Ermittlung des Hochwasserschadenspotenzials der Landeshauptstadt

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1 Ermittlung des Hochwasserschadenspotenzials der Landeshauptstadt Dresden Karl-Otto Zeißler 1, Thomas Hertwig 1 & Horst Ullrich 2 1 Beak Consultants GmbH, Am St. Niclas Schacht 13, Freiberg, zeissler@beak.de 2 Landeshauptstadt Dresden, Umweltamt, Postfach , Dresden Für das Gebiet der Landeshauptstadt Dresden sind als wesentliche Grundlage des Planes Hochwasservorsorge Dresden (PHD) flächenbezogene Aussagen zur Vermögensschädigung und Einwohnerbetroffenheit bei verschiedenen Hochwasserereignissen zu treffen. Als Grundlagendaten dienen Wassertiefen, die Flächennutzung und blockbezogene Einwohnerstatistiken. Die Aussagen zu den Schäden werden bezogen auf Referenzflächen ( stadträumliche Betrachtungsgebiete ) monetär und als Einwohnerbetroffenheiten (nichtmonetär) erbracht. Die Berechnungen erfolgten auf der Basis einer angepassten Methodik des Sächsischen Landesamtes für Umwelt und Geologie zur Erstellung von Gefahrenhinweiskarten zunächst für die Hochwasserereignisse Die technische Lösung erfolgte im Rahmen eines GIS-Projektes unter Verwendung der Software Spatial Analyst der Fa. ESRI. As the major basis for the Plan Hochwasservorsorge Dresden (PHD) statements about the loss of property and the consequences for inhabitants were to be made according to various flood events. Water depth, land use and block inhabitant statistics served as the basic data.. The predictions, applied to reference areas so called "town observation areas" were made with regard to monetary value and the number of affected inhabitants. The calculations were based on a modified methodology of the Saxonian State Authority for Environment and Geology for flood damage prediction. The technical solution was conducted with a GIS project using ESRI software including the Spatial Analyst. 1 Das Hochwasserschadenspotenzial (HWSP) als Element des Planes Hochwasservorsorge Dresden (PHD) Die Landeshauptstadt Dresden erlitt insbesondere durch das Hochwasser vom August 2002 bedeutende Schäden. Da Dresden durch derartige Hochwasserereignisse wiederholt geschädigt und in seiner Entwicklung nachhaltig behindert werden kann, wurde durch den Stadtrat die Erarbeitung eines Planes Hochwasservorsorge Dresden (PHD) beschlossen. Der PHD dient als kommunales Steuerungsinstrument aller Maßnahmen der Hochwasservorsorge und des Hochwasserschutzes. Im Einzelnen beinhaltet der PHD: die Zusammenstellung ereignis- und ortsbezogener Informationen zu Ursachen, Ablauf und Wirkung möglicher Hochwasser in Dresden, die Analyse anderer Bau- und Fachplanungen hinsichtlich ihrer Auswirkungen auf mögliche Hochwasser, die Definition gebiets- und/oder objektbezogener Schutzziele für Nutzungen anhand differenzierter Schadenspotenziale, die Betrachtung des gesamten hochwasserrelevanten Gewässersystems Dresdens in seiner Komplexität und Interaktion auch mit dem Entwässerungssystem, einen Gebietsbezug auf der Ebene des Flächennutzungsplanes bzw. Landschaftsplanes, die Loslösung von der primären Betrachtung einzelner Gewässersysteme und stattdessen Fokussierung auf innerstädtische Identitätsbereiche vergleichbarer Hochwassergefahr; die sogenannten stadträumlichen Betrachtungsgebiete (SBG). Das Hochwasserschadenspotenzial, ausgedrückt in monetärer Form und in der Anzahl betroffener Einwohner, ist hierbei ein wichtiges Kriterium zur Festlegung von Prioritäten bei der Maßnahmenauswahl. Geologische Modellierung 247

