im Unterlauf der Isar und der Donau. Dies ist ein Beispiel dafür, dass Lösungen mit dem Bürger sollte es zu einer Einigung kommen oftmals nur auf der Basis des kleinsten gemeinsamen Nenners gefunden werden können. Das Gemeinwohl muss dabei, wie das Beispiel zeigt, vor Partikularinteressen zurückstehen. Bei der Planung des Drachensees, der vornehmlich dem Hochwasserschutz der Stadt Furth im Wald dient, wurde ganz anders verfahren. Nach Darstellung der Notwendigkeit der Schutzmaßnahme bei der politischen Spitze im Ministerium, der Regierung der Oberpfalz und den zuständigen Landtags- und Kommunalpolitikern wurde für das Projekt gegen den sich abzeichnenden Widerstand in der Öffentlichkeit grünes Licht gegeben. Man nahm dabei ganz bewusst die Möglichkeit der Enteignung von Grundstücken in Kauf. Bei mehreren Hochwasserereignissen konnte der Speicher seine Schutzfunktion unter Beweis stellen. Dagegen ist der Donauausbau mit dem damit verbundenen verbesserten Hochwasserschutz ein besonders negatives Beispiel der politischen Einflussnahme im Hinblick auf den neuen politischen Grundsatz, dass gegen den Bürger keine wasserbaulichen Baumaßnahmen verwirklicht werden dürfen. Nach einer Jahrzehnte langen technischen, ökologischen und ökonomischen Auseinandersetzung über den zweckmäßigsten Ausbau der Donau zwischen Straubing und Vilshofen der letzten frei fließenden Flussstrecke der Donau entschied man sich für die Durchführung eines Raumordnungsverfahren, in dem die Varianten des Ausbaues mit und ohne Staustufe(n) bewertet werden sollten. Dies ist in unserem Rechtsstaat der rechtlich vorgesehene Weg für raumübergreifende Maßnahmen. In diesem Raumordnungsverfahren kam die Regierung von Niederbayern im März 2006 zu dem Ergebnis, dass nur ein Ausbau mit flussregelnden Maßnahmen und einer Staustufe bei Aicha, unter Berücksichtigung von Maßgaben landesplanerisch positiv beurteilt werden kann. Die Lösung mit flussregelnden Maßnahmen allein wurde landesplanerisch negativ beurteilt. Es dauerte weitere sieben Jahre, bis im Jahre 2013 der Bayer. Ministerpräsident bei einer zweistündigen Fahrt auf der Donau nach Anhörung der Ausbaugegner kurz vor der Landtagswahl gegen das Ergebnis des Raumordnungsverfahrens die Entscheidung für die Variante A ohne Staustufe fällte. Hier wurde wieder das Prinzip verfolgt, gegen den

