Abschätzung der Wirksamkeit dezentraler Kleinrückhaltebecken in Oberbayern

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1 Technische Universität München Ingenieurfakultät Bau Geo Umwelt Lehrstuhl für Hydrologie und Flussgebietsmanagement Prof. Dr.-Ing. Markus Disse Abschätzung der Wirksamkeit dezentraler Kleinrückhaltebecken in Oberbayern BACHELOR THESIS eingereicht von Matthias Senger August 2014 Studiengang: Umweltingenieurwesen (Bachelor of Science) Betreuer: Dr.-Ing. Wolfgang Rieger

2 ii Inhaltsverzeichnis Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis v vii 1 Einführung Dezentraler Hochwasserschutz Problemstellung und Zielsetzung Vorgehensweise Dezentrale Kleinrückhaltebecken Grundlagen Definition und Abgrenzung Technische Ausführung Bemessungshochwasser Kosten Wirkungsweise Natürlicher Abflussprozess Retentionswirkung Wirksamkeit - Stand der Forschung Regelungen in Bayern Zuständigkeiten Genehmigungsablauf bei Gewässern 3. Ordnung Datengrundlage und -erfassung Ausgangslage Datenbank Hochwasserrückhaltebecken Bayern Datenerfassung mit ArcMap Erfasste Parameter Beckenparameter Gebietsparameter Betrachtete Becken

3 Inhaltsverzeichnis iii 4 Rechenmodell Eingangsdaten Zuflussganglinie Speicherinhaltslinie Ausflussbeziehung Lösung der Speichergleichung Beckenoptimierung Ergebnisse Scheitelabminderung Diskussion Sensitivitätsstudie der relevanten Parameter Methodik Korrelation mit mittlerem Gefälle Korrelation mit spezifischem Volumen Zusammenfassung und Ausblick 41 Literaturverzeichnis 43 Anhang 45

4 iv Abbildungsverzeichnis Abbildung 1.1 Aktionsprogramm 2020plus (STMUV 2014) Abbildung 2.1 Abbildung 2.2 Schematische Darstellung des Abflussprozesses (BAUMGARTNER et al. 1996) Prinzip der stehenden Retention: Abminderung der Hochwasserspitze um Q und Verzögerung um t; durchgezogene Linie: Zuflussganglinie; gestrichelte Linie: Ausflussganglinie; schraffierte Fläche: Retentionsvolumen R (VISCHER et al. 1992) Abbildung 3.1 Schema der Nachbarzellencodierung für die Flow Direction Funktion (ARCGIS (2014), verändert) Abbildung 3.2 Ergebnis der Einzugsgebietsberechnung mittels Watersheds Funktion, Rückhaltebecken (rot), Einzugsgebiete (hell und dunkelbraun), errechnete Fließwege (blau) sowie Flächen der Hochwasserquantile (schwarz umrandet) Abbildung 3.3 Ausschnitt aus dem Flächenverzeichnis der Hochwasserquantile des Ingenieurbüros IAWG Ottobrunn Abbildung 3.4 Verwendete dreiecksförmige Abflussganglinie mit Scheitelabfluss HQ T, Anlaufzeit t An und Ablaufzeit t Ab (BAYLFW REF ). 22 Abbildung 3.5 Geographische Lage der verwendeten Becken in Oberbayern Abbildung 4.1 Pyramidenförmige Standardbeckenform Abbildung 4.2 Ausflussbeiwert für geneigte scharfkantige Planschütze (BOLLRICH et al. 2007) Abbildung 5.1 Abbildung 5.2 Zuflussganglinie (orange) und Ausflussganglinie (grün) des Beckens Nr. 1 für ein simuliertes HQ50-Ereignis; zugehöriger Verlauf des Speicherinhalts (blau); maximales Beckenvolumen (rot) Geographische Lage der betrachteten Pegel (blaue Punkte) sowie der verwendeten Becken (rote Punkte)

5 Abbildungsverzeichnis v Abbildung 5.3 Abbildung 5.4 Erreichte Scheitelabminderungen der Becken beim HQ100 + Klimafaktor mit optimierter Drosselweite und zugehörigem mittleren Gefälle im Einzugsgebiet; ausschließlich Becken mit einer Scheitelabminderung von < 100% berücksichtigt Erreichte Scheitelabminderungen der Becken beim HQ10 mit optimierter Drosselweite und zugehörigem spezifischen Volumen; lineare Trendlinie; ausschließlich Becken mit einer Scheitelabminderung von < 100% berücksichtigt

6 vi Tabellenverzeichnis Tabelle 2.1 Jährlichkeiten der Bemessungszuflüsse (DIN Teil 12 (2004)). 8 Tabelle 2.2 Reduzierte Jährlichkeiten der Bemessungszuflüsse (DIN Teil 12 (2004)) Tabelle 2.3 Untersuchungen zur Wirksamkeit dezentraler Kleinrückhalte der letzten 10 Jahre (DWA 2013b, verändert) Tabelle 2.4 Zuständigkeiten nach Gewässerordnung (STMUV 2014) Tabelle 3.1 Randbedingungen für die Auswahl der Becken Tabelle 3.2 Faktoren zur Bestimmung der Ablaufzeit auf Grundlage der Landnutzung im Einzugsgebiet (BAYLFW REF ) Tabelle 4.1 Ausflussbeiwerte für kreisförmige Drosselöffnungen (WENDEHORST et al. 2012) Tabelle 4.2 Liste aller simulierter Ereignisse Tabelle 5.1 Tabelle 5.2 Tabelle 5.3 Tabelle 5.4 Tabelle 5.5 Tabelle 5.6 Tabelle 5.7 Tabelle 5.8 Erreichte Scheitelabminderungen der einzelnen Becken in Prozent für die jeweiligen Ereignisse Gegenüberstellung der zur Dimensionierung der Becken verwendeten Scheitelabflüsse und der in dieser Arbeit verwendeten flächendetaillierten Scheitelabflüssen Gegenüberstellung der Pegelhauptwerte aus dem GKD (2014) und der in dieser Arbeit verwendeten flächendetaillierten Scheitelabflüssen.. 33 Wertebereich des empirischen linearen Korrelationskoeffizienten (WITTE et al. 2011) Korrelationskoeffzienten zwischen mittlerem Gefälle und Scheitelabminderung bei Betrachtung aller Becken Korrelationskoeffzienten zwischen mittlerem Gefälle und Scheitelabminderung bei reduzierter Beckenzahl Korrelationskoeffzienten zwischen spezifischem Volumen und Scheitelabminderung bei Betrachtung aller Becken Korrelationskoeffzienten zwischen spezifischem Volumen und Scheitelabminderung bei reduzierter Beckenanzahl

7 Tabellenverzeichnis vii Tabelle A.1 Untersuchte Kleinrückhaltebecken mit Gauß-Krüger-Koordinaten Tabelle A.2 Beckenparameter der Kleinrückhalte mit Rohrdrossel Tabelle A.3 Beckenparameter der Kleinrückhalte mit Schütz Tabelle A.4 Beckenparameter der bei den Ereignissen mit optimierter Drosselweite zusätzlich betrachteten Kleinrückhalte Tabelle A.5 Gebietsparameter der betrachteten Kleinrückhalte

8 1 1 Einführung Große Hochwasserereignisse wie das Junihochwasser 2013 stoßen immer wieder Diskussionen über den Hochwasserschutz in Deutschland an. Zur Vermeidung von Schäden durch Hochwasser existieren dabei drei grundsätzlich unterschiedliche Herangehensweisen. Der technische Hochwasserschutz, welcher im letzten Jahrhundert intensiv praktiziert wurde, versucht durch Baumaßnahmen im und am Gewässer die Wassermassen zu kontrollieren. Maßnahmen wie Deiche, Flussbegradigungen und zentrale Hochwasserrückhaltebecken dienen dazu, Hochwasser von den gefährdeten Bereichen fernzuhalten. Ein vollständiger Schutz durch technische Hochwasserschutzmaßnahmen ist jedoch weder möglich, noch wäre er finanziell umsetzbar. Aus diesem Grund ist eine zweite Strategie, die sogenannte Hochwasservorsorge vonnöten. Diese zielt darauf ab, die Vulnerabilität gegenüber Hochwasser zu reduzieren. Das Freihalten von Überschwemmungsgebieten oder die Beschränkungen der wohnlichen Nutzung auf die oberen Stockwerke führen dazu, dass das Ausmaß der Schäden eingedämmt werden kann. Abbildung 1.1: Aktionsprogramm 2020plus (STMUV 2014) Heute sind große technische Hochwasserschutzbauwerke aufgrund des umfangreichen Eingriffs in die Natur sowie ökologischer Bedenken nur noch schwer realisierbar. Weiterhin wird versucht, von den teils kanalartig verbauten Gewässern wieder zu natürlichen Flussläufen zurückzukehren. Die Hochwasservorsorge auf der anderen Seite kommt meist nur für neue