2 58. Berg- und Hüttenmännischer Tag: GIS Geowissenschaftliche Anwendungen und Entwicklungen 2 Vier Hochwasserereignisse Das Gewässersystem im Stadtgebiet Dresden Obwohl sich das Hochwasserereignis 2002 für den Außenstehenden in erster Linie als Elbe- Hochwasser darstellte, bestand es in Wirklichkeit aus vier Teilereignissen. Zum Verständnis ist es hilfreich, sich mit dem Gewässersystem im Stadtgebiet vertraut zu machen (siehe Abbildung 1). Neben der Elbe berühren noch 3 Gewässer 1. Ordnung das Stadtgebiet (Weißeritz, Lockwitzbach, Große Röder). Das Gewässernetz 2. Ordnung besteht aus über 400 kleineren Fließgewässern. Daneben ist der pleistozäne Hauptgrundwasserleiter zu beachten, der maßgeblich von einem Elbe-Hochwasser beeinflusst wird. 2.2 Hochwasser an Gewässern 2. Ordnung In der zeitlichen Abfolge begann das Hochwasser mit Überschwemmungen an Gewässern 2. Ordnung (Abbildung 2). Am markantesten war dies an der Überschwemmung des Großen Gartens durch den Kaitzbach zu beobachten. Abb. 1: Gewässersystem der Stadt Dresden. Abb. 2: Überschwemmte Flächen durch Gewässer 2. Ordnung. 2.3 Hochwasser an Gewässern 1. Ordnung Wenige Stunden danach begannen die Überschwemmungen an Weißeritz und Lockwitzbach (Abbildung 3). In das öffentliche Bewusstsein wurde insbesondere das Weißeritz-Hochwasser gerückt. 2.4 Elbe-Hochwasser Wenig später folgte das bekannte Elbe- Hochwasser. Seine Ausmaße sind Abbildung 4 zu entnehmen. Abb. 3: Überschwemmte Flächen durch Gewässer 1. Ordnung. 2.5 Grundhochwasser Weitgehend unbeachtet von der Öffentlichkeit blieb das Grundhochwasser (Abbildung 5). Betroffen waren u.a. Keller vieler Gebäude und die unterirdische Infrastruktur, die von den eigentlichen Überschwemmungen verschont geblieben waren. Abb. 4: Überschwemmte Flächen durch das Elbe-Hochwasser. 248 Geologische Modellierung

3 Karl-Otto Zeißler et al. Ermittlung des Hochwasserschadenspotenzials der Landeshauptstadt Dresden Im Rahmen des Modells werden folgende Grundbegriffe verwandt: spezifischer Vermögenswert W(N); in /m², Schädigungsfunktion S(T,N); in %, Schädigungsanteil A(T,N) = S(T,N) / 100%, Spezifischer Vermögensschaden V(T,N) = W(N) * A(T,N); in /m², Einwohnerbetroffenheit; in Anzahl je Bezugsfläche. Abb. 5: Verbreitung des Grundhochwassers (Grundwasserflurabstand < 3 m). 3 Methodik der Ermittlung des Hochwasserschadenspotenzials (HWSP) nach LfUG (2005) 3.1 Grundbegriffe Die hier zitierte Methodik stellt das HWSP als Funktion der Flächennutzung und der Wassertiefe dar (Abbildung 6). Auf der Fläche sind die materiellen Schäden in sowie die Anzahl der durch das Hochwasser betroffenen Einwohner zu ermitteln. Folgende Nutzungskategorien finden Verwendung: Siedlung, Industrie/Gewerbe, Verkehr, Landwirtschaft, Forst, Grün-, Sport-, Freizeitfläche, Wasserfläche, sonstige. 3.2 Spezifischer Vermögenswert Der spezifische Vermögenswert teilt sich für Siedlungsflächen in immobiles, mobiles und PKW-Vermögen. Für Industrie- und Verkehrsflächen wird immobiles und mobiles Vermögen ausgewiesen. Die gesamten Angaben zu den Vermögenswerten lassen sich in folgender Tabelle 1 zusammenfassen. 