179 173 Bürger keine Baumaßnahmen durchzuführen. An dieser Stelle soll noch angemerkt werden, dass bei einer zügigen Umsetzung des Ergebnisses des ROV von 2006 die katastrophalen Überschwemmungen im Raum Deggendorf wenn nicht verhindert so doch sicher deutlich reduziert worden wären. 2 Politische Vorgaben im Spannungsfeld von Raumordnungs- und Planfeststellungsverfahren An dieser Stelle sollen einige Gedanken für das Verwaltungshandeln in einem Rechtsstaat eingefügt werden. Raumübergreifende Baumaßnahmen haben in der Vergangenheit (Beispiel Walchenseekraftwerk 1907) bis heute immer vor allem den Protest der unmittelbar Betroffenen Bürger hervorgerufen. Hätte damals schon der Grundsatz gegolten, dass gegen den Bürger kein Verwaltungshandeln erfolgen darf, dann wären viele wasserbaulichen Infrastrukturmaßnahmen, die heute als positiv gesehen werden, nicht verwirklicht worden. Wenn sich unmittelbar betroffene Bürger kritisch äußern ist dies verständlich. Im Verwaltungsverfahrensgesetz sind die Möglichkeiten festgeschrieben, wie sich ein betroffener Bürger zur Wehr setzen kann. Im Planfeststellungsverfahren wird dann zwischen dem Wohl des Einzelnen und dem Wohl der Allgemeinheit abgewogen und eine Entscheidung gefällt. Diese Rechtsverfahren werden durch parteipolitisch bedingte vorschnelle Festlegungen mehr als konterkariert. Natürlich hat die Politik die Pflicht und das Recht, Vorgaben für Infrastrukturmaßnahmen zu treffen. Aber Landes- und Kommunalpolitiker sollen nicht in laufende Verfahren eingreifen, um den vermeintlichen Bürgerwillen einzelner Interessensgruppen durchzusetzen. Es ist nur zu verständlich, dass Politiker wieder gewählt werden wollen, aber dies darf nicht auf Kosten des Gemeinwohles gehen. Dieses Spannungsfeld wird aber in einer Demokratie immer vorhanden sein. 3 Hochwasserschutz an der Donau In diesem Zusammenhang sind auch die Planungen des Wasserwirtschaftsamtes Regensburg für die Ausweisung von Flutpoldern an der Donau östlich von Regensburg zu sehen. Im Auftrag des Wasserwirtschaftsamtes Regensburg wurde 2006 von der TU München die Wirkung der östlich von Regensburg geplanten Flutpolder untersucht und das Ergebnis 2007 in der Öffentlichkeit vorgestellt. Die Planungen obwohl sie nur den Auftrag des Landtags zur Hochwasservorsorge erfüllten wurden nicht nur von den betroffenen Gemeinden sondern auch von Landtagsabgeordneten und dem damaligen Bayer. Ministerpräsidenten gerügt. Die Verwaltung versuchte noch, die Planungen mit dem Begriff Notüberlaufräume wenigstens als Vorbehaltsflächen in die Landes-

180 174 planung aufzunehmen doch heute sind diese Planungen aufgrund politischer Vorgaben eingestellt. Abb. 1 Aus Gutachten TU München Lehrstuhl für Wasserbau und Wasserwirtschaft (2007) Wie die Berechnungen von damals zeigen, hätte durch die gezielte Flutung dieser Polder der Wasserstand der Donau bei Deggendorf um 50 cm abgesenkt werden können (Abb. 1). Aller Wahrscheinlichkeit nach wäre dann Fischerdorf von der verheerenden Überschwemmung verschont geblieben. Durch den Deichbruch nach Überschreiten des Bemessungswasserstandes (HQ30) und der damit verbundenen Flutung von Fischerdorf konnte ironischer Weise am flussabwärts gelegenen Pegel Hofkirchen die Wirkung von Notüberlaufräumen im Naturversuch nachgewiesen werden. Kurz nach dem Deichbruch sank dort der Wasserstand der Donau um mehrere Dezimeter. Auch an diesem Beispiel werden die Konsequenz und das Ergebnis des Prinzips deutlich, gegen den Bürger keine unliebsamen Entscheidungen zu treffen. Mit dem Hören auf die unmittelbar von der Baumaßnahme betroffenen Bürger verlor man das Wohl der Allgemeinheit hier das der Unterlieger an der Donau bis Passau aus den Augen. Demokratisches Handeln wurde mit Handeln nach dem kleinsten gemeinsamen Nenner verwechselt.