9 1 Einführung 2 Baugebiete in Betracht. Eine Umrüstung bereits bestehender Bebauung wird meist nicht oder nur nach großen Schadensfällen vorgenommen. Aus diesen Gründen hat in den letzten Jahren eine dritte Strategie, der dezentrale Hochwasserschutz oder natürliche Rückhalt zunehmend an Bedeutung gewonnen. Die in dieser Arbeit untersuchten dezentralen Kleinrückhaltebecken sind dieser Kategorie zuzuordnen, daher wird das Prinzip des dezentralen Hochwasserschutzes im folgenden Kapitel 1.1 genauer erläutert. Um einen bestmöglichen Hochwasserschutz erreichen zu können müssen alle drei vorgestellten Strategien zusammenwirken. Diese Kombination von Herangehensweisen ist auch zentraler Bestandteil des aktuellen Aktionsprogramms 2020plus in Bayern (Abbildung 1.1). 1.1 Dezentraler Hochwasserschutz Die Gestaltung des Kulturraums durch den Menschen hat auch das Abflussverhalten der betroffenen Gebiete verändert. Bauliche Maßnahmen wie Flächenversiegelungen, Flussbegradigungen oder großflächige landwirtschaftliche Bewirtschaftung reduzieren die Fähigkeit der Landschaft Wasser in der Fläche zurückzuhalten. Bei starken Regenfällen kommt es dadurch zu einem schnelleren Abfließen des Wassers in die Bäche und Flüsse und dort häufiger zu Ausuferungen und Überschwemmungen. Der dezentrale Hochwasserschutz hat das Ziel, diesen verloren gegangenen natürlichen Wasserrückhalt zu erhöhen beziehungsweise wiederherzustellen. Dies wird im Gegensatz zum technischen Hochwasserschutz nicht durch zentrale große Schutzvorrichtungen erreicht, sondern durch viele kleine, im Gebiet verteilte Maßnahmen. Sie sollen das Wasser in der Fläche zurückhalten und dadurch das Hochwasser bereits im Bereich seiner Entstehung mindern (ASSMANN et al. 1998). Zu den dezentralen Maßnahmen zählen vor allem (RÖTTCHER et al. 2007): Maßnahmen der Regenwasserbewirtschaftung in Siedlungsgebieten die Verbesserung der Versickerungsfähigkeit landwirtschaftlich genutzter Flächen die Wiederherstellung der natürlichen Retention in den Talauen der Rückbau oder die Umgestaltung von Deichen der Rückhalt des Abflusses in kleinen Speicherräumen Die Umsetzung der Einzelmaßnahmen ist vergleichsweise günstig und kann schrittweise erfolgen. Zwar ist auch die Wirkung einer Einzelmaßnahme gering, jedoch steigt diese mit der zunehmenden Anzahl umgesetzter Maßnahmen an. Deren räumliche Verteilung führt zu einer Verbesserung des Hochwasserschutzes im gesamten Einzugsgebiet (ASSMANN et al. 1998). Der Eingriff in das Abflussregime ist bei dezentralen Maßnahmen weniger gravierend als bei zentralen Maßnahmen. Teilweise kann durch Renaturierungen eine Rückkehr zu natürlichen Fließverhältnissen erreicht werden (ATV-DVWK 2004/05). Dies entspricht einer Annäherung an einen potentiell naturnahen Zustand im Sinne der EU-Wasserrahmenrichtlinie (RÖTTCHER

10 1 Einführung 3 et al. 2004). Die dabei auftretenden Synergieeffekte wirken sich auf den Wasser- und Stoffhaushalt aus. Sie können beispielsweise zur Entstehung neuer Feuchtgebiete führen, die als Lebensraum für viele Pflanzen- und Tierarten dienen (RIEGER 2012). Dezentrale Hochwasserschutzmaßnahmen führen aber nicht automatisch zu einer Verbesserung der ökologischen Situation. Je besser sich eine Maßnahme jedoch in das Landschaftsbild integriert und dadurch natürliche Retentionsprozesse verstärkt, umso größer ist auch der zu erwartende ökologische Nutzen (DWA 2013b). 1.2 Problemstellung und Zielsetzung In den letzten Jahren wurden zahlreiche Untersuchungen veröffentlicht, die das Potential dezentraler Kleinrückhaltebecken in bestimmten Einzugsgebieten abschätzen (vgl. Tabelle 2.3). Im Anschluss an die Suche nach potentiellen Standorten im Einzugsgebiet wurden die Becken modelliert und auf ihre Wirksamkeit hin untersucht. Die Studien zeigen, dass der Rückhalt des Abflusses in dezentralen Kleinrückhalten ein großes Hochwasserschutzpotential besitzt (vgl. RIEGER 2012; KREITER 2006). Diese Arbeit setzt sich nun mit bereits bestehenden Kleinrückhaltebecken auseinander. Das Untersuchungsgebiet beschränkt sich dabei auf die Region Oberbayern. Ziel ist es, zunächst die bereits umgesetzten Kleinrückhaltebecken in Oberbayern mit ihren wichtigsten Parametern zu dokumentieren. Anschließend sollen die Becken auf ihre Wirksamkeit hin untersucht werden. In einem weiteren Arbeitsschritt soll die Korrelation der Wirksamkeit mit bestimmten Eigenschaften des Einzugsgebiets quantifiziert werden. Daraus lassen sich Aussagen über geeignete Standorte für Kleinrückhaltebecken ableiten. Langfristig kann diese Arbeit als Grundlage einer Planungshilfe für den wirksamen Einsatz dezentraler Kleinrückhalte dienen. 1.3 Vorgehensweise Zur Untersuchung der Wirksamkeit waren zunächst zwei unterschiedliche Ansätze vorgesehen. Neben dem in Kapitel 4 beschriebenen Rechenmodell sollten auch Pegeldaten Verwendung finden, um mögliche Veränderungen der Pegelganglinien infolge der Inbetriebnahme von Kleinrückhaltebecken zu betrachten. Da sich dezentrale Kleinrückhaltebecken meist an untergeordneten Gewässern befinden, standen jedoch kaum Pegel in der näheren Umgebung der Becken zur Verfügung. Bei keinem der betrachteten Kleinrückhaltebecken gab es sowohl oberhalb wie auch unterhalb des Beckens einen Pegel, wodurch die Wirksamkeit anhand der Pegelganglinien direkt ablesbar gewesen wäre. Der Vorteil diesen Ansatzes wäre die Untersuchung der Becken anhand von Realereignissen gewesen. Aufgrund der mangelnden Verfügbarkeit von Pegeldaten erwies sich diese Vorgehensweise jedoch nicht als zielführend.

