Hochwasserwahrscheinlichkeiten und Hochwasserrisiko hält das Hochwasserversprechen?

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1 Hochwasserwahrscheinlichkeiten und Hochwasserrisiko hält das Hochwasserversprechen? Andreas Schumann Lehrstuhl für Hydrologie, Wasserwirtschaft und Umwelttechnik

2 Einleitung Möglichkeiten und Grenzen des technischen Hochwasserschutzes Das Dilemma des Hochwasserschutzes Hochwasserforschung 2

3 Das Hochwasser im Juni 2013 Bilanz: Niederschlagsmenge lt. DWD bis 6.Juni 2013: Mrd m 3 Überschwemmte Flächen in Deutschland lt. BMU 25.6.: ha Bei einer angenommenen durchschnittlichen Flutungshöhe von 1m: m 3 = 4.3 Mrd m 3 Zum Vergleich: Entspricht in etwa dem Gesamtstauraum aller Talsperren in Deutschland, der Hochwasserrückhalteraum aller Talsperren beträgt etwa 1 Mrd m 3 (geschätzt) 3 4,3 Mrd. m Anteil Rückhalt Überschwemmungsgebiete zu Re gen 0, ,75Mrd. m m Anteil Rückhalt Überschwemmungsgebiete zu Abfluss 0, ,6 22,75Mrd. m 3

4 Die Katastrophe Hochwasser

5 Hochwasserschäden werden durch den Menschen bedingt Titelseite eines Flugblattes zur Hochwasserkatastrophe 1651 in Moers am Niederrhein Intensiv genutzte Talauen mit ausgebauten Flüssen Beispiel: Ludwigshafen 5

6 Möglichkeiten zur Verminderung von Hochwasserschäden Passiver Hochwasserschutz: Dem Hochwasser widerstehen! z.b. Deiche, Hochwasserschutzmauern Aktiver Hochwasserschutz: Das Hochwasser verändern! z.b. hydraulische Leistungsfähigkeit erhöhen, Speicher bauen Dem Hochwasser ausweichen z.b. Überflutungsgebiete räumen 6

7 Hochwasservorsorge und -bewältigung DKKV, 2003 Aufbauhilfe Flächenvorsorge: Freihaltung der Überschwemmungsgebiete Wiederaufbau Hilfe für die Betroffenen Katastrophen- Abwehr: Mittel und Kräfte Hochwasser Bauvorsorge: HW- angepasstes Bauen Risikovorsorge: Versicherungen Verhaltens- Vorsorge: Risikobewusstsein Informations- Vorsorge: Meldewege Erhöhung des natürlichen Wasserrückhalts in den Einzugsgebieten: Landnutzung, Talauen Technischer Hochwasserschutz: Deiche und Hochwasserrückhaltebecken 7

9 Hochwasservorsorge und -bewältigung Aufbauhilfe Flächenvorsorge: Freihaltung der Überschwemmungsgebiete Wiederaufbau Hilfe für die Betroffenen Katastrophen- Abwehr: Mittel und Kräfte Hochwasser Bauvorsorge: HW- angepasstes Bauen Risikovorsorge: Versicherungen Verhaltens- Vorsorge: Risikobewusstsein Informations- Vorsorge: Meldewege Erhöhung des natürlichen Wasserrückhalts in den Einzugsgebieten: Landnutzung, Talauen Technischer Hochwasserschutz: Deiche und Hochwasserrückhaltebecken 9

10 Hochwasserschutz durch Deiche Geschichtliche Entwicklung der Deichprofile am Niederrhein (Schmidt 2000 und ergänzt) Regelprofil für Rheindeiche in Nordrhein-Westfalen (StUA Krefeld, Stand 2004) 10

11 Gefährdung der Deiche Überströmen des Deiches (in der Regel mit Bruch als Folge) Deichbruch ohne Überströmen: Durchsickerung! 11

12 Gefährdung der Deiche Deichbruch: Innerhalb weniger Stunden Vorhersageproblem: Breschenbreite unsicher Fliessgeschwindigkeit unsicher Ausbreitungsrichtung von Lage der Bruchstelle abhängig 12

