Das REISE-Projekt: Risiko-basierte Planung von Hochwasserschutzkonzepten

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1 Das REISE-Projekt: Risiko-basierte Planung von Hochwasserschutzkonzepten D. Bachmann, H. Schüttrumpf 11. Symposium Flussgebietsmanagement beim Wupperverband Regionales Wasserwirtschaftsforum Institut für Wasserbau und Wasserwirtschaft RWTH Aachen Symposium Flussgebietsmanagement

2 Problemstellung Sowohl Hochwasser als auch Hochwasserschutzmaßnahmen beeinflussen das gesamte Einzugsgebiet oder Teileinzugsgebiete Symposium Flussgebietsmanagement

3 Problemstellung Hochwasserschutz auf Einzugsgebietsebene -Eine integrative Systemanalyse- System Einzugsgebiet Stadt A Randbedingung: Hochwasserentstehung Stadt B Untersystem 1 Fluss Hochwasserweiterleitung Stadt C Symposium Flussgebietsmanagement

4 Problemstellung Hochwasserschutz auf Einzugsgebietsebene -Eine integrative Systemanalyse- System Einzugsgebiet Stadt A Randbedingung: Hochwasserentstehung Stadt B Stadt C Untersystem 2 Hochwasserschutzlinie Versagen/ Nichtversagen Symposium Flussgebietsmanagement

5 Problemstellung Hochwasserschutz auf Einzugsgebietsebene -Eine integrative Systemanalyse- System Einzugsgebiet Stadt A Randbedingung: Hochwasserentstehung Stadt B Untersystem 3 Überflutungsfläche Überflutung und Schäden Stadt C Symposium Flussgebietsmanagement

6 Problemstellung Hochwasserschutz auf Einzugsgebietsebene -Eine integrative Systemanalyse- System Einzugsgebiet Stadt A Randbedingung: Hochwasserentstehung Stadt B Stadt C Maßnahmeneinbau=> Wirkung auf das gesamte System Einzugsgebiet Symposium Flussgebietsmanagement

7 Problemstellung Konsequenz daraus: Die Planung eines Hochwasserschutzkonzeptes kann nur unter einer integrativen Betrachtung des Systems und seiner Untersysteme erfolgen entspricht der Forderung der Europäischen Union in der Richtlinie über die Bewertung und das Management von Hochwasserrisiken ( ) Ziel des REISE-Projekts: Erstellung einer allgemein anwendbaren Methode zur Planungsunterstützung Symposium Flussgebietsmanagement

8 Vorgehen Definition von Maßnahmenarten Methoden zum Vergleich & Ranking von Maßnahmen (Entscheidungsproblem) Definition von Kriterien zur Bewertung von Maßnahmen auf Einzugsgebietsebene Symposium Flussgebietsmanagement

9 Maßnahmenarten 1. Reduktion des Abflusses oder Wasserstandes Stadt A Stadt B Flussaufweitung Quelle: bin/evoweb.dll/web/akl/27534_de-praesentationen-07feb07- Vortrag-Life.ppt Hochwasserschutzlinie Stadt C Wasserrückhaltung Quelle: Wupperverband Retentionsräume Quelle: LANUV NRW Symposium Flussgebietsmanagement

10 Maßnahmenarten 2. Verstärkung der Hochwasserschutzlinie (Technische Maßnahmen) Stadt A Stadt B Hochwasserschutzmauern Deichsanierung, -neubau Quelle: IWW Aachen Hochwasserschutzlinie Stadt C Mobile Schutzsysteme Quelle: Merkblatt BWK/6: Mobile Hochwasserschutzsysteme, Symposium Flussgebietsmanagement

11 Maßnahmenarten 3. Reduktion der Konsequenzen Stadt A Stadt B Zweite Deichlinie Stadt C Hochwasserschutzlinie Objektschutz Quelle: Hochwasserfibel NRW Symposium Flussgebietsmanagement

12 Entscheidungsproblem Welche Maßnahmenart, an welchem Ort ist für den Hochwasserschutz am effektivsten? Objektives Werkzeug zur Lösung des Entscheidungsproblem: Vergleich mit anderen Maßnahmen Ranking der Maßnahmen Methode: Multikriterielle Entscheidungsunterstützung Symposium Flussgebietsmanagement

13 Multikriterielle Entscheidungsunterstützung Vergleich und Ranking der Maßnahmen Entscheidungsmatrix Alternative 1 Alternative m Kriterium 1 Bewertung 11 Bewertung 1m Kriterium n Bewertung n1 Bewertung nm Methoden: MADM-Methoden (Multi Attribute Decision Method) Mathematische Ansätze zur objektiven Auswertung der Entscheidungsmatrix Ranking der Alternativen Symposium Flussgebietsmanagement