181 175 Wie man den Bürger sinnvoll in Planungen einbindet und damit auch die Beweggründe des Verwaltungshandelns verdeutlichen kann, zeigt das positive Beispiel beim Hochwasserschutz in Regensburg. In der städtebaulichen Situation dieser historisch geprägten Stadt sind größere Eingriffe, wie sie ein Hochwasserschutz erforderlich macht, äußerst prekär. Nach mehreren vergeblichen Anläufen, bei denen die Bürgerinitiative gegen den geplanten Hochwasserschutz mit dem Slogan lieber einmal in hundert Jahren mit dem Hochwasser als hundert Jahre mit der Mauer leben polemisierte, hatte man sich entschlossen, neue Wege der Planung zu gehen. Im Rahmen der sogenannten Offenen Planung wurde ein runder Tisch eingerichtet, an dem von den Interessengruppen benannt Teilnehmer mit den Experten diskutierten. Nach einigen Diskussionsrunden bestand Einigkeit über die Notwendigkeit von Baumaßnahmen zum Hochwasserschutz wurde von der Wasserwirtschaftsverwaltung und der Stadt Regensburg ein Preisrichtergremium berufen, das die internationale Ausschreibung eines Ideenwettbewerbes für den Hochwasserschutz vorbereiten und das Ergebnis bewerten sollte. In diesem Preisrichtergremium waren die Kommunalpolitik, die Verwaltung auf kommunaler, regierungs- und ministerieller Ebene, das Wasserwirtschaftsamt, der Naturschutz, der Denkmalschutz, die Bürgerinitiativen und die Wissenschaft vertreten. Während des Wettbewerbs wurde allen Beteiligten klar, dass nur durch die Kombination von Schutzmauer, mobilen Schutzwänden und städtebaulichen Maßnahmen wie Geländemodellierungen ein wirksamer Schutz gegen ein einhundert jähriges Ereignis erzielt werden kann. Dieses Hochwasserereignis war die eindeutige Vorgabe für den Wettbewerb. Voraussetzung für die Teilnahme waren Ingenieur- und Architektengemeinschaften, die auf dem Gebiet des Wasserbaues und des Städtebaues entsprechende Qualifizierungen vorweisen konnten (Strobl, Zunic 2008). Abb. 2 Beispiel für Städtebauliche Gestaltung des Hochwasserschutzes durch Geländeanhebung und Mauer (Strobl, Zunic 2008)

182 176 Nach Rückfrage beim Umweltministerium wird die derzeitige Situation zum Hochwasserschutz in Regensburg wie folgt bewertete: Die intensive Bürgerbeteiligung beim HWS Regensburg war bisher sehr erfolgreich. Seit 2007 werden einzelne Bauabschnitte umgesetzt, die in der Planungsphase den Bürgern vorgestellt und erklärt werden. Bisher gab es keine nennenswerten Widerstände, die Rechtsverfahren sind auch gut gelaufen. Das Gesamtprojekt HWS Regensburg ist auf gutem Weg. Die Erfolgsgesichte ist auch ein Ergebnis des großen Wettbewerbs Zur zügigen Umsetzung des Hochwasserschutzes zwischen Straubing und Vilshofen empfiehlt es sich vor allem in den kritischen Bereichen, diese positiven Erfahrungen der offenen Planung, verbunden mit einem internationalen Ideenwettbewerb, zu nutzen. 4 Entscheidungsgrundlagen für politisches Handeln Alle großen Infrastrukturprojekte müssen zwangsläufig von den demokratisch legitimierten politischen Gremien initiiert, akzeptiert und auch in der Öffentlichkeit vertreten werden. Dabei werden sich die handelnden Politiker auf eine sachkundige Verwaltung und die Wissenschaft verlassen müssen. Bei diesen beiden Gruppen kann man davon ausgehen, dass sie nicht von Partikularinteressen geleitet sind und das Wohl der Allgemeinheit im Blickfeld haben. Allerdings entwickelt sich das Wissen für einen optimalen Hochwasserschutz unter Beachtung neuester Erkenntnisse aus dem Flussbau, der Ökologie und der Ökonomie weiter. Bisher war man allgemein der Meinung, dass durch den Verlust von Überschwemmungsflächen, der durch Hochwasserschutzmaßnahmen im letzten Jahrhundert bedingt ist, sich die Hochwasserwellen deutlich erhöhen. Diese Theorie wurde vor allem durch verschiedene Interessengruppen vertreten, die die Rückverlegung von Hochwasserschutzdeichen und eine Bewirtschaftung der Flusssperren durch Vorabsenkung als Maßnahmen für einen wirksamen Hochwasserschutz fordern. Skublics und Rutschmann (2014) haben nachgewiesen, dass auch im historischen Zustand der Überschwemmungsflächen zwischen Ulm und Straubing sich bei den Hochwasserereignissen in den Jahren 1999 und 2005 vergleichbaren Abflüssen der Spitzenabfluss in etwa gleich geblieben wäre. Lediglich die Laufzeiten sind heute etwas kürzer (Abb. 3). Der normierte Abfluss bezieht sich dabei auf das HQ100.