13 Deichgeschützte Flächen am Niederrhein Zahl der betroffenen Personen am Niederrhein: davon besonders gefährdet (Wassertiefen >2,00 m) : Zum Vergleich: 2002 deutsche Elbe betroffene Personen: Menschen ca Mögliche Sachschäden: 20 Mrd. Davon Siedlungsgebiete: 16,5 Mrd. Industrie und Verkehr: 3,8 Mrd. (Quelle: Deutsch- Niederländische Arbeitsgruppe Hochwasser, 2004) 13

14 Hochwasserwahrscheinlichkeiten auf der Grundlage der Extremwertstatistik 1936: 1941: Ann. Math. Statist. Volume 12, Number 2 (1941), Emil Julius Gumbel ( ) 14

15 Homogene Reihen? Jahreshöchstabflüsse und Sommerhochwasser (Pegel Berthelsdorf/ Freiberger Mulde)

16 Homogenous series? Differences between winter and summer floods within the series of yearly maxima (Gauge Berthelsdorf/ Freiberger Mulde)

17 Empirical probabilities of seasonal yearly flood peaks (Gauge Borstendorf/ Freiberger Mulde) HQ in m3/s HQ year HQ 1. Season HQ 2. Season HQ 3. Season HQ 4. Season y(t)=-ln(-ln((t-1)/t))) 17

18 Modell Wahrscheinlichkeit von Abflussüberschreitungen auf der Grundlage der Extremwertstatistik Heft 101, 1979: Empfehlung zur Berechnung von Hochwasserwahrscheinlichkeiten 8 Seiten, vier Bilder, Pearson-3- Verteilung (log. Pearson-3- Verteilung, Gamma- Verteilung) falls Berechnung mit Hilfe eines Tischrechners erfolgt 18

19 Modell Wahrscheinlichkeit von Abflussüberschreitungen auf der Grundlage der Extremwertstatistik DWA M- 552, 2012: Ermittlung von Hochwasserwahrscheinlichkeiten 88 Seiten, 37 Bilder, 6 Verteilungsfunktionen 3 Parameterschätzverfahren 19

20 Beispiel Pegel Wechselburg, Zwickauer Mulde , 24 Verteilungen HQ in m³/s HQ in m³/s AEV_MM AEV_LM AEV_ML Pearson III_MM Pearson III_LM Pearson III_ML Log-Pearson III_MM Log-Pearson III_LM Log-Pearson III_ML GP3_MM GP3_LM GP3_ML 3-Par Log-Normal_MM 3-Par Log-Normal_LM 3-Par Log-Normal_ML Weibull_MM Weibull_LM Weibull_ML Log-Weibull_MM Log-Weibull_LM Log-Weibull_ML empirisch AEV_MM AEV_LM AEV_ML Pearson III_MM Pearson III_LM Pearson III_ML Log-Pearson III_MM Log-Pearson III_LM Log-Pearson III_ML GP3_MM GP3_LM GP3_ML 3-Par Log-Normal_MM 3-Par Log-Normal_LM 3-Par Log-Normal_ML Weibull_MM Weibull_LM Weibull_ML Log-Weibull_MM Log-Weibull_LM Log-Weibull_ML empirisch HQ in m³/s Jährlichkeit T Jährlichkeit T Jährlichkeit T AEV_MM AEV_LM AEV_ML Pearson III_MM Pearson III_LM Pearson III_ML Log-Pearson III_MM Log-Pearson III_LM Log-Pearson III_ML GP3_MM GP3_LM GP3_ML 3-Par Log-Normal_MM 3-Par Log-Normal_LM 3-Par Log-Normal_ML Weibull_MM Weibull_LM Weibull_ML Log-Weibull_MM Log-Weibull_LM Log-Weibull_ML empirisch Reihe

21 Modell Erweiterung des extremwertstatistischen Modells 21

22 Technischer Hochwasserschutz - Das Bemessungsproblem Veränderung der hydrologischen Bemessungsgrößen auf statistischer Grundlage Beispiel: Pegel Lichtenwalde/ Zschopau (AE=1575 km 2, beobachtet seit 1910) durch das Augusthochwasser 2002 (1250 m 3 /s) Überschreitungswahrscheinlichkeit des beobachteten Hochwasserscheitels: 0,00023 (bis 2001) 0,002 (ab 2003) 2000 Lichtenwalde / Zschopau T=500a Standardisierte Zufallsvariable y(t)=-ln(ln(1/pu)) 22

