Geografische Informationssysteme zur Vorsorge und Bewältigung von Starkregen im urbanen Raum

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1 Geografische Informationssysteme zur Vorsorge und Bewältigung von Starkregen im urbanen Raum April 2014 Kocherstraße Wuppertal Tel.:

2 Inhaltsverzeichnis 1. Risikokarte Starkregen 3 2. Wer profitiert von den Daten? 6 3. Ausblick 6 4. Quellenverzeichnis 7

3 1. Risikokarte Starkregen Statistische Auswertungen von Naturkatastrophen zeigen, dass deren Häufigkeit in den letzten 30 Jahren deutlich zugenommen hat [1]. Die Bewältigung des Orkans Xaver und der damit verbundenen Sturmflut hat jedoch gezeigt, dass die heutige Computertechnik eine zuverlässige Vorhersage der Sturm- und Hochwassereinflüsse zulässt und die Erarbeitung gezielter Bewältigungsstrategien ermöglicht [2]. Insbesondere Geografische Informationssysteme (GIS) bieten die Möglichkeit räumliche Daten übersichtlich zu visualisieren und sinnvoll zu neuen Informationen zu kombinieren. So können Risikobereiche vor einer Katastrophe errechnet und visualisiert werden. Im Folgenden wird am Beispiel von Starkregeneinflüssen aufgeführt, wie Gefahren und Risiken identifiziert werden können und wie diese innerhalb von GIS-Plattformen bei der Vorsorge und Bewältigung von Starkregenereignissen genutzt werden können. Auf Grund des Klimawandels ist ein Zuwachs von Starkregenereignissen sehr wahrscheinlich. Dies kann besonders in urban geprägten Gebieten zu erheblichen Schäden führen. Daher entwickeln wir stadtgebietsweite Risikokarten für die Einwirkung von Starkregen auf urbane Strukturen. Die Hauptdatengrundlage bildet ein hochaufgelöstes digitales Oberflächenmodell (Rasterweite bis zu 25 cm), mit dessen Hilfe Fließwege, Geländesenken und deren hydrologische Einzugsgebiete ermittelt werden können (Abbildung 1). Abbildung 1: Hochaufgelöstes digitales Geländemodell

4 Die Besonderheit bei der Fließwegbestimmung liegt in der Anwendung eines Multiflow Directions Algorithmus (MFD), der von einer Rasterzelle aus bis zu 8 Fließrichtungen in die Nachbarzellen bestimmen kann. Die Bestimmung und Gewichtung durch Versickerung und Muldenverluste berücksichtigt. Das Kanalnetzvolumen fließt so in die Bilanzierung ein, dass bei einem Niederschlag T n = 2a kein Einstau der Senken erfolgt. Neben der dargestellten Wiederkehrhäufigkeit T n = 100a können auf Basis des KOSTRA-DWD-Atlas Nieder- Abbildung 2: Fließwege und Geländesenken der Fließrichtungen hängt im Wesentlichen von der Geländeneigung ab [3]. An divergenten Hängen, flach geneigten Bereichen und Kuppen werden so realitätsnahe Fließwege ermittelt (Abbildung 2). Durch die Bestimmung von oberflächlichen hydrologischen Einzugsgebieten für jede Geländesenke kann abgeschätzt werden, wie viel Niederschlagswasser sich in jeder Geländesenke sammelt (Abbildung 3, Beispiel Wuppertal). Dabei erfolgt eine Niederschlagsbilanzierung, die Anfangsverluste schlagshöhen für beliebige Häufigkeiten und Dauerstufen eingegeben werden. Ein Vergleich der Daten mit Feuerwehreinsätzen in Wuppertal zwischen 2007 und 2013 zeigt, dass es einen Zusammenhang zwischen stark gefüllten Geländesenken, zusammenfließenden Fließwegen, Gefällewechseln und den Schadensfällen gibt. Die Fließweg- und Senkendaten repräsentieren kombiniert mit einem Niederschlagsereignis einer bestimmten Jährlichkeit das Gefahrenpotential, das vom Starkregen ausgeht.

5 Senken gefüllt zu: < 25% 25-50% 50-75% % > 100% Abbildung 3: Einstauvolumen im Verhältnis zum verfügbaren Senkenvolumen für ein Regenereignis mit dem statistischen Wiederkehrintervall T n = 100 a Um die Verletzlichkeit (Vulnerabilität) der Infrastruktur und der Gebäude im Stadtgebiet abzuschätgen für das Katastrophenmanagement, Schulen, chen Eigenarten. Zum Beispiel haben Einrichtunzen, können Daten zur Gebäudenutzung analysiert Kindergärten oder unterirdische Bauwerke die und klassifiziert werden. Aufgrund der Größe der höchste Vulnerabilität zugewiesen bekommen (Abbildung 4, Beispiel Wuppertal). Diese Daten reprä- Datensätze wird die Empfindlichkeit bisher lediglich an die Nutzung der Gebäude gekoppelt, nicht sentieren das Schadenspotential/die Vulnerabilität jedoch an ihren baulichen Zustand oder ihre bauli- innerhalb des Stadtgebietes gegenüber Starkregen. Vulnerabilität Priorität 1 Priorität 2 Priorität 3 Priorität 4 Priorität 5 Abbildung 4: Vulnerabilität der Gebäude anhand ihrer Gebäudenutzung