183 177 Abb. 3 Simulierte Ganglinien für den historischen- und Istzustand für die Hochwasserereignisse Mai 1999 und August 2005 an dem Pegel Straubing; nach Skublics, Rutschmann (2014) Dies ist auch anschaulich zu erklären. In der Vergangenheit haben sich die Flusstäler bei einem Hochwasser kontinuierlich gefüllt; bei dem Maximalabfluss waren dann alle Retentionsräume schon vorbelastet und fast gefüllt. Bedingt durch die Hochwassserschutzmaßnahmen an der Oberen Donau unterhalb Ulm können heute die Überschwemmungsflächen des Riedstromes erst ab einem bestimmten Hochwasserereignis geflutet werden. Dieser große Retentionsraum bleibt heute bei kleineren Hochwasserwellen leer und wurde früher schon beim Anlaufen der Hochwasserwelle aufgefüllt. Damit erreicht man bereichsweise eine Dämpfung der Hochwasserwelle der Donau bei einem HQ100 von über 30 %! An den Beispielen der Deichbrüche 1999 bei Neustadt und 2013 bei Deggendorf konnte die Wirkung eines kurz vor Erreichen des Spitzenabfluss befüllten Rückhalteraum deutlich vor Augen geführt werden. Beim Pegel Kehlheim (1999) (Abb. 4) und Hofkirchen (2013) war eine Absenkung des Wasserspiegels beim Spitzenabfluss von mehreren Dezimetern erkennbar.

184 178 ohne Deichbruch V = 22,7 Mio. m³ Q 165 m³/s h 24 cm Abfluss [m³/s] Pegel Ingolstadt Pegel Kelheim Zeit [h] Abb. 4 Vergleich der Abflüsse am Pegel Ingolstadt und unterstrom Kehlheim beim Hochwasser im Juni 1999 Ganz generell kann festgestellt werden, dass die Rückhaltewirkung und Dämpfung der Hochwasserwelle eines gesteuerten Polders der eines ungesteuerten Polders - wie ein rückverlegter Deich - um ein vielfaches überlegen ist. Hinsichtlich der Wirkung von kleinen Rückhalteräumen auf die Dämpfung von Hochwasserwellen kommt Fischer (2008) in seiner Dissertation zu einem ähnlichen Ergebnis: Kleine Rückhalteräume verlieren bei größeren Hochwasserereignissen schnell ihre dämpfende Wirkung auf den Abfluss, da sie schon weitgehend gefüllt sind. 5 Zusammenfassung und Ausblick Umfangreiche Investitionen wurden in den letzten 100 Jahren entlang der Flüsse für Infrastruktur und Bebauung getätigt. Man kann sie heute nicht mehr beseitigen. Allerdings kann man entlang der Flüsse Bereiche festlegen, die abgestuft nach dem Grad der Nutzung mit steigendem Hochwasserereignis gefüllt werden. Natürlich müssen die Schäden, die dadurch beispielsweise der Landwirtschaft entstehen, angemessen entschädigt werden. Es ist jedoch im Sinne des Gemeinwohles, wenn durch die Flutung von Flächen mit geringwertigerer Nutzung dazu herangezogen werden, um Schäden ungeahnten Ausmaßes, wie beim letzten Hochwasser 2013 zu verhindern. Dazu ist mutiges Entscheidungsverhalten in der Politik auf allen Verwaltungsebenen notwendig.