23 Modell Das Hochwasserbemessungsproblem am Beispiel der Schlossmühle Rochlitz ? Fotos: Jörg Richter, Rochlitz 23

24 Technischer Hochwasserschutz - Das Akzeptanzproblem (Beispiel Grimma, 2013) 24

25 Das Akzeptanzproblem (Beispiel Grimma, 2013) 25

26 Hochwasserschutz durch Speicher 26

27 Precipitation in mm/h Runoff in m3/s Überlastung des Hochwasserrückhalteraumes einer Talsperre , , , , , , , , , , , , , , , Precipitation in mm/h Storage in mm/h Inflow in m3/s Outflow in m3/s TS Klingenberg

28 Die Überlastung von Speichern hängt von Einzelereignis ab Kein Hochwasserschutz Hochwasserspeicherung hängt vom jeweiligen Hochwasser ab! Vollständiger Hochwasserschutz 28

29 Wie wird das Hochwasserregime abhängig vom Ereignistyp anthropogen beeinflusst? 1968 HWR 36,6 Mio m HWR 62,1 Mio m HWR 33,2 Mio m3 29

30 Monte- Carlo- Simulations von Abflussganglinien für einen Bemessungsniederschlag von 24h Dauer und einem Wiederkehrintervall von 1000 Jahren (Talsperre Gottleuba) (Klein, 2009) Simulation von eingipfligen Abflussganglinien Bedarf an komplexeren statistischen Betrachtungen! Simulation von zweigipfligen Hochwasserganglinien Wesentlich komplexere Beziehungen zwischen Hochwasserscheitel und Versagensrisiko 30

31 Risikobasierte Bemessungsansätze Beurteilung der Funktion technischer Hochwasserschutzanlagen durch systemische Ansätze, die die Interaktion von Teileinzugsgebieten mit multivariater Statistik berücksichtigen Statistik nichtlinearer dynamischer Prozesse Beurteilung des Hochwasserrisikos in Flussgebieten mit Hilfe stochastischdeterministisch generierter Hochwasserszenarien 31 31

32 Hochwasserschutz durch Flutpolder Entwicklung der Grundwasserspiegelhöhen bei einem Hochwasser mit Poldernutzung a) Grundwasserstände bei Mittelwasser, b) Grundwasserstände bei Hochwasser, c) Grundwasserstände nach Öffnung des Polders aus: Patt, H.: Hochwasser-Handbuch,

34 circulus vitiosus des technischen Hochwasserschutzes: Erhöhte Aufwendungen zur Beeinflussung des Hochwassers führen zur Steigerungen der Verluste durch Hochwasser Natürliche Variabilität Extremes Hochwasser Extreme Hochwasserschäden Intensivierung der Flächennutzung ehemaliger Überschwemmungsgebiete Bauliche Maßnahmen zur Verbesserung des Hochwasserschutzes Standortvorteil: Hochwassersicherheit 34

36 78 WHG Besondere Schutzvorschriften für festgesetzte Überschwemmungsgebiete (1) In festgesetzten Überschwemmungsgebieten ist untersagt: 1. die Ausweisung von neuen Baugebieten in Bauleitplänen oder sonstigen Satzungen nach dem Baugesetzbuch, ausgenommen Bauleitpläne für Häfen und Werften, 36