11 1 Einführung 4 Daher konzentriert sich diese Arbeit ausschließlich auf die gewonnenen Erkenntnisse aus dem Rechenmodell. Die genaue Vorgehensweise wird im Folgenden anhand des Aufbaus der Arbeit zusammenfassend erläutert. Kapitel 2: Die Definition der dezentralen Kleinrückhaltebecken sowie deren Abgrenzung von zentralen Hochwasserrückhaltebecken erfolgt auf Basis einer Literaturrecherche. Nach einer kurzen Übersicht über ihren technischen Aufbau folgt die Beschreibung der hydrologischen Wirkungsweise der Becken. Anschließend werden aktuelle Forschungsergebnisse zur Wirksamkeit der Kleinrückhaltebecken erläutert. Das Kapitel schließt mit der Klärung von Zuständigkeiten bei der Genehmigung von Kleinrückhalten. Kapitel 3: Das Kapitel behandelt die Herkunft der verwendeten Daten und den Gewinnungsprozess der mittels Geoinformationssystem erfassten Parameter. Weiterhin werden alle benötigten Becken- und Gebietseigenschaften erklärt sowie die betrachteten dezentralen Kleinrückhaltebecken aufgeführt. Kapitel 4: Das auf der Speichergleichung basierende Rechenmodell wird erklärt und die zugrunde liegenden Annahmen dargestellt. Darüber hinaus erfolgt eine Erläuterung der zur Berechnung der Wirksamkeit benötigten Eingangsdaten. Kapitel 5: Die Ergebnisse der Berechnung für die verschiedenen Hochwasserereignisse werden dargelegt und diskutiert. Es folgt eine Sensitivitätsstudie, welche die Korrelation zwischen Wirksamkeit und Gebietsparametern untersucht. Betrachtung finden hier das mittlere Gefälle im Einzugsgebiet sowie das spezifische Volumen. Kapitel 6: In der Zusammenfassung werden die gewonnenen Erkenntnisse gebündelt und abschließend bewertet.

12 5 2 Dezentrale Kleinrückhaltebecken 2.1 Grundlagen Definition und Abgrenzung Dezentrale Kleinrückhaltebecken sind kleine Hochwasserschutzbecken, die dem Wasserrückhalt in der Fläche dienen. Häufig werden bereits vorhandene Bauwerke wie Straßen- oder Eisenbahndämme genutzt, um daraus Retentionsräume zu schaffen. Durch diese Nutzung vorhandener Strukturen können die Kosten erheblich reduziert und die ökologischen Beeinträchtigungen gering gehalten werden (RIEGER 2012). Probleme entstehen dabei jedoch, wenn die Maßnahmen als Hochwasserrückhaltebecken eingestuft werden. Dann müssen sie die Anforderungen der DIN Teil 12 (2004) bezüglich Standsicherheit, Überströmbarkeit und Freibord des Damms erfüllen (DWA 2006). Da die vorhandenen Absperrbauwerke aber nicht als Stauanlagen konzipiert wurden, erreichen sie diese Vorgaben meist nicht und aufwändige Nachrüstungen wären notwendig. In diesem Fall kann der Neubau eines Damms eventuell sinnvoller sein. Nach DWA (2006) werden dezentrale Kleinrückhalte in Muldenspeicher, Feldabflussspeicher und kleine Speicher an Gewässern unterteilt. Muldenspeicher sind durch welliges Gelände vorgegebene Vertiefungen, die sich bei größeren Niederschlägen mit Wasser füllen. Heute sind diese natürlichen Vertiefungen durch Maßnahmen der Landwirtschaft kaum noch vorhanden. Sie treten nur noch vor künstlichen Hindernissen wie zum Beispiel an quer zum Hang verlaufenden Wegen auf. Muldenspeicher füllen sich durch den auftretenden Oberflächenabfluss und können sich anschließend nur durch Verdunstung und Versickerung wieder entleeren, da sie über keinen Ablass verfügen. Feldabflussspeicher entleeren sich im Gegensatz zu Muldenspeichern über einen definierten Grundablass. Sie sind durch bis zu 1 m hohe Verwallungen in mehrere Kammern geteilt, die über Grundablassrohre miteinander verbunden sind. Dadurch kann das unter normalen Abflussbedingungen anfallende Wasser ungehindert abfließen, wohingegen größere Wassermengen zwischengespeichert und zeitverzögert wieder abgegeben werden. Bei einer Überlastung fließt das Wasser über die befestigten Verwallungen ab. Feldabflussspeicher erreichen Stauvolumen bis einige tausende Kubikmeter und sind zur Steigerung des Fließwiderstands bewachsen.

13 2 Dezentrale Kleinrückhaltebecken 6 Kleine Speicher an Gewässern sind mit einem Volumen von bis zu mehreren zehntausend Kubikmetern bereits zu den sehr kleinen Hochwasserrückhaltebecken im Sinne der DIN Teil 12 zu zählen. Wie bei den Feldabflussspeichern beginnt der Einstau, sobald die Leistungsfähigkeit des Auslassbauwerks überschritten wird. In der Literatur gibt es bislang keine einheitliche Festlegung der maximalen Größe von dezentralen Kleinrückhaltebecken. Der Grund dafür ist, dass die Einstufung eines Beckens als dezentral vom betrachteten Maßstab, also der Größe des Einzugsgebiets, abhängig ist (REINHARDT 2010). In dieser Arbeit wird die von der DIN Teil 12 vorgegebene obere Volumengrenze von m 3 verwendet, so dass alle Maßnahmen in die Kategorie sehr kleine Hochwasserrückhaltebecken fallen. Damit kleinere Becken die bereits angesprochenen hohen Anforderungen der DIN Teil 12 nicht erfüllen müssen, führt die DWA (2013a) eine gesonderte Kategorie ein. Die kleinsten Stauanlagen haben ein Volumen von weniger als m 3 und ein Absperrbauwerk kleiner 2 m. Die genauen Mindestanforderungen an diese Bauwerkskategorie können dem Merkblatt DWA-M 522 (Entwurf) entnommen werden. Bei ungünstigen topographischen Verhältnissen im Unterlauf oder bei hohem Gefährdungspotential darf diese Kategorie allerdings nicht verwendet werden. Hochwasserrückhaltebecken lassen sich weiterhin in gesteuerte und ungesteuerte Becken unterteilen. Gesteuerte Becken können durch ihre Drosseleinrichtung den Abfluss aus dem Becken regeln. Somit kann beispielsweise eine konstante Abgabe erfolgen oder das Becken gezielt auf ein Hochwasserereignis eingestellt werden. Aufgrund des hohen Betriebsaufwands durch die große Anzahl der Becken ist diese Ausführung für dezentrale Kleinrückhaltebecken jedoch nicht praktikabel. Sie werden deshalb in der Regel als ungesteuerte Becken ausgeführt. Der Einstaugrad dezentraler Kleinrückhaltebecken ergibt sich damit alleine durch die hydraulische Leistungsfähigkeit der Ablässe (REINHARDT 2010). Dies ist neben der Beckengröße das wichtigste Unterscheidungsmerkmal zu den zentralen Hochwasserschutzbecken, deren Abfluss steuerbar ist. Ein weiteres Unterscheidungskriterium für Hochwasserschutzbecken stellt deren Betriebsweise dar. Es wird zwischen Trockenbecken und Becken im Dauerstau differenziert. Trockenbecken dienen alleine dem Hochwasserschutz, der Einstau beginnt erst bei Überschreitung der Leistungsfähigkeit des Grundablasses (VISCHER et al. 1992). Becken im Dauerstau haben neben dem Hochwasserschutz noch weitere Funktionen. Sie dienen zum Beispiel als Fischteich oder werden zur Stromerzeugung genutzt. Da ein Teil des Beckens dauerhaft mit Wasser gefüllt ist, steht nur das restliche Beckenvolumen für den Hochwasserschutz zur Verfügung (REINHARDT 2010).