14 Entscheidungsproblem Welche Maßnahmenart, an welchem Ort ist für den Hochwasserschutz am effektivsten? Objektives Werkzeug: Vergleich mit anderen Maßnahmen Ranking der Maßnahmen Bewertung des Maßnahmendesign und des Ortes mit Hilfe von Kriterien Aufstellen von Kriterien zur Bewertung von Maßnahmen Symposium Flussgebietsmanagement

15 Kriterien für Schutzmaßnahmen Hochwasserabhängige Kriterien -Risikoansatz für ein Einzugsgebiet- Beurteilung der Wirkung einer Maßnahme im Hochwasserfall: Risiko = Wahrscheinlichkeit p * Konsequenzen d Im Hochwasserfall: p ( p Hochwasser, Hochwasserablauf im Fluss, p Versagen der Hochwasserschutzlinie) d (Überflutungsfläche, ökonomische und ökologische Landnutzung, Anzahl der Betroffenen etc.) Qualitatives Beispiel Risiko: Hohe Versagenswahrscheinlichkeit; geringer ökonomischer Schaden => mittleres ökonomisches Risiko; Geringe Versagenswahrscheinlichkeit; hoher ökonomischer Schaden => mittleres ökonomische Risiko Symposium Flussgebietsmanagement

16 Hochwasserabhängige Kriterien Hochwasserwahrscheinlichkeit p ( p Hochwasser, Hochwasserablauf im Fluss, p Versagen der Hochwasserschutzlinie) Stadt A Systemrandbedingung Stadt B Hochwasserschutzlinie Stadt C Symposium Flussgebietsmanagement

17 Hochwasserabhängige Kriterien Hazard Curve (HC) Abfluss zu Auftretenswahrscheinlichkeit (Hydrologische Eigenschaften des Gebiets) Auftretenswahrscheinlichkeit p [1/a] 1/10a 1/100a 1/500a 1/1000a Abfluss Q [m³/s] Symposium Flussgebietsmanagement

18 Hochwasserabhängige Kriterien Versagenswahrscheinlichkeit p ( p Hochwasser, Hochwasserablauf im Fluss, p Versagen der Hochwasserschutzlinie) Hazard Curve Stadt A Stadt B Hochwasserschutzlinie Stadt C Einteilung der Hochwasserschutzlinie in Sektionen; Bestimmung der Zuverlässigkeit der Sektionen; Symposium Flussgebietsmanagement

19 Hochwasserabhängige Kriterien Fragility Curve (FRC) Versagenswahrscheinlichkeit zu Wasserstand (Zuverlässigkeit der Hochwasserschutzlinie) Integration von Versagensarten hydraulisch, geo-hydraulisch, geo-statisch, strukturell; Für verschiedene Sektionstypen: Deich, Schutzmauer, mobile Systeme, Hochufer etc. Methoden der Berechnung Probabilistische Zuverlässigkeitsanalyse, Fehlerbaumanalyse Versagenswahrscheinlichkeit p FRCi 1 0 Versagen Kein Versagen Deich-FRC Sektionswasserstand h Seki [m] Hochufer-FRC Symposium Flussgebietsmanagement

20 Hochwasserabhängige Kriterien Wasserstände in den Sektionen p ( p Hochwasser, Hochwasserablauf im Fluss, p Versagen der Hochwasserschutzlinie) FRC Hazard Curve City A FRC City B FRC 1d FRC flood protection line City C FRC 1d-hydraulisches Modell für die Abflüsse der HC =>Wasserstände in den Sektionen zu Hochwasserwahrscheinlichkeit Symposium Flussgebietsmanagement

21 Kriterien für Schutzmaßnahmen Hochwasserabhängige Kriterien -Risikoansatz für ein Einzugsgebiet- Beurteilung der Wirkung einer Maßnahme im Hochwasserfall: Risiko = Wahrscheinlichkeit p * Konsequenzen d Im Hochwasserfall: p ( p Hochwasser, Hochwasserablauf im Fluss, p Versagen der Hochwasserschutzlinie) d (Überflutungsfläche, ökonomische und ökologische Landnutzung, Anzahl der Betroffenen etc.) Qualitatives Beispiel Risiko: Hohe Versagenswahrscheinlichkeit; geringer ökonomischer Schaden => mittleres ökonomisches Risiko; Geringe Versagenswahrscheinlichkeit; hoher ökonomischer Schaden => mittleres ökonomische Risiko Symposium Flussgebietsmanagement

22 Hochwasserabhängige Kriterien Primärkonsequenzen: Überflutungsfläche Stadt B 2d Stadt A 1d Hochwasserschutzlinie Stadt C Kopplung eines 1d und 2d hydraulischen Modells => Überflutungsflächen für Sektionen bei unterschiedlichen Sektionswasserstände Symposium Flussgebietsmanagement