3.3 Schädigungsfunktion Es war das Ziel, die Schädigungsfunktion in ein einheitliches Rechenschema zu bringen. Dieses Schema sieht wie folgt aus. S * (T,N) = f q (N) * T² + f l (N) * T + f c (N) S(T,N) = min(s * (T,N) ; f max (N)) Diese Formeln werden auf jede der drei Vermögenswertanteile (immobil, mobil, PKW) angewandt. Die Tabelle der zugehörigen f- Koeffizienten hat folgendes Aussehen (Tabelle 2). 3.4 Berechnung des Hochwasserschadenspotenzials (HWSP) Monetärer Schaden Man teilt die Untersuchungsfläche in solche Teile, von denen man annehmen kann, dass sie sowohl eine konstante Hochwassertiefe als auch Tab. 1: Spezifische Vermögenswerte in /m² nach LfUG (2005). Abb. 6: Modellschema - Auf einer Fläche der Nutzung N steht Wasser der Tiefe T. Geologische Modellierung 249

4 58. Berg- und Hüttenmännischer Tag: GIS Geowissenschaftliche Anwendungen und Entwicklungen Tab. 2: Koeffiziententabelle für die Schädigungsfunktionen (immobil, mobil, PKW-Vermögen). eine konstante Nutzung aufweisen. Für jede dieser Teilflächen wird über die Schädigungsfunktion S(T,N) der Schädigungsanteil A(T,N) und der spezifische Vermögensschaden V(T,N) ermittelt. Das erfolgt für die drei Vermögensbestandteile immobil, mobil und PKW-Vermögen. Für jede Teilfläche ergibt sich der absolute Vermögensschaden durch Multiplikation des spezifischen Vermögensschadens mit dem Flächeninhalt der Teilfläche. Für den konkreten Fall der Stadt Dresden waren die Teilflächen Raster in der Auflösung 2x2m. Durch Aufsummierung aller Werte der Teilflächen, die innerhalb einer Bezugsfläche liegen, errechnet man den Vermögensschaden der Bezugsfläche. Die Rolle der Bezugsflächen spielten im Fall der Stadt Dresden die stadträumlichen Betrachtungsgebiete Einwohnerbetroffenheiten Für Dresden lag ein flächendeckendes Shapefile mit sogenannten Blockdaten vor. Jeder Block beinhaltet Informationen zur Flächennutzung und zur Einwohnerzahl zu einem bestimmten Stichtag. Unter der Annahme, dass die Einwohner innerhalb eines Blockes gleich verteilt sind, kann man die Anzahl vom Hochwasser betroffener Einwohner über den Flächenanteil der überschwemmten Blockfläche ermitteln. Auch hier geschieht im folgenden Schritt die Aufsummierung über die Blöcke, die in der jeweiligen Bezugsfläche liegen. 4 Anpassung der Methodik an die Bedingungen der Stadt Dresden 4.1 Ergänzung der LfUG-Methodik um Schadenspotenzial aus Grundhochwasser Auf der Grundlage über den Schadensanteil des Grundhochwassers an den Gebäudeschäden wurde von den Bearbeitern abgeleitet, dass das Grundhochwasser ca. 1% des Wertes von Siedlungs- und Industrieflächen schädigt, sobald der Grundwasserflurabstand weniger als 3 m beträgt. Dieser Wert wurde ebenso auf Verkehrswege angesetzt mit dem Unterschied, dass hier der Schwellwert 1,5 m beträgt. Die daraus abgeleiteten Schädigungsfunktionen sind in Abbildung 7 dargestellt. Auch hier gelang es, das Rechenschema aus 3,3 zu bedienen, allerdings ohne die Unterscheidung in die 3 Vermögensarten. (siehe Tabelle 3). Tab. 3: Koeffiziententabelle für die Schädigungsfunktion aus Grundhochwasser. Abb. 7: Schädigungsfunktion für Grundhochwasser. 250 Geologische Modellierung

