Bundeseinheitliche Modellierungsszenarien für ein wirksames Risikomanagement

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1 Bundeseinheitliche Modellierungsszenarien für ein wirksames Risikomanagement Thomas Maurer Referat Wasserhaushalt, Vorhersagen und Prognosen Bundesanstalt für Gewässerkunde, Koblenz Flood Management Berlin, Wasser Berlin, Maurer, Flood Management Berlin, Seite 1 Risikomanagement-Kreislauf Nach dem Schadensereignis ist vor dem Schadensereignis Maurer, Flood Management Berlin, Seite 2

2 Einführung Extreme hydrologische Ereignisse entstehen im ganzen Einzugsgebiet eines Flusses. Maßnahmen wirken summarisch und wechselwirken Ursachen, Folgen und Anpassungsmaßnahmen müssen ganzheitlich im Einzugsgebiet analysiert und zusammenhängend kommuniziert werden. Für großen Ströme: länderübergreifend + einschließlich des benachbarten Auslandes Maurer, Flood Management Berlin, Seite 3 Einführung Weiterentwicklung eines überregionalen Hochwasserrisikomanagements Ausgleich der Interessen von Ober- und Unterliegern erfordert: einheitliche + flussspezifische Entscheidungsund Bemessungsgrundlagen überregionale Modelle Messdaten Maurer, Flood Management Berlin, Seite 4

3 Messdaten Unabdingbare Basis zur Erstellung belastbarer Simulations- oder Vorhersagemodelle: 1. Relevante Geometrien (z.b. Gelände, Querprofile, Polderflächen, Rauheiten) 2. Interessierende Zustände (z.b. Wasserstände, Abflüsse) 3. Einwirkende Randbedingungen (z.b. Niederschläge, Steuerungen) Maurer, Flood Management Berlin, Seite 5 Messdaten Extremereignisse 1. Ereignisse selten 2. geringen Messwertdichte 3. Aber: besonders interessant und wichtig 4. weit zurück liegende Ereignisse noch nicht digital aufbereitet 5. Versagen von Messeinrichtungen während des Ereignisses 6. Sondermesskampagnen sind gegenüber der akuten Gefahrenabwehr von geringerer Priorität Maurer, Flood Management Berlin, Seite 6

4 Viele Arbeitsschritte Messwerterfassung Datenaufbereitung Datenprüfung Datenspeicherung Modellaufstellung Datenarchivierung Datenprozessierung Datenverbreitung in Simulationsmodellen Datenvisualisierung Ergebnisvisualisierung Ergebnisprüfung Verbreitung der Analyseergebnisse Maurer, Flood Management Berlin, Seite 7 Grad der Vorbereitung / Service Level Bereitstellungszeit und -qualität von Analysen (z.b. Vorhersagen, Wirkungsabschätzungen) = f (Organisation, Integration, Standardisierung, Automatisierung, Operationalisierung aller erforderlichen Arbeitsschritte ) Maurer, Flood Management Berlin, Seite 8

5 Elemente eines Entwicklungsprogramms 1. Bund-Länder-Messprogramm 2. Grundlagendaten 3. Informations- und Analysesysteme 4. Simulationsmodelle 5. Vorhersagesysteme 6. Bemessungswerte 7. Rückhalteräume 8. Wirksamkeitsnachweise Maurer, Flood Management Berlin, Seite 9 1 Bund-Länder-Messprogramm Überregional abgestimmte schnelle stromgebietsbezogene Erfassung aller notwendigen hydrologischen Daten kontinuierlich, dauerhaft Sondermessungen im HW-Ereignisfall Maurer, Flood Management Berlin, Seite 10