37 78 WHG Besondere Schutzvorschriften für festgesetzte Überschwemmungsgebiete (2) Die zuständige Behörde kann abweichend von Absatz 1 Satz 1 Nummer 1 die Ausweisung neuer Baugebiete ausnahmsweise zulassen, wenn 1. keine anderen Möglichkeiten der Siedlungsentwicklung bestehen oder geschaffen werden können, 2. das neu auszuweisende Gebiet unmittelbar an ein bestehendes Baugebiet angrenzt, 3. eine Gefährdung von Leben oder erhebliche Gesundheits- oder Sachschäden nicht zu erwarten sind, 4. der Hochwasserabfluss und die Höhe des Wasserstandes nicht nachteilig beeinflusst werden, 5. die Hochwasserrückhaltung nicht beeinträchtigt und der Verlust von verloren gehendem Rückhalteraum umfang-, funktions- und zeitgleich ausgeglichen wird, 6. der bestehende Hochwasserschutz nicht beeinträchtigt wird, 7. keine nachteiligen Auswirkungen auf Oberlieger und Unterlieger zu erwarten sind, 8. die Belange der Hochwasservorsorge beachtet sind und 9. die Bauvorhaben so errichtet werden, dass bei dem Bemessungshochwasser, das der Festsetzung des Überschwemmungsgebietes zugrunde liegt, keine baulichen Schäden zu erwarten sind. Landeswassergesetz NRW 113 a: Frühere Überschwemmungsgebiete, die als Rückhalteflächen geeignet sind, sollen so weit wie möglich wieder hergestellt werden, wenn überwiegende Gründe des Wohls der Allgemeinheit nicht entgegenstehen. 37

38 Freihaltung von Überschwemmungsgebieten: Weesenstein (Osterzgebirge) Quelle: Tagesschau.de 38

40 Hochwasserangepasstes Bauen: Ausweichen, Widerstehen, Nachgeben 40 Quelle: Hochwasserfibel NRW, 1999

41 Befindet sich der Hochwasserschutz in der Schieflage? Wer ist verantwortlich? Wie ergänzen sich die Komponenten der Hochwasservorsorge? Welche Bedeutung hat die Hochwasserwahrscheinlichkeit? 41

42 Wer ist für Hochwasserschutz verantwortlich? - im Mittelalter: Das Spatenrecht Symbolische Handlung, mittelst welcher der Besitzer eines zur Deichlast verpflichteten Grundstücks, wenn er seiner Verpflichtung nicht nachkommt, des pflichtigen Grundstücks nach dem Satze: wer nicht will deichen, muß weichen, für verlustig u. das Grundstück selbst für herrenlos erklärt wird. Sie besteht in der Einsenkung eines Spatens in den Deich durch das Deichgericht; auch der Eigenthümer selbst kann sie vornehmen zum Zeichen, daß er das Eigenthum an dem betreffenden Grundstück aufgeben will;.. Wer den Spaten auszieht, erwirbt das Eigenthum des Grundstücks, muß indessen dafür auch die noch rückständigen Leistungen übernehmen. Heinrich August Pierer, Julius Löbe (Hrsg.): Universal-Lexikon der Gegenwart und Vergangenheit. 4. Auflage. Bd. 16, Altenburg

43 Heute: WHG: Kapitel 1 Allgemeine Bestimmungen 5 Allgemeine Sorgfaltspflichten (2) Jede Person, die durch Hochwasser betroffen sein kann, ist im Rahmen des ihr Möglichen und Zumutbaren verpflichtet, geeignete Vorsorgemaßnahmen zum Schutz vor nachteiligen Hochwasserfolgen und zur Schadensminderung zu treffen, insbesondere die Nutzung von Grundstücken den möglichen nachteiligen Folgen für Mensch, Umwelt oder Sachwerte durch Hochwasser anzupassen. 43

44 Wer kann durch Hochwasser betroffen sein? RICHTLINIE 2007/60/EG DES EUROPÄISCHEN PARLAMENTS UND DES RATES vom 23. Oktober 2007 über die Bewertung und das Management von Hochwasserrisiken Die zuständigen Behörden bewerten das Hochwasserrisiko und bestimmen danach die Gebiete mit signifikantem Hochwasserrisiko (Risikogebiete). (WHG, 2009) Tag der Hydrologie 2011 TU Wien 44

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47 Wer ist für Hochwasserschutz verantwortlich? Beispiel: Landeswassergesetz Sachsen, 99 Hochwasserschutz (4) Planung, Bau, Betrieb und Unterhaltung von Deichen, Hochwasserschutzmauern, Hochwasserrückhaltebecken und sonstigen Anlagen, die dem Schutz der Allgemeinheit vor Hochwasser zu dienen bestimmt sind (öffentliche Hochwasserschutzanlagen), sind an Gewässern erster Ordnung Aufgabe des Freistaats. Landeswassergesetz NRW 108 Unterhaltung und Wiederherstellung (1) Die durch dieses Gesetz begründete Pflicht zur Unterhaltung und Wiederherstellung von Deichen ist eine öffentlich-rechtliche Verbindlichkeit. 47

