Urbane Überflutungen bei Starkregen. Auftreten, Modellierung und Objektschutz

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1 Urbane Überflutungen bei Starkregen Auftreten, Modellierung und Objektschutz LANUV NRW, 2016 Dr.-Ing. Jörg Schaffner

2 Gliederung Einleitung Beispiel Starkregen mit urbanen Überflutungen Berechnungsmethoden Praxisbeispiel Überflutungsnachweis Vorsorgemaßnahmen auf kommunaler Ebene Objektschutz

3 Einleitung Definition Sturzfluten Überschwemmungsereignisse resultierend aus Starkregen / Extremereignisse Express, 2015 Westfälische Nachrichten Münster, 2014

4 Einleitung Definition Lokale Starkregen: Räumlich begrenzt: Kleine Gebiete bis 100 km² Zeitlich begrenzt: Minuten bis Stunden Hohe Niederschlagsintensitäten Genaue Vorhersage der Lage nur begrenzt möglich. Vorwarnzeiten extrem kurz, oft nur wenige Minuten. Deutscher Wetterdienst (DWD) unterscheidet: Starkregen mit mehr als 25 l/m² je Stunde Extremen Starkregen mit mehr als 40 l/m² je Stunde

5 Schadensentstehung Einleitung Überflutung aus Gewässern im urbanen Gebiet Oberflächenabfluss, der nicht in Kanalisation ablaufen kann Oberflächenabfluss, der aus der Kanalisation an die Oberfläche gelangt Lokale Wasseransammlungen in Mulden und Senken Dynamischer zeitlicher Verlauf Schnelles Ansteigen von Wasserspiegel Hohe Wasserstände in ebenem Gelände Hohe Fließgeschwindigkeiten bei steilem Gelände

6 Einleitung Schadensbilder Überflutungen im öffentlichen Raum KLAS, 2015 Überflutungen im privaten Raum KLAS, 2015

7 Beispiel Starkregen mit urbanen Überflutungen Münster, 28. Juli mm Niederschlag in 7 h Höchster je in Deutschland gemessene Wert 400 Mio. m³ Regen auf das Stadtgebiet Jährlichkeit > 100 Jahre Mittlerer Jahresniederschlag Münster: 764 mm MeteoGroup, 2014

8 Beispiel Starkregen mit urbanen Überflutungen Münster, 28. Juli 2014 Pegel Fluss Ems (Greven) Anstieg Q von 9 auf 130 m³/s Anstieg WSP um 5 m Quelle: Westfälische Nachrichten Münster, 2014 Geflutete Unterführung Innenstadtbereich Quelle: Westfälische Nachrichten Münster, 2014

9 Beispiel Starkregen mit urbanen Überflutungen Münster, 28. Juli 2014 Überflutungen kommend von innerstädtischen Gewässern z.b. durch verlegte Schutzgitter im Übergangsbereich eines offenen Gewässerabschnittes in ein kanalisiertes Gewässerteilstück Grüning und Grimm, 2015 Überflutungen aus überlasteter Kanalisation BBK Bund, 2016

10 Beispiel Starkregen mit urbanen Überflutungen Münster - Schäden Tausende vollgelaufene Keller und Erdgeschosswohnungen Überflutung Keller Betriebsgebäude Hauptkläranlage u.a. Ausfall der Steuerungssoftware Zeitweiser Ausfall des Hauptpumpwerkes Aufschwimmen von Gasspeichern Hauptkläranlage 3600 Einsätze der Feuerwehr 2 ertrunkene Personen (Keller und Auto) Gesamte Sachschäden: Mehrere 100 Millionen Euro Größten Schäden in Gewässernähe und Geländesenken

11 Beispiel Starkregen mit urbanen Überflutungen Münster nach dem Regen Quelle: Neue Osnabrücker Zeitung, 2014 Quelle: Westfälische Zeitung, 2014