14 2 Dezentrale Kleinrückhaltebecken 7 Standorte Als Standorte für dezentrale Hochwasserrückhaltebecken sind hügelige Landschaften besonders geeignet. Hier können die natürlichen Vertiefungen ohne größeren Aufwand durch Erdarbeiten zu Hochwasserrückhaltebecken ausgebaut werden. Als Richtwert für geeignete Einzugsgebiete kann eine Verfügbarkeit von mindestens m 3 Rückhaltevolumen pro Quadratkilometer gelten (DWA 2013b). Geeignete Standorte liegen vor allem in Talauen und an der Einmündung kleinerer Seitentäler. Dabei ist darauf zu achten, dass ein möglicher Standort nicht bereits besiedelt ist Technische Ausführung Der folgende Abschnitt soll eine kurze Übersicht über die technische Ausführung von dezentralen Kleinrückhaltebecken bieten. Genauere Informationen finden sich unter anderem in DWA (2013a), VISCHER et al. (1992) und DIN (2004). Absperrbauwerk Das Absperrbauwerk dient der Schaffung eines Retentionsraums zum Aufstau des Wassers. Für dezentrale Kleinrückhaltebecken wird dabei meist ein Damm verwendet. Die gängigsten Varianten sind der homogene Erddamm, der Zonendamm, der Damm mit Oberflächenabdichtung sowie der Damm mit Innendichtung (DWA 2013a, S.18ff). Eine Übersicht der erforderlichen Nachweise für Absperrbauwerke befindet sich im selben Merkblatt auf Seite 28. Wird der Retentionsraum nur durch Ausgrabung einer Vertiefung erzeugt, ist kein gesondertes Absperrbauwerk zu errichten. Die Sicherheit der Böschungen muss bei solchen Erdbecken gegeben sein. Freibord Unter dem Freibord wird der lotrechte Abstand zwischen dem höchsten Stauziel und der Krone des Absperrbauwerks verstanden (ATV-DVWK 1997). Er dient vor allem dazu, ein Überschwappen von Wellen auf die luftseitige Dammböschung zu verhindern, da diese dort große Schäden anrichten können. Bei sehr kleinen Becken kann das Freibord pauschal auf 0,5 m festgesetzt werden. Einen rechnerischen Nachweis, der die Komponenten Windstau, Wellenauflauf und gegebenenfalls Eisstau beinhaltet, ist nach DIN Teil 12 nur für kleine, mittlere und große Becken vorgesehen. Grundablass Als Grundablass kommt meist eine einfach Rohrdrossel zum Einsatz, teilweise wird auch ein Schütz verwendet. Der Grundablass wirkt bei Normalabfluss als Freispiegelgerinne und

15 2 Dezentrale Kleinrückhaltebecken 8 stellt so die ökologische Durchgängigkeit sicher. Bei erfolgtem Einstau wirkt der Grundablass als Drossel, die den Abfluss ins Unterwasser reguliert (VISCHER et al. 1992). Die genaue Funktionsweise ist in Kapitel erklärt. Hochwasserentlastungsanlage Die Hochwasserentlastungsanlage dient dem schadfreien Abführen des Abflusses bei einer Überlastung des Beckens. Dabei kommen unterschiedliche Systeme zum Einsatz (DWA 2013a): Überströmbarer Dammbereich (Dammscharte) Feste Überfälle ohne Verschlüsse, auch mit Sammel- und Schussrinne Überfälle mit aufgesetzten beweglichen Verschlüssen (z.b. Fischbauchklappe) Verschließbare Öffnungen unterhalb des Vollstaus Nicht verschließbare Öffnungen (Dammschlitzung, Durchlass, Stollen, Gewölbe) Vor allem die beiden erstgenannten Varianten kommen häufig zum Einsatz, da sie unempfindlich gegen Verlegung und überlastbar sind (DWA 2013a). Neben dem Grundablass und der Hochwasserentlastungsanlage gibt es noch eine Reihe weiterer Betriebseinrichtungen wie beispielsweise Entnahmeanlagen oder Betriebsablässe. Auf diese Einrichtungen wird in dieser Arbeit nicht genauer eingegangen. Hier sei auf die zu Beginn des Kapitels genannte Literatur verwiesen Bemessungshochwasser Zur Dimensionierung von Hochwasserrückhaltebecken werden Bemessungshochwasser verwendet. Die Jährlichkeiten der Bemessungshochwasser sind in der DIN Teil 12 festgelegt (Tabelle 2.1). Tabelle 2.1: Jährlichkeiten der Bemessungszuflüsse (DIN Teil 12 (2004)) Stauanlagenart BHQ 1 BHQ 2 Sehr kleine Stauanlagen 200a 1000a Der Hochwasserbemessungsfall 1 (BHQ 1 ) dient der Bemessung der Hochwasserentlastungsanlage. Tragsicherheit und Gebrauchstauglichkeit der Anlage sind bis zu diesem Ereignis sicherzustellen. Der Hochwasserbemessungsfall 2 (BHQ 2 ) stellt den Nachweis der Anlagensicherheit bei Extremhochwasser dar. Beschädigungen von Betriebs- und Messeinrichtungen sowie von Bauwerksteilen können dabei in Kauf genommen werden, solange die Standsicherheit des Absperrbauwerks nicht gefährdet ist. Für den Fall, dass bei Versagen der Anlage nur

16 2 Dezentrale Kleinrückhaltebecken 9 Auswirkungen von untergeordneter Bedeutung im Unterliegergebiet zu erwarten sind (DWA 2013a), dürfen die Jährlichkeiten der Bemessungshochwasser reduziert werden (Tabelle 2.2). Tabelle 2.2: Reduzierte Jährlichkeiten der Bemessungszuflüsse (DIN Teil 12 (2004)) Stauanlagenart BHQ 1 BHQ 2 Sehr kleine Stauanlagen 100a 500a Der Hochwasserbemessungsfall 3 (BHQ 3 ) wird zur Bestimmung des gewöhnlichen Hochwasserrückhalteraums verwendet. Er ergibt sich aus den Anforderungen der Unterlieger an die Schutzwirkung und aus wirtschaftlichen Erwägungen (DWA 2013a) Kosten Die Kosten für dezentrale Kleinrückhaltebecken setzen sich vor allem aus den Komponenten Grunderwerb, Dammkonstruktion, Hochwasserentlastung und Planung zusammen. Für sehr kleine Becken von bis m 3 gibt das Merkblatt DWA-M 550 (Entwurf) eine Kostenabschätzung von bis C an. Durch die Nutzung bestehender Geländestrukturen können Kosten gesenkt und der Eingriff in den Naturhaushalt minimiert werden. Die Hochwasserentlastung stellt einen erheblichen Kostenteil dar, Lösungen wie überströmbare Dammbereiche, Anlagen im Nebenschluss oder eine Entlastung über bestehende Asphaltwege können Kosten reduzieren. Für die größeren Kleinrückhalte bis m 3 sind die Kosten pro m 3 oft geringer als bei den kleineren Anlagen. Allerdings stehen durch die höheren Anforderungen an die Geländestruktur weniger Standorte zur Verfügung. So können die Grunderwerbskosten steigen, wenn keine Ausweichmöglichkeit gegeben ist. Aufgrund des hohen Flächenbedarfs gestaltet sich auch der Erwerb der Grundstücke schwieriger, da mehrere Eigentümer betroffen sein können. Eine mögliche Lösung ist, nur die Dammaufstandsflächen zu erwerben und für den Stauraum Entschädigungen zu zahlen (DWA 2013b). Entscheidend für die Höhe der Kosten ist, ob die Anlage als Hochwasserrückhaltebecken nach DIN Teil 12 eingestuft wird. Die bereits in Kapitel genannten Anforderungen habe einen für die Größe der Anlagen unverhältnismäßigen baulichen und finanziellen Aufwand zur Folge. So kommt es beispielsweise durch das nötige Freibord von 0,5 m zu einer starken Reduzierung des Rückhaltevolumens. Eine weitere Schwierigkeit ergibt sich aus der gewünschten Nutzung vorhandener Dammstrukturen (DWA 2013b). Da sie die Anforderungen der DIN Teil 12 an Standsicherheit und Dichtheit nicht erfüllen, müssen kostenintensive bauliche Ergänzungen vorgenommen werden. Ein Ausweg bietet die bereits angesprochene Einführung einer gesonderten Kategorie, in der die Anforderungen der DIN Teil 12 bei geringem Gefährdungspotential nur reduziert Anwendung finden.