185 179 Die Wissenschaft und Technik haben das notwendige Werkzeug für die Beurteilung bereitgestellt. Zusätzlich sollten bei größeren und schwierigen Hochwasserschutzmaßnahmen, wie z. Bsp. zwischen Straubing und Vilshofen, die positiven Erfahrungen mit der offenen Planung und eines internationalen Ideenwettbewerbes genutzt werden. Literatur Scublics, D., Rutschmann, P., (2014) Hochwasserrückhalt durch natürliche Hochwasserretention entlang der bayerischen Donau. Wasserwirtschaft 4, Seiten Fischer, M., (2008) Ungesteuerte und gesteuerte Retention entlang von Fließgewässern Bericht Nr. 119/2008 des Lehrstuhls und der Versuchsanstalt für Wassserbau und Wasserwirtschaft der TU München Strobl, Th., Zunic, F., (2008) Flood Protection for the City of Regensburg A Challenge for Hydraulic Engineers and Architects Earth, Wind, Water, Fire Environmental Challenges to Urban World Heritage. Proc. of the Northwest-European Regional Conference of the Organization of World Heritage Cities (OWHC), Regensburg, Germany Ed.: City of Regensburg, Planning and Building Division. Regensburg: Selbstverlag, 2009, pp Anschrift des Verfassers Prof. (em.) Dr.-Ing. Theodor Strobl Lehrstuhl für Wasserbau und Wasserwirtschaft Technische Universität München Arcisstr München theodor.strobl@tum.de

186 180

187 Neuer Beitrag zur Dimensionierung von Schöpfwerken an Flusspoldern Markus Disse, Patrick Keilholz und Winfried Willems Kurzfassung Schöpfwerke sind Einrichtungen, um Gebiete zu entwässern und damit überschwemmungsfrei zu halten. Die betroffenen Regionen, sogenannte Polder, liegen zumeist tiefer als der Vorfluter, so dass das Wasser künstlich mit Hilfe von Pumpen in diese gehoben werden müssen. Aus betriebswirtschaftlichen Gründen sollte das zu pumpende Volumen so gering wie möglich gehalten und die Leistung der Pumpen nicht überdimensioniert werden. Insbesondere die Bemessung der Pumpen ist eine schwierige Aufgabe, da sich die Zuflüsse zum Schöpfwerk aus unterschiedlichen Anteilen zusammensetzen. Neben den Zuflüssen, die aus dem Hinterland in das Poldergebiet strömen, gibt es infolge von Niederschlägen Abflussprozesse im Polder selbst und zusätzlich über das Grundwasser einsickerndes Drängewasser, welches erheblichen Einfluss haben kann. Außerdem muss die Wahrscheinlichkeit ermittelt werden, dass ein Hochwasser im Vorfluter zeitgleich mit einem Hochwasser im Hinterland des Polders auftreten kann. Entlang der Donau wurden fünf Poldergebiete mit unterschiedlichen Randbedingungen bestimmt, an denen detaillierte hydrologische und hydraulische Untersuchungen mit dem Ziel einer wirtschaftlichen Bemessung durchgeführt. Für jeden Polder mit zugehörigem Schöpfwerk wurde ein Bemessungsnomogramm angefertigt, anhand dessen der Scheitelabfluss am Schöpfwerk bestimmt werden kann. Eine Verallgemeinerung aller Bemessungs-Nomogramme zu einem bayernweiten Gesamt-Nomogramm ist auf Grund der wenigen Gebiete nicht möglich, wenngleich die hier betrachteten Gebiete über ein zusammenfassendes Nomogramm gut abgebildet werden können. Zusätzlich wurde eine universell anwendbare Methodik zur Bemessung von Schöpfwerkszuflüssen entwickelt. 1 Untersuchungsgebiete Für die durchgeführte Untersuchung werden die hydrologischen und hydraulischen Prozesse in den fünf Polderregionen Ainbrach, Irlbach, Natternberg, Auterwörth und Winzer / Säckerbach entlang der Donau (Flusskilometer: ) untersucht, die über unterschiedliche Charakteristiken verfügen (Abbildung 1).