12 Gefahrenanalyse Ermittlung der Gefährdung innerhalb besiedelter Bereiche Wohin und wie schnell fließt oberflächig abströmende Regenwasser? Wo staut sich der Abfluss? An welchen Stellen wird das Kanalnetz überstaut? Welche Gewässer treten im städtischen Bereich über die Ufer? Risikoanalyse Werkzeug Berechnungsmethoden Einfache Risikoanalyse: Welche Infrastrukturen sind betroffen? Krankenhäuser, private und öffentliche Gebäude oder Versorgungseinrichtungen? Detaillierte Risikoanalyse Ermittlung potenzieller wirtschaftlicher Schäden Ausweisung von Gefahren- und Risikobereichen GIS gestützte Verfahren bzw. detaillierte hydrodynamische Modellierung

13 Übersicht Berechnungsmethoden GIS gestützte Verfahren Fließwegverfolgung auf Basis topografischer Informationen (DGM) Vereinfachte Volumenbilanz (Ansammlung in Senken) Wasserstände und Fließgeschwindigkeiten werden nicht direkt ermittelt Oberflächenabfluss, zunächst keine Betrachtung des Kanalsystems Hydrodynamische Berechnungsmodelle Gekoppelte Modellierung von Kanalnetz (1-d) und Oberfläche (1-d bzw. 2-d) Niederschlag fließt über den Kanal durch die Schächte an die Geländeoberfläche 1-d/1-d Modelle, z.b. Straßenprofilmethode 1-d/2-d Modelle, gekoppelt oder ungekoppelt mit Kanalnetz x 1-d: Höhen- und breitengemittelter Abfluss Q,v, H 2-d: Höhengemittelter Abfluss Q,v, H B B

14 Berechnungsmethoden Hydrodynamische Berechnungsmodelle Straßenprofilmethode Kopplung des Kanalsystems mit Fließwegen der Oberfläche Abbildung der Straßengeometrie als offenes Gerinne Max. WSP Höhe = Bordsteinkante Tandler.com Vollständig bi-direktional gekoppeltes 1D/1D-Modell Vereinfachte Modellerstellung Ermittlung von Fließwegen zur vereinfachten Beurteilung von Risikobereichen

15 Berechnungsmethoden Hydrodynamische Berechnungsmodelle Gekoppelte 1-d / 2-d Modelle Direkte Anbindung des Kanalsystems mit den Schächten und teilw. Sickerkästen an das digitalen Geländemodell der Oberfläche Vollständig bi-direktional gekoppeltes 1-d/2-d-Modell Tandler.com Realistischer Wasseraustausch von Regen- und Mischwasser über Kanaldeckel und Sinkkästen

16 Berechnungsmethoden Hydrodynamische Berechnungsmodelle Gekoppelte 1-d / 2-d Modelle Nutzung von Laserscandaten zur hochauflösenden Abbildung der Geländeoberfläche Tandler.com Detaillierte Abbildung von Gehwegskanten, Mauern und Gebäudeumrissen Digitales Geländemodell - minimale Dreiecksfläche 2m²

17 Berechnungsmethoden Hydrodynamische Berechnungsmodelle Gekoppelte 1-d / 2-d Modelle Detaillierte 2-d Berechnung von Fließwegen und Überstauvolumina auf der Oberfläche in hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung Ermittlung von: Wasserstand auf Oberflächenelement Geschwindigkeit auf Oberflächenelement Austauschgeschwindigkeit an den Austauschkanten Durchfluss an den Austauschkanten

18 Berechnungsmethoden Hydrodynamische Berechnungsmodelle Gekoppelte 1-d / 2-d Modelle Berechnung von Fließwegen auf der Geländeoberfläche Tandler.com

19 Berechnungsmethoden Hydrodynamische Berechnungsmodelle Gekoppelte 1-d / 2-d Modelle Tandler.com Modellierung der zeitlichen Ausbreitung von urbanen Sturzfluten Hier Darstellung min der Simulationszeit.