17 2 Dezentrale Kleinrückhaltebecken Wirkungsweise Natürlicher Abflussprozess Der natürliche Abflussprozess lässt sich in Abflussbildung, Abflusskonzentration und den Wellenablauf im Gerinne unterteilen (Abbildung 2.1). Bei der Abflussbildung wird der abflusswirksame Niederschlag (Effektivniederschlag) vom Gesamtniederschlag abgetrennt. Der restliche Niederschlag verbleibt durch Infiltration und Interzeption im Einzugsgebiet, verdunstet oder fließt zeitlich stark verzögert als Basisabfluss dem Gewässer zu. Abbildung 2.1: Schematische Darstellung des Abflussprozesses (BAUMGARTNER et al. 1996) Die Abflusskonzentration beschreibt den zeitlichen Verlauf des oberflächennahen und oberflächlichen Abfließens des Effektivniederschlags zum Gebietsauslass. Einflussfaktoren sind hierbei die Oberflächenrauheit im Einzugsgebiet, vorhandene Speicherräume, sowie die Gewässerstruktur (RIEGER 2012). Der Wellenablauf beschreibt schließlich die Fortpflanzung (Translation) und die Verformung (Retention) der Welle im Gerinne und in den Vorländern. Unterschieden wird dabei in stehende und fließende Retention. Unter stehender Retention wird die Verformung der Hochwasserwelle beim Durchlaufen stehender Gewässer wie Hochwasserrückhaltebecken, Polder oder Seen verstanden. Sie äußert sich durch eine verzögerte Abgabe des abfließenden Wassers an die Unterlieger (RIEGER 2012). Die fließende Retention entsteht durch Rückhalteffekte beim Durchfließen eines Gewässerabschnitts. Sie kann bereits im Gerinne einsetzen, wirksam wird sie aber vor allem bei Ausuferungen. Das Potential zur Verformung der Welle steigt durch den stark verbreiterten Fließquerschnitt und die Fließgeschwindigkeitsgradiente zwischen

18 2 Dezentrale Kleinrückhaltebecken 11 Gerinne und Vorland. Verstärkt wird dieser Effekt durch besonders große Fließwiderstände in Auenwäldern oder Saumstreifen (MARENBACH 2002) Retentionswirkung Dezentrale Kleinrückhalte entfalten ihre Wirkung vor allem im Prozess der Abflusskonzentration. Durch ihre räumlich verteilte Lage an kleinen Gewässern bewirken sie eine zeitliche Verzögerung des Abflusses aus dem Einzugsgebiet. Die Einzelbecken speichern dabei einen Teil des Zuflusses zwischen und bewirken so durch den Effekt der stehenden Retention die Verzögerung und Dämpfung der Abflussspitze (MARENBACH 2002). Somit beeinflussen dezentrale Kleinrückhaltebecken auch den Wellenablauf. Dabei ist anzumerken, dass es durch die reduzierte Wasserabgabe aus dem Becken im weiteren Gewässerverlauf zu geringeren Ausuferungen und somit zu einer Minderung der fließenden Retention kommen kann (DWA 2013b). Das Prinzip der stehenden Retention ist in Abbildung 2.2 (VISCHER et al. 1992) dargestellt. Abbildung 2.2: Prinzip der stehenden Retention: Abminderung der Hochwasserspitze um Q und Verzögerung um t; durchgezogene Linie: Zuflussganglinie; gestrichelte Linie: Ausflussganglinie; schraffierte Fläche: Retentionsvolumen R (VISCHER et al. 1992) Die Änderung des Speichervolumens im Rückhaltebecken kann folgendermaßen ausgedrückt werden (WITTENBERG 2011): t+ t t Q zu (τ) dτ t+ t t Q ab (τ) dτ = S(t+ t) mit S = Speicherinhalt, zeitabhängig [z.b. m 3 ] Q zu = Zufluss zum Speicher, zeitabhängig [z.b. m 3 /s] Q ab = Ausfluss aus dem Speicher, zeitabhängig [z.b. m 3 /s] S(t) ds (2.1)

19 2 Dezentrale Kleinrückhaltebecken 12 Häufig findet eine einfache Rohrdrossel als Grundablass Verwendung, diese wirkt bei Normalabfluss als Freispiegelgerinne. Steigt der Abfluss infolge eines Hochwasserereignisses soweit an, dass die hydraulische Leistungsfähigkeit der Drossel überschritten wird, kommt es zum Einstau. Ein Teil des Wassers bleibt vorübergehend im Becken zurück. Durch den hydrostatischen Druck des Aufstaus wirkt der Grundablass nun als Druckleitung. Die Abgabe durch den Grundablass ist dabei eine Funktion des Wasserstands im Becken, der Anströmgeschwindigkeit und der durchflossenen Fläche. Berechnen lässt sich die Drosselabgabe mit der Formel für den vollkommenen Abfluss als Grundstrahl nach TORRICELLI: Q ab = µ A 2 g (h w + h k0 ) (2.2) wobei mit Q ab = Drosselabgabe [m 3 /s] µ = Ausflussbeiwert [ ] A = Drosselöffnung [m 2 ] h k0 = v2 0 2 g g = Erdbeschleunigung: 9,81 m/s 2 h w = Höhendifferenz zwischen Wasserspiegellage im Oberwasser und Auslassmittelpunkt [m] h k0 = Geschwindigkeitshöhe [m] v 0 = Anströmgeschwindigkeit des Auslasses [m/s] (2.3) Steigt der Wasserspiegel im Becken an, erhöht sich der hydrostatische Druck und damit die Drosselabgabe. Somit beschreibt die Ganglinie am Beckenauslass einen ähnlichen Verlauf wie die Hochwasserganglinie am Beckenzulauf. Durch den Einstau kommt es jedoch zu einer Dämpfung der Abflussspitze und zu einer zeitlichen Verzögerung der Abgabe (vgl. Abbildung 2.2). Unmittelbar nach dem Vollstau beginnt die Entleerung des Beckens, das Volumen der Hochwasserwelle bleibt dabei unverändert (WEGNER 1992; DWA 2006). Diese Funktionsweise gilt nur für vom Gewässer durchflossene Becken mit Grundablass. Die in Kapitel beschriebenen Muldenspeicher verfügen über keinen solchen Ablass aus dem Becken. Das in ihnen gespeicherte Wasser kann nicht mehr abfließen, sondern versickert oder verdunstet. Dadurch kommt es bei Muldenspeichern anstelle einer Verzögerung und Dämpfung der Abflussspitze zu einer tatsächlichen Reduzierung des Abflussvolumens. Problematisch ist diese Ausführung bei zeitlich dicht aufeinanderfolgenden Ereignissen, da die Versickerung und Verdunstung viel Zeit benötigt. Kommt es zu einem weiteren Hochwasserereignis bevor der Speicher komplett entleert ist, steht nur ein reduziertes Rückhaltevolumen zur Verfügung.

20 2 Dezentrale Kleinrückhaltebecken Wirksamkeit - Stand der Forschung Zur Wirksamkeit dezentraler Kleinrückhaltebecken lässt sich keine pauschale Aussage treffen, da diese stark vom jeweiligen Einzugsgebiet abhängt (WEGNER 1992; DWA 2006). Eigenschaften wie die Gewässerstruktur, die Art der Böden sowie die Landnutzung sind von Bedeutung. Einen entscheidenden Einfluss hat auch die Topographie, da nur bei wellenförmigem Gelände überhaupt eine ausreichende Anzahl von Standorten für die Becken zur Verfügung steht (vgl. Kapitel 2.1.1). Je nach Einzugsgebiet kann das verfügbare Potential für Standorte deutlich vom Bedarf abweichen (DWA 2013b). Die Forschungsergebnisse in Tabelle 2.3 zeigen eine Korrelation zwischen Einzugsgebietsgröße und Wirksamkeit. Je kleiner ein Einzugsgebiet ist, desto wirksamer sind die dezentralen Kleinrückhalte. RIEGER (2012) setzt die maximale Einzugsgebietsgröße, bei der durch dezentrale Kleinrückhaltebecken auch bei seltenen Hochwasserereignissen noch eine Wirksamkeit nachgewiesen werden kann, bei etwa 500 km 2 an. REINHARDT (2010) verwendet dafür die Definition für mesoskalige Einzugsgebiete nach BECKER von km 2. Er weist aber darauf hin, dass es auch in größeren Einzugsgebieten zu messbaren Verbesserungen kommen kann, wenn die dezentralen Kleinrückhalte flächendeckend umgesetzt sind. Tabelle 2.3: Untersuchungen zur Wirksamkeit dezentraler Kleinrückhalte der letzten 10 Jahre (DWA 2013b, verändert) Maßnahme Gebiet Scheitelabflussreduzierung Quellen Jahr 32 Obere Flöha 9,9 % Gebietsauslass REINHARDT 2011 ungesteuerte HRB 228 km 2 (HQ100) bis 48 % in Quellgebieten et al. 17 Kleinrückhalte Windach 13,8 % (HQ10) RIEGER km 2 9,5% (HQ100) 9 dezentrale Natzschung 17 % (Augusthochwasser BÖLSCHER & 2008 RHB 75 km ) SCHULTE Kleinrückhalte Thalfanger 30 % (> HQ100) KREITER 2007 bis m 3 Bach 17 km 2 Kleinrückhalte Prims 5 % (HQ50) KREITER 2007 bis m km 2 3 % (HQ100) Kleinrückhalte Obere Blies 50 % (> HQ100) KREITER 2007 bis m 3 8,5 km 2 Kleinrückhalte Blies 4 % (HQ50) KREITER 2007 bis m km 2 2 % (HQ100) Dezentrale Rückhalte ungesteuert Fulda und Diemel km 2 und ca. 4 % (HQ10 bis HQ100) bis 30 % (lokal) RÖTTCHER & THEOBALD 2007 Dezentrale Retentionsräume km 2 Erpe <5 % (HQ2 und HQ5) 135 km 2 ca. 15 % (HQ50 und HQ100) RÖTTCHER 2005