48 Das Hochwasserschutzversprechen und die Wirtschaftlichkeit Bürger erhalten den Eindruck, dass durch den Hochwasserschutz das Hochwasserrisiko ausgeschlossen ist. WHG 73 (1): Hochwasserrisiko ist die Kombination der Wahrscheinlichkeit des Eintritts eines Hochwasserereignisses mit den möglichen nachteiligen Hochwasserfolgen Schutzmaßnahmen, die (häufige) kleine und mittlere Schäden ausschließen; sind in ihrem Beitrag zur Minderung des Risikos vordergründig wirtschaftlich. Große Ereignisse mit katastrophalen Folgen sind sehr selten, womit sie aus Wirtschaftlichkeitsüberlegungen ausgeblendet werden. 48

49 Die Hochwasserresolution von 16 Professorinnen und Professoren für Wasserbau und Ingenieurhydrologie Versagt der Hochwasserschutz in Deutschland? vom Wir können auf technischen Hochwasserschutz nicht verzichten. 2. Wir können Extremhochwasser nur bis zu einem gewissen Grad beeinflussen 3. Ein vollständiger Hochwasserschutz ist ökonomisch nicht sinnvoll und oftmals auch technisch nicht möglich. Die Gesellschaft muss sich entscheiden: Wie viel Sicherheit ist sicher genug? 4. Hochwasserschutz erfordert die Eigenverantwortung der betroffenen Bürger, d.h. das Hochwasserschutzversprechen ist zu relativieren! 5. Ein Versagen von Schutzsystemen ist nie gänzlich auszuschließen. 6. Die Minderung des Restrisikos wird auch durch die Wirksamkeit der Katastrophenabwehr bedingt. 7. Es ist erforderlich, vorab zu klären was keinesfalls passieren darf: Risikobasierter Bemessungsansatz 8. Die Ertüchtigung und der Neubau der Deiche in den jetzt betroffenen Gebieten erfordern länderübergreifende Hochwasserschutzkonzepte. 49

51 SPP Hochwassergenese Extreme Hochwasser Hochwassergenese Zeitliche Variabilität Räumlich übergreifende Analysen 51

52 SPP Hochwassergenese Extreme Hochwasser räumliche Verteilung Unterschiede in der Entstehung der Katastrophenhochwassern 1954, 2002 und 2013, oben: Niederschlagsverteilung (P), Mitte: 30-Tage Vorregenindex (API), unten: Jährlichkeiten der Hochwasserscheitelabflüsse (Schröter, 2013) 52

53 Unabhängige Ereignisse oder zeitliche Clusterung? 2002 Hochwassermarken der Vereinigten Mulde an der alten Mühle in Grimma Von den 10 höchsten Sommerhochwasserereignissen seit 1771 traten Hochwassermarken der Zwickauer Mulde Straßenbrücke Wilkau:Haßlau 53

54 Zeitliche Verteilung der 29 Überschreitungen von 8000 m 3 /s im Jahreshöchstabfluss am Pegel Köln/ Rhein im Zeitraum 1824 bis 2003 Überschreitungen innerhalb von 10 Jahren 6 5 Anzahl der Hochwasser > 8000 m3/s

55 Forschungsaufgabe Hochwasser: Beantragtes DFG- Rundgespräch Die Hochwasserhydrologie Deutschlands F(x<=n(50%)) λ=0,5; 10 a Sommer-HQ Jahr F(x<=n(50%)) λ=0,5, 10 a Winter-HQ Jahr

56 Zusammenfassung Hochwasserschutz ist eine komplexe Aufgabe mit vielen Bausteinen Technischer Hochwasserschutz ist sinnvoll und oftmals wirksam Das Hochwasserschutzversprechen des Staates kann nicht absolut eingehalten werden, es gilt die höhere Gewalt Dem Hochwasser auszuweichen wäre die nachhaltige Lösung Das Hochwasser verändern oder dem Hochwasser zu widerstehen ist nur in Grenzen möglich. Diese Grenzen sollten wir abstecken! 56