20 Berechnungsmethoden Hydrodynamische Berechnungsmodelle Gekoppelte 1-d / 2-d Modelle Wichtig: Abgleich der Berechnungsergebnisse mit Erfahrungen des Kanalbetriebs bzw. der Feuerwehr. Ev. auch Bürgerbefragung in betroffenen Bereichen. Darstellung der Berechnungsergebnisse (z.b. Stauhöhe) Tandler.com

21 Praxisbeispiel Grunddaten Industriepark bei Darmstadt mit teilw. sensiblen Rechneranlagen Fläche: 11,5 ha Abflusswirksame Fläche Au = 8,4 ha Versieglungsgrad V = 74 % Trennsystem, hier nur Betrachtung des Regenwassernetzes Länge Kanalnetz: 3,9 km (Regenwasser), 130 Schachtbauwerke Anschluss an Kanalnetz von Darmstadt 1 Sonderbauwerk Regenrückhaltebecken, als offenes Erdbecken Volumen: 2200 m³ Drosselabfluss: 90 l/s

22 Praxisbeispiel Veranlassung / Aufgabenstellung Örtliche Prüfung der Überflutungssicherheit in hydraulisch kritischen, gefährdeten Bereichen Überflutungsprüfungen nach DIN Gebäude- und Grundstücksentwässerung Maßgebende 30-jährliche Starkregenereignisse Basis der Berechnung war Kanalnetzberechnung aus dem Jahre 2013 Gegenstand des Überflutungsnachweises: Aktualisierung und Ergänzung der aktuellen Gelände- und Kanalvermessung Überflutungssimulation mit Kopplung von Kanalnetz- und Oberflächenabfluss für das Regenwassersystem des Industrieparks Örtliche Überflutungsprüfungen in gefährdeten Bereichen Verbesserung der Überflutungssicherheit (bei Bedarf)

23 Bearbeitungsschritte Praxisbeispiel Überstaunachweis im Rahmen der hydrodynamischen Kanalnetzberechnung Prognose-Zustand für 1-, 3- und 5-jährliche Starkregenereignisse nachgewiesen. Das Kanalnetz verfügt über eine nahezu flächige 5-jährliche Überstausicherheit. Überflutungsnachweis Überflutungssimulation mit dem hydrodynamischen Kanalnetzberechnungsprogramm DYNA gekoppelt mit GeoCPM Berechnung des Kanalnetzes (1-d) und der angeschlossenen Geländeoberfläche (2-d) Einzelmodellregen der Jährlichkeit Tn = 30a als Niederschlagsbelastung (D = 5 u. 60 min) Verwendung eines digitalen Geländemodells auf Basis von hochaufgelösten Vermessungsdaten

24 Digitales Geländemodell Praxisbeispiel Abbildung des Geländes mit Dreiecksgitter Fläche der Dreiecksmaschen A 1 m² Anzahl Dreiecksmaschen: Anzahl der Gitterpunkte:

25 Praxisbeispiel Darstellung der kritischen Bereiche

26 Praxisbeispiel Darstellung der kritischen Bereiche Wasserübertritt auf Zufahrtsstraße V WÜ 44 m 3 Überstau auf Parkplatz V ÜS 60 m 3 H WSP = max cm

27 Praxisbeispiel Darstellung der kritischen Bereiche Überlauf Regenrückhaltebecken V ÜL m 3 Oberflächenabfluss auf Grünflächen Ablauf Richtung Parkplatz Wasserübertritt auf Parkplatz V WÜ 235 m 3 H WSP 2,7 cm

28 Auswertung der Ergebnisse Sanierungsvorschläge, Praxisbeispiel überfahrbare Schwelle zur Verhinderung des Abflusses auf öffentliche Straßen Verwallung bzw. Anhebung Zufahrten zum Rückhalt von Wasser auf Grundstück Abschätzung und Bewertung des Schadenspotentials nicht monetäre Schäden z.b. Gesundheit, Leben, Umweltschäden monetäre Schäden z.b. Gebäude, Inventar, Anlagen der gewerblichen Wirtschaft / Industrie, Infrastruktur, volkswirtschaftliche Beeinträchtigung + Folgeschäden Ausblick Was passiert bei außergewöhnlichen Starkregen (z.b. 100-jährlich)? Wie weit sind die Anlagen überflutungsgefährdet? Wo ist ggf. technischer / konstruktiver Objektschutz erforderlich?