21 2 Dezentrale Kleinrückhaltebecken 14 Die Größe des Einzugsgebiets ist demnach nicht der einzige entscheidende Faktor für die Wirksamkeit des Beckens. Deutlich aussagekräftiger ist stattdessen das Verhältnis von Summe der Retentionsvolumina aller Becken eines Einzugsgebiets zu Einzugsgebietsgröße. Dieses Verhältnis wird durch das spezifische Volumen (sv) ausgedrückt (KREITER 2006). mit sv = V KRH A E 10 3 (2.4) sv = spezifisches Volumen [mm] V KRH = Gesamtvolumen aller Kleinrückhalte im Einzugsgebiet [m 3 ] A E = Einzugsgebietsgröße des betrachteten Gebiets [km 2 ] Mit einer deutlichen Hochwasserschutzwirkung kann nach KREITER (2006) ab einem spezifischen Volumen von sv = 2 mm gerechnet werden. Diese Aussage konnte von RIEGER (2012) in einer späteren Untersuchung bestätigt werden. Durch das geringe Speichervolumen der Einzelbecken ist für größere Einzugsgebiete eine Vielzahl von Becken nötig, um ein signifikantes spezifisches Volumen zu erreichen. Dabei muss neben der Anzahl der Becken auch ihre Verteilung im Gebiet berücksichtigt werden. Sind mehrere Rückhaltebecken in einem Einzugsgebiet vorhanden kommt es zu Überlagerungseffekten der einzelnen Becken. Dies verkompliziert die Ermittlung der Wirksamkeit erheblich (VISCHER et al. 1992). Die Überlagerung von Wellen tritt ganz natürlich an Punkten auf an denen Gewässer zusammenfließen. Da die Becken das Abflussgeschehen verändern, wird auch die zeitliche Überlagerung beeinflusst. Lokal kann es dabei durch ungünstige Überlagerungen zu einer Abflussverschärfung kommen. Diese Verschlechterung des Hochwasserschutzes an bestimmten Punkten gilt es bei der Planung zu vermeiden (DWA 2013b). Neben Aussagen zur Größe des Einzugsgebiets und zum spezifischen Volumen lassen sich auch Aussagen zum Volumen der Einzelbecken treffen. So sollte das Volumen eines Beckens ein Mindestmaß von m 3 nicht unterschreiten, da das Becken sonst bereits vor Eintreffen des Hochwasserscheitels gefüllt ist und seine Wirksamkeit nicht mehr entfalten kann (RIEGER 2012). Ausnahmen bilden Becken, die über ein sehr kleines Einzugsgebiet verfügen (einige Hektar) und häufig als Hochwasserschutzmaßnahme für kleine Wohngebiete dienen. Bei einem Wirksamkeitsvergleich von Kleinrückhalten bei verschiedenen Hochwasserereignissen zeigt sich, dass die erzielten Scheitelabminderungen bei advektiven Ereignissen im Mittel geringer sind als bei konvektiven. Daraus lässt sich ableiten, dass weniger der Scheitelabfluss sondern vielmehr das Abflussvolumen entscheidend für das Retentionspotential der Becken ist. Insbesondere das Abflussvolumen vor Erreichen des Hochwasserscheitels spielt eine entscheidende Rolle, da die relativ kleinen Becken bei großen Abflussvolumina dazu neigen, sich zu früh zu füllen. Die schnell anschwellenden konvektiven Ereignisse können

22 2 Dezentrale Kleinrückhaltebecken 15 also effektiver gemindert werden als die langsam ansteigenden volumenreichen advektiven Ereignisse (RIEGER 2012). Neben den bereits besprochenen Faktoren Einzugsgebietsgröße, spezifisches Volumen und Beckengröße, ist die Drossel ein weiterer entscheidender Faktor für die Wirksamkeit von Kleinrückhalten. Bei einer zu klein gewählten Drosselöffnung kommt es bereits vor Erreichen des Hochwasserscheitels zum Vollstau. Das Becken läuft im weiteren Verlauf des Ereignisses über und verliert so seine Wirksamkeit (VISCHER et al. 1992). Weiterhin ist durch das Überlaufen des Stauraums die Standsicherheit des Damms gefährdet. Wird die Drosselöffnung dagegen zu groß gewählt, kommt es während des Hochwasserereignisses zu keinem Vollstau, da zu viel Wasser aus dem Becken abgegeben wird. Infolgedessen bleibt ein Teil des zur Verfügung stehenden Stauraums ungenutzt, wodurch Potentiale zur Scheitelabminderung verloren gehen (KREITER 2006). Wenn die Drossel mit einem Regulierungsorgan wie beispielsweise einem Schieber ausgestattet ist, kann die Drosselweite in einer gewissen Bandbreite reguliert werden. Für jede individuelle Hochwasserwelle gibt es auch eine optimale Drosseleinstellung, die das zur Verfügung stehende Stauvolumen am effektivsten nutzt. Durch eine Anpassung der Drosselweite kann das Becken somit Hochwasserereignisse unterschiedlicher Jährlichkeiten abmindern. Da es sich bei Kleinrückhalten aber um ungesteuerte Becken handelt, ist diese Anpassung nur bei leeren Becken möglich. Sie muss deshalb bereits vor dem Auftreten des eigentlichen Ereignisses also auf der Grundlage einer Hochwasservorhersage erfolgen. Um das Potential von Kleinrückhalten voll ausschöpfen zu können, ist somit eine möglichst präzise Hochwasservorhersage nötig. Eine derartige Optimierung bleibt aufgrund der schlechten Vorhersagbarkeit von konvektiven Ereignissen auf advektive Ereignisse beschränkt (vgl. REINHARDT 2010). In der Praxis findet eine derartige kurzfristige Anpassung der Drosselweite an vorhergesagte Ereignisse selten statt. Die Drosseln werden stattdessen bereits in der Planung auf ein bestimmtes Ereignis hin optimiert. Deutet häufiges Überlaufen oder nicht vorhandener Einstau während des Betriebs auf eine schlecht angepasste Drosselweite hin, kann diese auf Grundlage der gewonnenen Erfahrungen neu justiert werden. Meist wird die Drossel so gewählt, dass es bei den unmittelbaren Unterliegern zu keinen Überschwemmungen kommt. Den größten Nutzen bei einmaliger Einstellung der Drosselweite können dezentrale Kleinrückhalte bei einer Anpassung an geringe bis mittlere Ereignisse bieten. (RIEGER 2012). 2.4 Regelungen in Bayern Zuständigkeiten In Abhängigkeit der Gewässerordnung, an dem eine Maßnahme umgesetzt werden soll, ergeben sich unterschiedliche Zuständigkeiten (Tabelle 2.4). Für größeren Gewässer (1. und 2. Ordnung) plant und verwirklicht die Wasserwirtschaftsverwaltung die Hochwasserschutzkon-