6 Eine Verknüpfung der Gefahrenpotentiale mit den Schadenspotentialen zeigt Punkte innerhalb des Stadtgebietes auf, die ein besonderes Risiko bei Starkregen aufweisen. Alle beschriebenen Daten können in einer GIS-Umgebung visualisiert und bearbeitet werden. Als Beispiel ist da die Geodaten- Infrastruktur der Stadt Wuppertal (WuNDa Wuppertaler Navigations- und Datenmanagement System) zu nennen. Dort sind bereits Fließweg- und Senkendaten hinterlegt. Die Ablage der Daten auf einem zentralen GIS-Server der Stadt ermöglicht den verschiedenen Fachleuten bei der Stadt einen gezielten schnellen Zugriff. 2. Wer profitiert von den Daten? Von der Kenntnis von Risikobereichen im Stadtgebiet profitiert vor allem der Grundstückseigentümer. Durch Informationsvorsorge können Betroffene gezielt gewarnt werden. Oft können sich Haus- oder Grundstückseigentümer schon mit kleinen Maßnahmen vor den Auswirkungen von Starkregen schützen (Objektschutz). Fließweg- und Senkendaten sind für Neubaugebiete bereits in Flächennutzungs- und Bebauungspläne eingeflossen. So kann gezielt Flächenvorsorge betrieben werden. Grünflächen, die Niederschlagswasser zurückhalten oder versickern können, werden freigehalten bzw. am Hauptfließweg angebunden. ein besonderes Risiko aufweisen. So ist man im Ernstfall vorbereitet und kann gezielt reagieren (Verhaltensvorsorge). Der Kanalnetzbetreiber hat eine Entscheidungshilfe für mögliche Sanierungsvarianten und für die gezielte Berechnung mit detaillierten Hydraulikmodellen. 3. Ausblick Die Möglichkeiten zur Implementierung von Grundlagendaten in diese Geografischen Informationssysteme zur Unterstützung im Risikomanagement sind vielfältig. Mithilfe von verschiedenen Themenkarten können gezielte Verschneidungen erfolgen. Die Kombination von Neigungsklassen, Bodenart und -schichtung mit den Starkregenanalysen kann zur Abschätzung von Hangrutschungspotentialen genutzt werden. Über eine Kombination der Flächennutzungsdaten mit den Fließweg- und Senkendaten kann eine stadtgebietsweite Abfrage hinsichtlich potentieller Retentionsflächen durchgeführt werden. Die Arbeit im GIS erlaubt hier individuelle Lösungen für verschiedene Fragestellungen. Die Feuerwehr kann die Daten zur Beurteilung brandschaupflichtiger Objekte nutzen. Gleichzeitig kann sie im Ernstfall entscheiden, welche Objekte

7 4. Quellenverzeichnis [1] THE WORLD BANK (2012) Turn down the Heat: Why a 4 C Warmer World Must be Avoided, Washington DC, USA [2] DKKV (2013) Sturmtief Xaver über Deutschland Experten des Deutschen Komitee für Katastrophenvorsorge im Interview, Bonn, Germany [3] ARGE et al. (2001) Flow Computation on Massive Grids, Durham, USA [4] BECK, J. (2011) Rasterfahndung dem Oberflächenwasser auf der Spur, Beck-Info 25 [5] CZICKUS, S. (2012) Screening und Entschärfung von Überflutungsrisiken im urbanen Raum, Beck-Info 26

8 Info 15 Siehste, geht doch nicht... Prob- Info 22 Alles dicht, oder was??? Pilotpro- leme und ihre Lösungen bei der jekt Billerbeck Sanierung der Inbetriebnahme von Retentions- Grundleitungen bodenfiltern und bewachsenen Dezember 2009 Versickerungsmulden Mai 2003 Info 23 Vorplanung zur Umgestaltung der Wupper im Wuppertaler Stadtge- Info 16 Von einem der auszog das Dichten biet zu lernen. September 2010 Inspektion, Sanierung und Instandhaltung von Grundstücksentwässerungsanlagen Juli 2004 Info 24 Gewässerentflechtungskonzept Essen Steele Eickenscheidter Bach und das Grendbachsystem Info 17 Fremdwasser, Bachwasser, Rein- September 2010 wasser, Drainwasser... ableiten darf auch Spaß machen Wiederherstellung Leyerbach März 2006 Info 25 Rasterfahndung Dem Oberflächenwasser auf der Spur Juni 2011 Info 18 Info 19 Info 20 Fünf Jahre Betrieb eines hochbelasteten Retentionsbodenfilters August 2006 Durchführbarkeitsstudie zur Abwasserbeseitigung in der ländlichen Region Galaţi (Rumänien) März 2008 Wasserwirtschaftliches Denken und Handeln unter dem Einfluss des Klimawandels Mai 2009 Info 26 Screening und Entschärfung von Überflutungsrisiken im urbanen Raum April 2012 Info 27: Vergleich zweier 2D- Hydraulikmodelle im Hinblick auf die Identifizierung von Gefahrenpotentialen im urbanen Raum September 2013 Alle Infos finden Sie auch auf unserer Internetseite Info 21 Die automatische Kalibrierung von zwei Niederschlag-Abfluss- Modellen August 2009