29 Vorsorgemaßnahmen auf kommunaler Ebene Infrastrukturbezogenen Maßnahmen Außengebietswasser vom Siedlungsgebiet fernzuhalten Oberflächenwasser im Siedlungsgebiet in der Fläche zurückzuhalten Unvermeidbares Oberflächenwasser im Straßenraum geordnet und schadensarm abzuleiten oder zwischen zu speichern Oberflächenwasser gezielt Freiflächen zum schadensarmem Rückhalt zuzuführen Schadlose Ableitung in Gewässern und Entwässerungsgräben zu ermöglichen Eine vorschriftsmäßige Auslegung der Entwässerungsinfrastruktur zu gewährleisten Bedarfsgerechten Betrieb der Entwässerungsinfrastruktur sicherzustellen Frühzeitige Einbeziehung der Überflutungsvorsorge in der Bauleitplanung Ganzheitlich ausgerichtetes Risikomanagement bzgl. urbaner Sturzfluten etablieren

30 Zutrittswege Objektschutz DWA, 2013

31 Bauvorsorge Objektschutz Technisch-konstruktiven Schutzmaßnahmen vor Überflutungsschäden direkt an gefährdeten Gebäuden und Anlagen sowie in deren unmittelbarem Umfeld. Letzte Barriere gegenüber zufließendem Wasser. Objektschutzmaßnahmen wesentlich wirtschaftlicher als großräumiger angelegte Überflutungsschutzmaßnahmen durch die öffentliche Hand. Zügige Umsetzung und zielgerichteter Überflutungsschutz möglich Abstimmung auf individuelle Gebäude- und Grundstückssituation Kommunen sollten private und gewerbliche Grundstückseigentümer zum Ergreifen von Objektschutzmaßnahmen ermutigen Wichtiger Unterschied bei urbanen Überflutungen Fehlende Vorwarnzeit Geringe Aktionszeitspanne

32 Objektschutz Strategien der Überflutungsvorsorge DWA, 2013

33 Objektschutz Eignungskriterien für technische Schutzelemente Permanente oder unmittelbare Einsatzbereitschaft bei Starkregen Keine Vorwarnzeit Geringe Aktionszeitspanne Einfache, robuste, wartungsarme und zuverlässige Konstruktion Kosteneffizientes System mit hohem Schutzgrad in Relation zu Investitionskosten Hohes Maß an Alltagstauglichkeit Lösung ohne Nutzungseinschränkungen

34 Betriebsweisen technischer Schutzelemente Permanente Systeme Objektschutz Stationäre Schutzsysteme, unmittelbar nach Errichtung einsatzbereit sind Keine gesonderten Aktivierung im Einsatzfall notwendig Vollautomatische Systeme Fest montierte Systeme, die sich selbsttätig (mit oder ohne Fremdenergie) aktivieren Teilmanuelle Systeme Fest montierte Systeme, die manuell ausgelöst bzw. aktiviert werden müssen Manuelle Systeme Mobile Systeme Manueller Aufbau für jeden Einsatz an Ort und Stelle Lediglich konstruktive Vorbereitungen (Befestigungen, etc.) sind, sofern erforderlich, vorhanden

35 Permanente Systeme Objektschutz Rückstauverschlüsse Kellerausbildung als weiße oder schwarze Wanne Aco Haustechnik Beton.org Konstruktive Erhöhung von Lichtschachtoberkanten blog.homegate.ch ProKeller

36 Vollautomatische Systeme Klappschotte, aufschwimmend oder mit Antrieb; Rollschotte Objektschutz Blobel Umwelttechnik Steinhardt GmbH DWA, 2013 HydroConcept

37 Teilmanuelle Systeme Objektschutz Druckwasserdichte Fenster und Türen (nicht selbsttätig schließend) Groß und kleinflächige Schutztore (manuell zu verriegeln) DWA, 2013 DWA, 2013

38 Objektschutz Manuelle Systeme Wasserdichte Auf- oder Einsatzelemente Barrieren und Sperren mit manueller Installation al-hochwasserschutz Wasserdichte Fenster- und Türklappen (Innen- und Außenmontage) al-hochwasserschutz IBS Technics