23 2 Dezentrale Kleinrückhaltebecken 16 zepte. Weitere Aufgaben der Verwaltung sind die Beratung und Förderung der Gemeinden sowie die Erstellung und Herausgabe von Hochwasservorhersagen und -meldungen. Tabelle 2.4: Zuständigkeiten nach Gewässerordnung (STMUV 2014) Gewässerordnung Gewässerart Zuständigkeit Gewässer 1. Ordnung große Flüsse Wasserwirtschaftsämter Gewässer 2. Ordnung kleine Flüsse Wasserwirtschaftsämter Gewässer 3. Ordnung Bäche, Gräben Gemeinden Die Landratsämter weisen auf Vorschlag der Wasserwirtschaftsämter Überschwemmungsgebiete aus. Weiterhin genehmigen sie die Durchführung von Hochwasserschutzmaßnahmen. Dezentrale Kleinrückhaltebecken befinden sich meist an Gewässern 3. Ordnung, hierfür sind die Städte und Gemeinden zuständig. Sie müssen auch das Freihalten von Überschwemmungsgebieten bei der kommunalen Bauleitplanung berücksichtigen (STMUV 2014) Genehmigungsablauf bei Gewässern 3. Ordnung Der Anstoß zur Planung und Umsetzung einer Hochwasserschutzmaßnahme an Gewässern 3. Ordnung geht von der Gemeinde aus. Diese wendet sich, nachdem eine Hochwassergefahr erkannt wurde, an das zuständige Wasserwirtschaftsamt. Das Wasserwirtschaftsamt prüft, ob Fördervoraussetzungen gegeben sind und steht der Gemeinde während des weiteren Vorgehens beratend zur Seite. Weiterhin ermittelt das Wasserwirtschaftsamt die für die Planung benötigten Bemessungshochwasser. Geplant wird die Maßnahme schließlich von einem von der Gemeinde beauftragten Ingenieurbüro. (STMUG 2013).

24 17 3 Datengrundlage und -erfassung Zur Modellierung der Kleinrückhaltebecken sind eine Reihe von Informationen nötig. Die verwendeten Daten sowie sämtliche erfassten Parameter sind in diesem Kapitel beschrieben. 3.1 Ausgangslage Datenbank Hochwasserrückhaltebecken Bayern Als Datengrundlage dient eine vom Landesamt für Umwelt zur Verfügung gestellte GIS- Datenbank der in Bayern umgesetzten Hochwasserrückhaltebecken. Die Datenbank enthält Einträge über insgesamt 496 Becken. Diese werden in einem ersten Schritt auf die Region Oberbayern eingegrenzt, wodurch noch 167 Becken verbleiben. Da ausschließlich dezentrale Kleinrückhaltebecken (vgl. Kapitel 2.1) betrachtet werden sollen, reduziert sich die Zahl der für die Untersuchung in Frage kommenden Becken weiter. Die entsprechenden Selektionskriterien sind in Kapitel aufgeführt. Um fehlende Daten zu vervollständigen werden Befragungen der zuständigen Wasserwirtschaftsämter, der Gemeinden sowie der planenden Ingenieurbüros durchgeführt. Die letztlich für die Untersuchung der Wirksamkeit herangezogenen Becken sind in Kapitel 3.3 beschrieben und im Anhang aufgelistet Datenerfassung mit ArcMap Bei ArcMap handelt es sich um eine Anwendung von ArcGIS 10.2 for Desktop der Firma ESRI. Mit ArcMap lässt sich Geoinformation editieren, analysieren und grafisch darstellen. Im Rahmen dieser Arbeit findet ArcMap hauptsächlich zur Erfassung einiger Gebietsparameter der Becken Verwendung (Kapitel 3.2.2). 3.2 Erfasste Parameter Beckenparameter Die vorliegenden Hochwasserrückhaltebecken in Oberbayern werden zunächst nach ihrem Stauvolumen sowie der Drosselausführung selektiert (Tabelle 3.1). Wie in Kapitel definiert, sind nur Becken mit ungesteuerter Drossel als dezentrale Kleinrückhaltebecken zu verstehen. Die obere Grenze des Stauvolumens von m 3 ergibt sich aus der DIN

25 3 Datengrundlage und -erfassung 18 Teil 12, wodurch alle betrachteten Kleinrückhalte in die Kategorie der sehr kleinen Becken fallen. Tabelle 3.1: Randbedingungen für die Auswahl der Becken Stauvolumen m 3 Drosselausführung ungesteuert Höhe des Absperrbauwerks und Freibord Die DIN Teil 12 schreibt für die Kategorie der sehr kleinen Becken eine maximale Höhe des Absperrbauwerks von 4 m vor. Insgesamt sieben der betrachteten Becken überschreiten diese Höhe und müssen daher in eine übergeordnete Kategorie eingestuft werden. Dennoch findet kein Ausschluss dieser Becken statt, um die Anzahl der betrachteten Becken nicht noch weiter reduzieren zu müssen (vgl. Kapitel 3.3). Drosselweite Die Drosselweite ist zur Berechnung des Beckenausflusses und damit zur Modellierung der Becken essentiell. Dieser Parameter ist in der Datenbank des Landesamts für Umwelt nicht enthalten und wird daher über Befragungen von Wasserwirtschaftsämtern, Kommunen und Ingenieurbüros erhoben Gebietsparameter Neben den genannten Beckenparametern sind weitere dem Einzugsgebiet zuzuordnende Größen von Bedeutung. Einzugsgebietsgröße Die Einzugsgebietsgröße wird soweit vorliegend aus der Datenbank entnommen beziehungsweise bei den Gemeinden und Ingenieurbüros nachgefragt. Darüber hinaus erfolgt für alle Becken die Bestimmung der Einzugsgebiete mithilfe von ArcMap. Dies ist nötig um später die An- und Ablaufzeiten des Einzugsgebiets berechnen zu können. Als Grundlage dient dabei ein digitales Geländemodell der Region Oberbayern in der Auflösung von 25 x 25 m (DGM25m). Dieses als Text-Datei vorliegende Geländemodell wird zunächst durch Inverse Distance Weighting in eine Rasterdatei konvertiert. Dabei kann es zur Bildung von Senken kommen. Senken sind Zellen, die keine tiefere Zelle in ihrer unmittelbaren Umgebung haben. In diese Zelle fließendes Wasser kann also nicht mehr daraus abfließen. Dadurch können Probleme bei der späteren Modellierung der Wasserscheiden entstehen (ARCGIS 2014). Aus

26 3 Datengrundlage und -erfassung 19 diesem Grund werden im Anschluss an die Interpolation mögliche Senken mit der Fill Funktion aus dem Raster entfernt. Die Berechnung der Fließrichtung erfolgt daraufhin mithilfe der Flow Direction Funktion. Diese bestimmt für jede Zelle in welche der neun Nachbarzellen das Wasser abfließt. Ausgewählt wird diejenige Nachbarzelle mit dem größten berechneten Gefälle. Jede Nachbarzelle ist mit einer Zahl zwischen 1 und 128 codiert (Abbildung 3.1). Als Eingangsdatei für die Berechnung dient hier das von Senken bereinigte Oberflächenmodell (ARCGIS 2014). Abbildung 3.1: Schema der Nachbarzellencodierung für die Flow Direction Funktion (ARCGIS (2014), verändert) Aus dem Flow Direction Raster können schließlich die Einzugsgebiete der Becken berechnet werden. Dazu müssen zunächst die als Punktdatei vorliegenden Becken in ein Raster konvertiert werden. Dieses bildet zusammen mit dem Flow Direction Raster die Eingangsdaten für die Watersheds Funktion, welche die jeweiligen Einzugsgebiete der Becken aus den berechneten Fließrichtungen bestimmt. Abbildung 3.2: Ergebnis der Einzugsgebietsberechnung mittels Watersheds Funktion, Rückhaltebecken (rot), Einzugsgebiete (hell und dunkelbraun), errechnete Fließwege (blau) sowie Flächen der Hochwasserquantile (schwarz umrandet)