6 2 Grundlagendaten Präventive Erhebung und konsistente Sicherung inkl. Aufbereitung relevanter historischer Datenbestände, insbesondere Geobasisdaten, meteorologische und hydrologische Zustände, Deiche, Regelungsbauwerke, Überschwemmungsgrenzen. Maurer, Flood Management Berlin, Seite 11 3 Informations- und Analysesysteme Nutzergruppen-gerechte + dauerhafte, schnelle + sichere Bereitstellung von Daten, Analysen und Analysewerkzeugen lokal regional überregional Maurer, Flood Management Berlin, Seite 12

7 Bsp. FLYS Flusshydrologischer Fachdienst der BfG (webbasiert) Geobasisdaten: Gewässernetz Querprofilspuren DGM-W.. Geofachdaten: Ausuferungshöhen Buhneninformation Deiche.. Modell-Annahmen/Input: Fließzoneneinteilung strömend/speichernd Abflusslängsschnitt.. Modell-Output-Daten: Wasserspiegellagen Geschwindigkeit Kalibrierergebnisse Hydrologische Fachdaten: Maßgebliche WSP der WSV/der Länder Amtliche ÜSGs Hist./Akt. ATs Morphologische Daten: Sedimentfracht Porosität Sohlschubspannung Maurer, Flood Management Berlin, Seite 13 Module und Berechnungsarten in FLYS Übersicht über die in FLYS inventarisierten Bundeswasserstraßen: Neue Karte Neues Diagramm Maurer, Flood Management Berlin, Seite 14

8 Bsp. Rheinatlas der IKSR Webbasiertes Auskunftssystem Maurer, Flood Management Berlin, Seite 15 Bsp. Rheinatlas der IKSR Webbasiertes Auskunftssystem Maurer, Flood Management Berlin, Seite 16

9 Bsp. FLIWAS Webbasiertes Entscheidungsunterstützungssystem für HW-Lagen Kommunikation Pegel Organisation Ressourcen Einsatzpläne Journal Maurer, Flood Management Berlin, Seite 17 4 Simulationsmodelle Bereitstellung von aktuellen und einsatzbereiten Nachweisinstrumenten der Abfluss- und Strömungsvorgänge für lokale, regionale und überregionale Zwecke Nach der Modellerstellung ist vor der Modellerstellung Maurer, Flood Management Berlin, Seite 18

10 Engstellenanalyse Beispiel für Engstelle: Barförde Strömungsrichtung Promny et al. (2015), BfG-1848 Maurer, Flood Management Berlin, Seite 19 Engstellenanalyse Beispiel für Engstelle: Barförde Strömungsrichtung Promny et al. (2015), BfG-1848 Maurer, Flood Management Berlin, Seite 20

11 7 Rückhalteräume Systematische überregionale Identifizierung potentieller Überflutungsgebiete sowie Bewertung ihrer Eignung als Rückhalteraum unter hydraulischen, ökonomischen und nutzungspolitischen Gesichtspunkten nach abgestimmten Maßstäben Maurer, Flood Management Berlin, Seite 21 8 Wirksamkeitsnachweise Überregionale Evaluierung der Wirksamkeit verschiedenster Kombinationen präventiver Hochwasserschutzmaßnahmen (Deichrückverlegungen, Rückhalteräume, ) unter ggf. Berücksichtigung priorisierter Schutzziele sowie den Möglichkeiten der Vorhersage Maurer, Flood Management Berlin, Seite 22

12 Wirkung der Deichrückverlegung Lenzen auf Hochwasserstände bei HQ 100 HW Juni 2013 Promny et al. (2014), KW Nr.6 HW April 2006 Elbe-km 477 rechts, Einströmung durch Schlitz 1 der Deichrückverlegung Lenzen am 18. Januar 2013 bei einem Abfluss am Pegel Wittenberge von ca m³/s (<MHQ), Blick stromab Maurer, Flood Management Berlin, Seite 23 ~0,4 Lage der Deichbrüche beim HW 2013 und der eingesetzten sowie (gemäß APH 2012) geplanten Rückhaltungen im Elbegebiet Maurer, Flood Management Berlin, Seite 24