188 182 Abb. 1 Lage der Poldergebiete und deren Eigenschaften Für die Berechnung der Schöpfwerkszuflüsse ist es notwendig, mehrere Modelle zu verwenden. So werden beispielsweise die Zuflüsse, die aus dem Hinterland dem Poldergebiet zufließen, mit dem Flussgebietsmodell IWK-Paket bestimmt. Da allerdings in den Poldergebieten durch die ausufernden Drainagegräben und die starke Vernetzung der Fließgewässer hydrodynamische Prozesse dominieren, ist dort eine zweidimensionale hydraulische Modellierung erforderlich. Die Simulation erfolgt mit dem Programm MIKE Flood (DHI-Wasy), das über eine effiziente 1D/2D-Kopplung verfügt und zusätzlich ein N-A-Modell beinhaltet, mit dem die Abflussbildung in den Poldern berechnet werden kann. Die Bestimmung der Drängewassermengen, insbesondere der Qualmwassermengen, erfolgt mit dem Modell FEFLOW (DHI-Wasy), wodurch die Topografie im Polder mit berücksichtigt werden kann. Eine Plausibilisierung der Modelle erfolgt anhand des im Hinterland des Irlbachpolder befindlichen Pegels (Haberkofen/ Ödbach) und der Schöpfwerksaufzeichnungen. Die Modelle werden für unterschiedliche Berechnungsszenarien genutzt, aus denen die Bemessungsregeln für die Schöpfwerke abgeleitet werden.

189 2 Gleichzeitiges Auftreten von behinderter Vorfluter und Hochwasser im Polderhinterland 183 Lastfälle an Schöpfwerken treten dann ein, wenn Hinterlandhochwasser wegen behinderter Vorflut oder unzureichender Leistungsfähigkeit des Siels nicht abgeführt werden können. Nachfolgend wird die Frage behinderter Vorflut betrachtet. Ziel ist es dabei, einen für das Hinterland maßgeblichen Bemessungsniederschlag beliebiger Jährlichkeit abzuleiten, dessen statistische Ermittlung allein auf Niederschlagsereignissen in Phasen behinderter Vorflut basiert. Der so ermittelte Bemessungsniederschlag wird für die Niederschlag-Abfluss-Modellierung zugrunde gelegt. Es wird vorausgesetzt, dass die hydraulische Leistungsfähigkeit des Siels zur Abführung hundertjährlicher Abflüsse bei freier Vorflut gegeben ist (vgl. auch Bank et al. (2007)). Zur Ermittlung von Phasen behinderter Vorflut wird wie folgt vorgegangen: Zugrunde gelegt werden zunächst die Wasserstandsganglinien am Donaupegel Pfelling. Der Bemessungswasserstand am Schöpfwerk Irlbach (zulässiger Binnenwasserpegel 311,80 mnn) wird auf die Lage des Pegels hin ausgespiegelt. Anhand dieses pegelbezogenen Grenzwertes (ca. 435 m³/s) werden diejenigen Zeitphasen ausgewählt, in denen der Wasserstand überschritten wird. Wie Abbildung 2 bezogen auf das Kalenderjahr 2008 entnommen werden kann, korrespondieren die so gewählten Phasen sehr gut mit den aus den Schöpfwerksaufzeichnungen digitalisierten Pumpphasen in diesem Jahr. Abb. 2 Abflussganglinie am Pegel Pfelling sowie Zeiträume des Pumpenbetriebs am Schöpfwerk Irlbach im Kalenderjahr 2008