27 3 Datengrundlage und -erfassung 20 In Abbildung 3.2 ist das Ergebnis der Einzugsgebietsberechnung für zwei Becken dargestellt. Es ist erkennbar, dass die Einzugsgebiete über die selben Grenzen verfügen wie die Flächen der Hochwasserquantile. Dies wurde zur Plausibilitätsprüfung der berechneten Einzugsgebiete bei allen Becken kontrolliert. In Blau sind die errechneten Fließwege dargestellt. Je dunkler das Blau, desto länger ist der bis dahin zurückgelegte Fließweg. Hier ist gut erkennbar, dass sich der jeweilige Hauptfließweg aus den Einzugsgebieten genau durch die Rückhaltebecken erstreckt. Abflussdaten Abbildung 3.3: Ausschnitt aus dem Flächenverzeichnis der Hochwasserquantile des Ingenieurbüros IAWG Ottobrunn Die Bestimmung der Scheitelabflüsse erfolgt mittels flächendetaillierter Hochwasserquantile. Diese wurden vom Ingenieurbüro IAWG Ottobrunn herausgegeben und für diese Arbeit vom Landesamt für Umwelt zur Verfügung gestellt. Die Daten enthalten ein zusammenhängendes Netz von Flächen (Abbildung 3.3). Jedem Ausflusspunkt einer Fläche sind die Einzugsgebietsgröße sowie die zugehörigen Scheitelabflüsse zugeordnet. Da die betrachteten Kleinrückhalte nicht direkt an den Ausflusspunkten liegen, werden die zugehörigen Scheitelabflüsse über das Verhältnis der Einzugsgebietsgrößen errechnet. mit HQ B,t = A E A F HQ F,t (3.1) HQ B,t = dem Becken zugeordneter Scheitelabfluss der Jährlichkeit t [m 3 /s] A E = Einzugsgebiet des Beckens [km 2 ] A F = Einzugsgebiet des Ausflusspunkts [km 2 ] HQ F,t = dem Teilgebiet zugeordneter Scheitelabfluss der Jährlichkeit t [m 3 /s]

28 3 Datengrundlage und -erfassung 21 Die für die Simulation benötigten Abflussdaten bestehen neben den Scheitelabflüssen auch aus den Basisabflüssen. Da diese nicht flächendetailliert vorliegen, werden die Basisabflüsse nahe gelegener Pegel verwendet (BAYLFW REF ). Daraus lassen sich die Basisabflüsse der Becken über das Verhältnis der Einzugsgebietsgrößen ableiten. Steht kein Pegel in der näheren Umgebung eines Beckens zur Verfügung steht, wird ein Schätzwert von 5 % des HQ100-Abflusses als Basisabfluss verwendet. An- und Ablaufzeiten Neben dem Scheitelabfluss und dem Basisabfluss ist der zeitliche Verlauf des Hochwasserereignisses die dritte benötigte Größe. Beschreiben lässt sich der zeitliche Verlauf über die An- und Ablaufzeit. Die Anlaufzeit steht dabei für die Zeit vom Einsetzen des Oberflächenabflusses bis zum Scheitelabfluss. Die Ablaufzeit beschreibt die Dauer vom Erreichen des Scheitelabflusses bis zur Rückkehr zum Basisabfluss (Abbildung 3.4). Sowohl die An- wie auch die Ablaufzeit sind nicht ereignisabhängig, sondern Eigenschaften des Einzugsgebiets. Diese ergeben sich aus den morphologischen und topografischen Gegebenheiten (BAYLFW REF ). Zur Abschätzung der Anlaufzeit wird die KIRPICH-Formel verwendet. Das Verfahren ist nur mit folgenden Einschränkungen zu verwenden: Fläche des Einzugsgebiets kleiner 30 km 2 keine steilen, alpinen Einzugsgebiete keine stark klüftigen oder durchlässigen Einzugsgebiete Die Formel zur Bestimmung der Anlaufzeit wird in der für Bayern angepassten Form verwendet (BAYLFW REF ). t an = 227 (L 3 / h) 0,385 (3.2) mit t an = Anlaufzeit [min] L = maximale Fließlänge im Einzugsgebiet [km] h = max. Höhenunterschied im Einzugsgebiet [m] Die maximale Fließlänge lässt sich in ArcMap mittels Flow Length Funktion bestimmen. Dabei werden für eine betrachtete Zelle alle oberhalb gelegenen Zellen, die sich in diese Zelle entleeren, aufaddiert. Über die bekannte Größe der Zellen ergibt sich so der maximale Fließweg. Als Eingangsdatei wird hierfür das bereits für die Einzugsgebietsbestimmung erstellte Flow Direction Raster benötigt. Die Bestimmung des maximalen Höhenunterschieds im Einzugsgebiet erfolgt über das Höhenmodell. Er ergibt sich aus der Höhendifferenz zwischen der

29 3 Datengrundlage und -erfassung 22 am höchsten und der am niedrigsten gelegenen Zelle, die gleichzeitig die Zelle des Beckens ist. Die Ablaufzeit hängt von den Retentionseigenschaften des Einzugsgebiets ab und wird ausgehend von der Anlaufzeit durch einen Faktor abgeschätzt (BAYLFW REF ). Die für die jeweiligen Landnutzungen empfohlenen Faktoren sind in Tabelle 3.2 aufgeführt. Im Normalfall kommt ein Faktor von 1,5 zur Anwendung. t ab = F t an (3.3) mit t ab = Ablaufzeit [min] F = Faktor [ ] t an = Anlaufzeit [min] Tabelle 3.2: Faktoren zur Bestimmung der Ablaufzeit auf Grundlage der Landnutzung im Einzugsgebiet (BAYLFW REF ) Landnutzung im Einzugsgebiet Hydraulische Charakteristik Faktor F Siedlungsgebiet überwiegend befestigte, hydraulisch 1 glatte Flächen Aufgelockerte Bebauung mit Gärten, nur teilweise befestigte Flächen 1,25 landwirtschaftlichen Nutzflächen Mischung von Waldanteilen sowie Normalfall 1,5 Acker- und Wiesenflächen, Bebauung untergeordnet Hohe Anteile von Wald, Moorflächen, vielfach anmoorigen Böden hohe Retention, rauhe Verhältnisse 2 Abbildung 3.4: Verwendete dreiecksförmige Abflussganglinie mit Scheitelabfluss HQ T, Anlaufzeit t An und Ablaufzeit t Ab (BAYLFW REF )

30 3 Datengrundlage und -erfassung 23 Aus den Scheitelabflüssen sowie den An- und Ablaufzeiten lassen sich nun dreiecksförmige Abflussganglinien erzeugen (Abbildung 3.4). Um die vollständigen Abflussdaten zu erhalten muss der Basisabfluss addiert werden. Gefälle Das mittlere Gefälle im Einzugsgebiet ergibt sich wie die Anlaufzeit aus der maximalen Fließlänge und der maximalen Höhendifferenz. I = L 100% h (3.4) mit I = mittleres Gefälle [%] L = maximale Fließlänge [m] h = max. Höhenunterschied im Einzugsgebiet [m] Spezifisches Volumen In dieser Arbeit werden alle betrachteten Becken als Einzelbecken behandelt, jedem Becken ist also ein eigenes Einzugsgebiet zugeteilt. Genauere Erläuterungen sowie die Formel zur Bestimmung des spezifischen Volumens finden sich in Kapitel Betrachtete Becken Von den 167 in der Datenbank für Oberbayern vorhandenen Becken werden weitere 50 ausgeschlossen, da sie entweder steuerbar sind oder ihr Stauvolumen größer m 3 beträgt. Für die verbleibenden 117 Becken erfolgt die Datenerhebung bei den Wasserwirtschaftsämtern, Gemeinden und Ingenieurbüros. Im Verlauf der Datenerfassung zeigt sich, dass nicht zu allen Becken die nötigen Daten vorhanden sind. Insbesondere zu sehr alten Becken fehlen diese oft vollständig. Einige Becken fallen in Folge der Datenerfassung aus der Untersuchung, da sie nicht den geforderten Rahmenbedingungen entsprechen. Weiterhin können mehrere Becken nicht berücksichtigt werden, da die angefragten Daten zum Abschluss der Arbeit nicht vorliegen. Am Ende stehen insgesamt 44 Becken mit ausreichender Datenlage zur Verfügung, diese sind in Tabelle A.1 aufgeführt. Um die Zuverlässigkeit der Berechnungsergebnisse zu erhöhen kommen neben den Becken mit vollständiger Datenlage sieben weitere Becken zum Einsatz. Bei diesen Becken sind alle Parameter mit Ausnahme der Drosselweite bekannt. Es können dadurch keine Aussagen zur ihrer Wirksamkeit im Ist-Zustand getroffen werden, jedoch sind Berechnungen mit optimierter Drosselweite möglich (vgl. Kapitel 4.3).

31 3 Datengrundlage und -erfassung Abbildung 3.5: Geographische Lage der verwendeten Becken in Oberbayern 24