13 Scheitelwasserstandsänderungen Elbe Hochwasser 2013 Szenarienberechnungen A-G Scheitelwasserstandsänderung [cm] Theoretische Abminderung Erhöhung durch die Wirkung (Deichbruch, APH 2012/2003 Havelniederung, Talsperren) Dresden 55.6 Torgau Aken Tangermünde Wittenberge Neu Darchau Elbe-km Einfluss Deichbrüche und Havelniederung und Talsperren E Einfluss Deichbrüche und Havelniederung C Einfluss Talsperren Einfluss Havelniederung B Einfluss Deichbrüche D A Einfluss nicht umgesetzte Maßnahmen APH 2012 Ohne Havelniederung F Einfluss nicht umgesetzte Maßnahmen APH 2003 Ohne Havelniederung G Maurer, Flood Management Berlin, Seite 25 Gemessene Jahreshöchstabflüsse am Pegel Wittenberge Scheitelabfluss [m³/s] vor 1932 nach 1932 nach 1941 nach 1960 nach 1963 nach Kategorisierung in Hochwasserereignisse unterschiedlicher Beeinflussung: ohne Talsperreneinfluss: vor 1932 (weiße Balken) mit Einfluss von Saaletalsperren: vor 1960 (gelb: nur Bleilochtalsperre / orange: Bleiloch & Hohenwarthe) mit Einfluss der Moldaukaskade und Egertalsperre Nechranice : nach 1960 (blaue Balken; verschiedene Ausbauzustände: Lipno ab 1961, Orlík ab 1964, Nechranice ab 1969) Hochwasser 2002, 2006, 2011, 2013 (rote Balken)

14 Gemessene Jahreshöchstabflüsse am Pegel Wittenberge ranggelistet Scheitelabfluss [m³/s] vor 1932 nach 1932 nach 1941 nach 1960 nach 1963 nach 1968 HW 2002, 2006, 2011 und 2013: mit Einfluss der Talsperren MHQ ( ): 2176 m³/s Kategorisierung in Hochwasserereignisse unterschiedlicher Beeinflussung: ohne Talsperreneinfluss: vor 1932 (weiße Balken) mit Einfluss von Saaletalsperren: vor 1960 (gelb: nur Bleilochtalsperre / orange: Bleiloch & Hohenwarthe) mit Einfluss der Moldaukaskade und Egertalsperre Nechranice : nach 1960 (blaue Balken; verschiedene Ausbauzustände: Lipno ab 1961, Orlík ab 1964, Nechranice ab 1969) Hochwasser 2002, 2006, 2011, 2013 (rote Balken) Gemessene Jahreshöchstabflüsse am Pegel Wittenberge ranggelistet Scheitelabfluss [m³/s] vor 1932 nach 1932 nach 1941 nach 1960 nach 1963 nach 1968 HW 2002, 2006, 2011 und 2013: ohne Einfluss der Talsperren* MHQ ( ): 2176 m³/s * für alle übrigen Hochwasser ist ebenfalls eine Eliminierung der Talsperrenwirkung geplant (FGG-BfG-Projekt Homogenisierung der langen HQ-Reihen ) Kategorisierung in Hochwasserereignisse unterschiedlicher Beeinflussung: ohne Talsperreneinfluss: vor 1932 (weiße Balken) mit Einfluss von Saaletalsperren: vor 1960 (gelb: nur Bleilochtalsperre / orange: Bleiloch & Hohenwarthe) mit Einfluss der Moldaukaskade und Egertalsperre Nechranice : nach 1960 (blaue Balken; verschiedene Ausbauzustände: Lipno ab 1961, Orlík ab 1964, Nechranice ab 1969) Hochwasser 2002, 2006, 2011, 2013 (rote Balken)