5 Karl-Otto Zeißler et al. Ermittlung des Hochwasserschadenspotenzials der Landeshauptstadt Dresden Tab. 4: Schadensprognosetabelle - HW an Gewässern 2. Ordnung; SBG 20; nutzungsbezogen. 4.2 Modifizierung der spezifischen Vermögenswerte Die LfUG-Methodik geht zunächst von mittleren spezifischen Vermögenswerten aus, die für ganz Sachsen gelten. Die Bearbeiter haben jedoch postuliert, dass dieser spezifische Vermögenswert in der Nutzungsklasse Siedlung mit der Einwohnerdichte korreliert. Dresden hat eine wesentlich größere Einwohnerdichte, als der sächsische Durchschnitt. Es wurde ein Verhältnis von 2.36 : 1 ermittelt. Die spezifischen Vermögenswerte für Siedlungsgebiete wurden daraufhin mit dem Faktor 2.36 multipliziert. 4.3 Kombinierte Schädigungsfunktion Restwertschädigung Das Hochwasserereignis 2002 zeichnete sich durch eine kurzzeitige Aufeinanderfolge von vier Teilereignissen aus (siehe 2.). Es gab Flächen im Stadtgebiet, die von bis zu 3 dieser Teilereignisse betroffen waren. Es erhebt sich die Frage, wie in diesem Fall die Schäden der Einzelereignisse zu kombinieren sind. Die Lösung nach dem Prinzip der Restwertschädigung ergab folgende Formel der Kombination der Schädigungsanteile: A = 1 (1 A 2 ) * (1 A 1 ) * (1 A E ) * (1 A G ) spezifische Vermögenswerte, Flächennutzung, Wassertiefen, Schädigungsfunktion, spezifische Vermögensschäden, Einwohnerbetroffenheiten. Anhand dieser Karten erhält man einen guten Überblick über die Schwerpunktgebiete mit besonders hohen zu erwartenden Schäden, sowohl anteilig als auch in absoluten Beträgen. 5.2 Tabellen Die auf die Bezugsflächen akkumulierten Schadensinformationen, Einwohnerbetroffenheiten und betroffenen Flächeninhalte werden in Tabellenform ausgegeben. Es werden je Hochwasserereignis unterschiedliche Akkumulationsniveaus bedient: bezogen auf die Nutzungsklassen bezogen auf die stadträumlichen Betrachtungsgebiete (SBG) bezogen auf die Nutzungsarten in jedem SBG 5 Ergebnisdarstellung 5.1 Karten Für die Ergebnisermittlung wurde ein spezielles GIS-Projekt unter Verwendung von Softwareprodukten der Firma ESRI aufgebaut. Als zentrales Softwareinstrument kam der Spatial Analyst zum Einsatz. Folgende Informationen wurden in Kartenform für jedes Hochwasserereignis dargestellt: Abb. 8: Lage des SBG 20. Geologische Modellierung 251

6 58. Berg- und Hüttenmännischer Tag: GIS Geowissenschaftliche Anwendungen und Entwicklungen Infolge des mittelnden Charakters der angewandten Methodik sind die Aussagen für größere Flächeneinheiten mit einem geringeren Fehler behaftet, als die für kleinere Flächeneinheiten. Als Beispiel folgt der Kartenausschnitt (Abbildung 8) und die nutzungsbezogene Tabelle (Tabelle 4) für das SBG Sonderbetrachtung von Einzelobjekten In Dresden waren einige Einzelobjekte von besonders hohem Vermögenswert vom Hochwasser 2002 betroffen (z.b. Semper-Oper, Gemäldegalerie, Zwinger). Die hier tatsächlich aufgetretenen Einzelschäden werden deutlich von der Prognose unterschätzt. Die Methodik trifft an dieser Stelle an ihre Grenzen. Sie geht von mittleren Vermögenswerten und Schädigungsvorgängen durch Hochwasser aus. Einzelobjekte, wie die genannten, werden hiervon nur ungenügend berücksichtigt. Für solche Objekte ist es erforderlich, ggf. separate Schadensprognosen durch Einzelfallbetrachtung durchzuführen. 6 Literaturhinweise LANDESHAUPTSTADT DRESDEN, UMWELTAMT (2006): Plan Hochwasservorsorge Dresden, Zwischenbericht LFUG (2005): Hochwasser in Sachsen Gefahrenhinweiskarte. Herausgeber: Sächsisches Landesamt für Umwelt und Geologie. Dresden. ZEIßLER, K.-O & HERTWIG, TH. (2006): Ermittlung des Schadenspotenzials von Hochwässern der Elbe, der Gewässer I. und II. Ordnung und des Grundwassers auf dem Gebiet der Stadt Dresden. - Beak Consultants GmbH, Freiberg/Sa S. (unveröff. Bericht) 252 Geologische Modellierung