23 Hochwasserabhängige Kriterien Sekundärkonsequenzen: ökonomische Schäden (Beispiel) Landnutzungskategorien Schaden pro Landnutzungskategorie [ ] 100 Schaden, % Rel Schadne [%] Überflutungsfläche,- tiefe Schadensfunktionen Schadenfunktionen Relativer Schaden Kapitalstock: Wert der Landnutzungskategorien [ m -2] Wasserstand, m [m] Schadensfunktionen für Landnutzungskategorien Symposium Flussgebietsmanagement

24 Hochwasserabhängige Kriterien Sekundärkonsequenzen: ökologische Schäden (Beispiel) Biotoptypen Überflutungsfläche,- tiefe Monetäre Bewertung der Schäden ET1 BTK 1 BTK 2 BTK 3 BTK4 etc. Überflutungsdauer Ökologischer Schaden ET2 BTK 1 BTK 2 BTK 3 BTK4 etc. Überflutungshöhe Sensitivitätstabellen pro Biotoptyp Symposium Flussgebietsmanagement

25 Hochwasserabhängige Kriterien Kombination der Wahrscheinlichkeiten und Konsequenzen Hazard Curve FRC p (Hochwasser) 1d Wasserstände und Wahrscheinlichkeit in Sektionen 2d p (Versagen) Überflutungsflächen p (Überflutung) Schäden Risiko Symposium Flussgebietsmanagement

26 Hochwasserabhängige Kriterien Qualitative Wirkung von Hochwasserschutzmaßnahmen auf das Risiko P (Hochwaser) [1/a] Wasserrückhaltung Quelle: Wupperverband Abfluss Q [m³/s] FRC Hazard Curve Reduzierung der Sektionswasserstände Stadt A FRC Retentionsraum Quelle: LANUV NRW Stadt B FRC 1d 1 Verstärkung der Schutzlinie p (Versagen) Sektionswasserstand h Seki [m] Hochwasserschutzlinie FRC Stadt C Symposium Flussgebietsmanagement

27 Hochwasserabhängige Kriterien Qualitative Wirkung von Hochwasserschutzmaßnahmen auf das Risiko Reduktion der Schäden FRC Hazard Curve Objektschutz Quelle: Hochwasserfibel NRW Stadt A FRC Stadt B 2d 1d 2. Deichlinie Veränderung der Primärkonsequenzen Hochwasserschutzlinie Stadt C FRC Symposium Flussgebietsmanagement

28 Hochwasserabhängige Kriterien Vor- und Nachteile der Risikobetrachtung auf Einzugsgebietsebene Versagensereignisse der Hochwasserschutzlinie werden berücksichtigt Konsequenzen werden in Abhängigkeit der Wasserstände in der Sektion bestimmt Wirkung von Maßnahmen auf das gesamte Einzugsgebiet wird ermittelt Wirkung eines Versagens der Hochwasserschutzlinie auf andere Sektionen wird deutlich (Wasserspiegelabsenkung) Hoher Berechnungsaufwand Hohe Anforderungen an die Datenspeicherung => Vereinfachungen müssen entwickelt werden, Detaillierungsrad ist oft niedriger (Vorplanung eines Hochwasserschutzkonzeptes) Symposium Flussgebietsmanagement

29 Kriterien für Schutzmaßnahmen Hochwasserunabhängige Kriterien Beurteilung der Auswirkungen von Maßnahmen, die in jedem Fall auftreten Kriterien: Ökonomische Kosten für den Bau von Maßnahmen Ökologische Kosten Psycho-soziale Kosten Auswirkung auf Landschaftsbild etc. Beispiel für ökonomische Kosten Drei-Zonen-Deich kostet pro m Länge und pro m Höhe ca xy Symposium Flussgebietsmanagement

30 Das Reise-Projekt: Interdisziplinärer Ansatz p (Hochwasser) p (Versagen), ökonomische Schäden, Hydraulik, Risiko, ökonomische Kosten Ökologische Schäden und Kosten Psycho-soziale Schäden und Kosten Unterstützt durch das RIMAX-Programm des BMBFs bis Symposium Flussgebietsmanagement

31 Zusammenfassung und Ausblick Zusammenfassung Problemstellung: objektive Planung eines Hochwasserschutzkonzeptes auf Einzugsgebietsebene: Systemanalyse Multikriterielle Analyse zur Lösung des Entscheidungsproblems Arten von Hochwasserschutzmaßnamen und ihre Wirkungsweise Kriterien: hochwasserabhängig (Risiko auf Einzugsgebietsebene) und -unabhängig Ausblick Programmtechnische Umsetzung der FRC-Berechnung Programmtechnische Anpassung der Hydraulikberechnung => Eingangsdaten für die Risikoberechnung Symposium Flussgebietsmanagement

32 Das REISE-Projekt: Risiko-basierte Planung von Hochwasserschutzkonzepten D. Bachmann, H. Schüttrumpf 11. Symposium Flussgebietsmanagement beim Wupperverband Regionales Wasserwirtschaftsforum Institut für Wasserbau und Wasserwirtschaft RWTH Aachen Symposium Flussgebietsmanagement