15 Ergebnisse Hochwasser 2002, 2006, 2011 Längsschnitt durchschnittliche Wasserstandsreduktion [m] 1,2 1,1 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 1,07 1,00 0, ,80 0,77 0,60 0,53 0,50 0,43 0,38 0,31 Schöna Dresden Torgau Wittenberg Aken Barby Tangermünde Saale 0,73 0,48 0, Neu Darchau Elbe-km 0,68 0,37 0,33 0,67 0,37 0,33 0,68 0,68 0,42 0,41 0,39 0,38 All IN THE SAME BOAT Final conference June 21 22, 2012 in the Saxon State Parliament Nationales Hochwasserschutzprogramm Bsp: priorisierte Maßnahmen an der Elbe Promny et al. (2014), BfG-1833 Priorisierte Maßnahmen im Elbegebiet Gesteuerte Maßnahmen Bundesland Volumen [Mio.m 3 ] Ungesteuerte Maßnahmen 1 Polder Lenzer Wische BB 53 a Verbesserung Abflussregime 2 Polder BB Geesthacht-Schnackenburg 60 Karthaneniederung 3 Sanierung Havelpolder ST (Wehr Neuwerben) Optimierung Havelpolder ST, BB, NI,MV 283 b DRV Buro ST Wittenberge Bundesland NI c DRV Schützberg ST d DRV Hemsendorf ST 5 Stauregime Havel/Spree BB,BE 37 e DRV Löben-Meuselko ST 6 Tagebaurestseen BB f DRV Schwarzheide-Herzberg BB 60 Hoyerswerda-Senftenberg 7 Polder Axien/Mauken ST 44,3 g DRV Törten ST 8 Polder Dommitzsch SN 9 h DRV Raguhn-Retzau ST 9 Polder Polbitz SN 4,4 i DRV Altjeßnitz ST Fläche [ha] 10 Polder Dautzschen SN 30,1 j DRV Bennewitz-Püchau SN Polder Döbeltitz SN 12,1 k HWS Unstrutaue TH Polder Ammelgosswitz SN 11,1 l HWS Geraaue TH Polder Außig SN 11 Alle direkt an der Elbe gelegenen Maßnahmen sind orange 14 HRB Oberbobritzsch SN 4,9 15 HRB Mulda SN 5,4 16 HRB Straßberg ST 17 HRB Meisdorf ST 4,47 hinterlegt. HRB - Hochwasserrückhaltebecken DRV - Deichrückverlegung HWS - Hochwasserschutz (Stand: ) Maurer, Flood Management Berlin, Seite 30

16 Ad-hoc-Untersuchungen zur Ermittlung der Wirkungen der Hochwasserschutzmaßnahmen des Nationalen Hochwasserschutzprogramms (NHWSP) Abschätzung theoretisch maximaler Wirkung Promny et al. (2014), BfG-1833 Maurer, Flood Management Berlin, Seite 31 Ad-hoc-Untersuchungen zur Ermittlung der Wirkungen der Hochwasserschutzmaßnahmen des Nationalen Hochwasserschutzprogramms (NHWSP) Zusammenfassung BfG Ergebnis Teilbericht 1 Pegel berücksichtigte Anzahl Flussgebiet Hochwasserereignisse Zeithorizonte Zahl der Kombinationen Maßnahmen bis 2021 alle Spanne theoretisch maximaler Wirkung (TMW) [cm] Donau Elbe Rhein Oder Weser Summe Maurer, Flood Management Berlin, Seite 32

17 Ad-hoc-Untersuchungen zur Ermittlung der Wirkungen der Hochwasserschutzmaßnahmen des Nationalen Hochwasserschutzprogramms (NHWSP) Mögliche Varianten Teilbericht 2 Maurer, Flood Management Berlin, Seite 33 Fazit Jedes katastrophale Hochwasserereignis deckt Defizite der bestehenden Systeme und Strukturen auf. Möglichkeiten zu deren Minderung bestehen Erforderliche Technologien sind verfügbar Sie müssten nur konsequent eingesetzt werden. Maurer, Flood Management Berlin, Seite 34