190 184 Bezogen auf die so ermittelten Zeiträume werden die an den zur Verfügung stehenden Niederschlagsstationen registrieren Niederschlagssummen extrahiert. Da Niederschlagssummen hoher Jährlichkeit ermittelt werden müssen und nur die Reihe Regensburg über einen längeren Messzeitraum (seit Mai 1953, Datenlücke im Zeitraum Januar 1981 bis März 1994) verfügt, ist diese Datensituation in geeigneter Weise beim anzuwendenden Verfahren zu berücksichtigen. Es wird wie folgt vorgegangen: Zunächst werden bezogen auf die vorliegenden Niederschlagsinformationen für alle verfügbaren Niederschlagsstationen Jahresserien von Niederschlagshöchstwerten für verschiedene Dauerstufen in Zeiten der Vorflutbehinderung gebildet. Um zu Bemessungsniederschlägen beliebiger Dauerstufe und Jährlichkeit zu gelangen, wird die KOSTRA-Methode (Bartels et al., 2006) wie folgt modifiziert: Anstelle der zweiparametrigen Gumbel- wird die dreiparametrige Generalisierte Extremwert-Verteilung verwendet. Es erfolgt ein Übergang von einer lokalen (nur auf einer Stationsreihe basierenden) zu einer regionalen (auf mehreren Stationen) basierenden Parameterschätzung, indem Seriendaten mehrer Stationen zusammengeführt werden (vgl. dazu Hosking / Wallis 1997) Die zweistufige Vorgehensweise wird in eine einstufige überfuhrt, in dem die Anpassung an mehrerer Dauerstufen gleichzeitig erfolgt und dabei die Lokations- und Skalenparameter als Funktion von der Dauerstufe ermittelt werden. Die so ermittelten Bemessungsniederschläge sind geringer als die von KOSTRA vorgegebenen Werte (Tabelle 1). Tabelle 1 Quotienten Wert KOSTRA / Wert behinderte Vorflut Dauerstufe [h] T=1 T=2 T=5 T=10 T=20 T=50 T= Die Frage der Gleichzeitigkeit des Auftretens von Hochwasserereignissen an Donau nd den Poldereinzugsgebieten wird auf der Grundlage einer zweidimensionalen bivariaten Extremwertanalyse (Tawn, 1988, Salvadori / Michele 2004) umgesetzt. Bezogen auf den Zeitraum gemeinsamer Datenverfügbarkeit wird eine partielle Hochwasserserie gebildet, deren Schwellenwert so gewählt wird, dass die 27 höchsten Hochwasserereignisse an der Donau selektiert werden. Für diese 27 partiellen Höchstwerte werden

191 185 korrespondierende Höchstwerte in der Abflussreihe des Pegels Haberkofen innerhalb eines Datenfensters von 24 Stunden extrahiert und einer bivariaten Extremwertanalyse zugeführt (Abbildung 3). Abb. 3 Quantile aus bivariater Extremwertanalyse von Hochwasserabflüssen der Pegel Pfelling und Haberkofen Das Ergebnis der Analyse zeigt, dass näherungsweise davon ausgegangen werden kann, dass die Zufallsvariablen näherungsweise unabhängig voneinander sind, so dass einfache Wahrscheinlichkeitsgesetze (multiplikative Verknüfung) zugrunde gelegt werden können. Für die Gleichzeitigkeit von Drängewasser und Hinterlandabfluss resultieren damit folgende Kombinationen von Jährlichkeiten, um hundertjährliche Situationen am Schöpfwerk zu erzeugen: Tabelle 2 Kombination von Hinterland-Jährlichkeit und Drängewasserjährlichkeit zur Erzeugung hundertjährlicher Ereignisse am Schöpfwerk Jährlichkeit Jährlichkeit Hinterland T=5 T=20 T=100 Jährlichkeit Drängewasser T=20 T=5 T=1 Resultierende Jährlichkeit am Schöpfwerk T=100 T=100 T=100