18 Abschließende Fragen Welchen Anspruch / welches Selbstverständnis entwickelt das NHWSP? Welchen Platz bzw. welche Rolle will und soll es innerhalb der existierenden Strukturen einnehmen? Welche Service-Level sind gewünscht + finanzierbar? Investitionen in Entwicklungsprojekte, Infrastrukturen, Personal? Organisatorische Veränderungen? Maurer, Flood Management Berlin, Seite 35 (Der Spiegel 12/2015) Vernetzte Sensoren: Internet der Dinge Echtzeit Überwachung Modellbildung mittels Big Data Echtzeit Prognosen Viele digitale Projekte sind Friedhöfe Kosten für Transfer analog zu digital und anschließendes Hosting 9x höher als beim analogen Medium Maurer, Flood Management Berlin, Seite 37

19 Literatur Busch, Hammer (2006): Modellgestützter Nachweis der Auswirkungen von geplanten Rückhaltemaßnahmen in Sachsen und Sachsen-Anhalt auf Hochwasser der Elbe. BfG Busch, Hammer (2007): Auswirkungen von geplanten Rückhaltemaßnahmen an der Elbe in Sachsen und Sachsen-Anhalt auf Hochwasser der Elbe. Dresdener Wasserbaukolloquium Seiten Busch, Hammer (2009): Einheitliche Grundlage für die Festlegung der Bemessungswasserspiegellagen an der Elbe auf der frei fließenden Strecke in Deutschland. BfG Hatz, Busch (2011): Ermittlung des Einflusses der Flutung der Havelniederung auf Hochwasser an der Elbe im Bereich des HQ100. BfG Busch, Balvín, Hatz, Krejcí (2012): Bewertung von Einflüssen tschechischer und thüringischer Talsperren an Moldau und Elbe in Tschechien und Deutschland mittels Einsatz mathematischer Abflussmodelle. BfG Hatz, Busch (2013): Großräumige Einflüsse tschechischer und deutscher Talsperren auf ausgewählte extreme Hochwasser an der deutschen Binnenelbe. Dresdner Wasserbaukolloquium Seiten Hatz, Busch (2013): Beeinflussung von Hochwassern der Elbe durch den Betrieb von Talsperren in Tschechien und Thüringen. Die Zukunft des Wasserhaushaltes im Elbegebiet. Dresden November Seite Rommel, Hatz (2012): Recherche und Aufbereitung von Inhalten historischer Karten der Elbe zur Nutzung in der Flusshydrologischen Software FLYS. BfG Rommel, Hatz, Weniger (2012): Verlaufsrekonstruktion der deutschen Binnenelbe um 1830/1850 zur Bearbeitung hydromorphologischer Fragestellungen. Hydrologie und Wasserbewirtschaftung. Heft 6/2012. Seite Promny, Hammer, Busch (2014): Untersuchungen zur Wirkung der Deichrückverlegung Lenzen auf das Hochwasser vom Juni 2013 an der unteren Mittelelbe. Korrespondenz Wasserwirtschaft 2014(7), Nr. 6 Promny, Busch, Maurer (2014): Ad-hoc-Untersuchungen zur Ermittlung der Wirkungen von Hochwasserschutzmaßnahmen des Nationalen Hochwasserschutzprogramms. Teilbericht 1. BfG In Kürze verfügbar Promny, Hammer, Hatz, Busch (2015): 2D-Modellierung der unteren Mittelelbe zwischen Wittenberge und Geesthacht. BfG In Kürze verfügbar. Maurer, Flood Management Berlin, Seite 38 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Dr.-Ing. Thomas Maurer Referatsleiter Wasserhaushalt, Vorhersagen und Prognosen Bundesanstalt für Gewässerkunde Am Mainzer Tor Koblenz Tel.: 0261/ thomas.maurer@bafg.de Maurer, Flood Management Berlin, Seite 39