Risiko Erdbeben: Ausblick auf eine notwendige stochastische Risikoanalyse für die Trinkwasserversorgung in Tübingen

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1 Risiko Erdbeben: Ausblick auf eine notwendige stochastische Risikoanalyse für die Trinkwasserversorgung in Tübingen Peter Fink (Versicherungsmathematiker, Tübingen) James Daniell (Dr.-Ing. Bauingenieurwesen, Karlsruhe Institute of Technology)

2 Säulen der Wasserversorgung und Ersatzmaßnahmen bei Ausfall (Quelle: BBK*) Der Wasserversorger (SWT) ist nur bis unterhalb der Extremsituation verantwortlich Darüber hinaus, d.h. im Katastrophenfall (Erdbeben, Hochwasser,...) ist die Kommune verantwortlich, die Vorsorge zu treffen und einen Notversorgungsplan auszuarbeiten. **Bundesamt für Bevölkerungsschutz und Katastrophenhilfe

3 Risikoanalyse der Trinkwasserversorgung gemäß BBK: "Grundsätzlich ist die Wasserversorgung im Rahmen der kommunalen Daseinsvorsorge eine gemeindliche Pflichtaufgabe, die vor allem bei Ausfall der leitungsgebundenen Versorgung verschiedene zuständige Aufgabenbereiche innerhalb und außerhalb der Kommune (Gesundheitsbehörde, Katastrophenschutzbehörde) besonders fordert." "Im Zusammenhang mit außergewöhnlichen Gefahrenlagen ist die Betrachtung der Verwundbarkeit des Wasserversorgungssystems von großer Bedeutung. Denn nur durch die Berücksichtigung der für die Verwundbarkeit charakteristischen Faktoren wie Funktionsanfälligkeit und Ersetzbarkeit kann über Art und Umfang der Betroffenheit und der anfallenden Schäden entschieden werden und somit eine realistische Ermittlung und Priorisierung von Risiken ermöglicht werden." "Störungen größeren Ausmaßes, die eine Einbindung des Katastrophenschutzes notwendig werden lassen, werden aufgrund der geringen Eintrittswahrscheinlichkeit oft nur unzureichend berücksichtigt."

4 Teilaspekt der Risikoanalyse der Trinkwasserversorgung für Tübingen: Erdbebenrisiko Erdbebenrisiko muss einbezogen werden Bestimmung von Schadensausmaß und Eintrittswahrscheinlichkeit des Erdbebenrisikos muss geleistet werden

5 Teilaspekt der Risikoanalyse der Trinkwasserversorgung für Tübingen: Erdbebenrisiko "Die Trinkwasserversorgung Tübingens ist auch ohne den Brunnen Au zu jeder Zeit sichergestellt", steht in der städtischen Vorlage 110/2017. Ist dieser Satz wahr? Erdbebenrisiko muss einbezogen werden Die Risikoanalyse ist eine hochkomplexe Aufgabe, deren Erfüllung folgendes voraussetzt: Bestimmung von Schadensausmaß und Eintrittswahrscheinlichkeit des Erdbebenrisikos muss geleistet werden - Zugriff auf historische Schadendaten von Beben - Einbeziehen der geophysikalischen Struktur, Bodenbeschaffenheit - stochastische Modellierung und Simulation von Erdbebenereignissen - Vulnerabilitätsfunktionen für die Komponenten der Versorgung (Pumpen, Pipelines, )

6 Erdbeben? Aber ich wohne in Deutschland?

7 Ist Deutschland von Erdbeben gefährdet? Jahre probabilistisch Letzte 1200 Jahre

8 Historische Erdbeben: Basel 1356 Schäden bis 50km Entfernung Etwa Tote Mw , Int. 8.5, bis Paris gespürt Epizentrum eigentlich südlich von Basel (Reinach Bruchzone) RMS,

9 Historische Erdbeben: 1911 Ebingen Ungefähr Mw5.7-Mw5.8, Int. 8; Int. VI+ in Tübingen Ungefähr 1 Mio. Goldmark an Schäden Schäden auch in der Schweiz Schäden an vielen Orten in BW 9

10 Historische Erdbeben: Albstadt 1978 (wie 1655 Tübingen) 6250 beschädigte Gebäude 40 Verletzte Ungefähr 130 Mio. DM Mw5.1, Int

11 Erdbebenrisiko = Exponierung x Gefährdung x Vulnerabilität Verschiedene Objekte Wasserverteilungssystem (Druckrohr, Armaturen, Pumpwerke) Historische Erdbeben, Modellierung, Standorteffekte Schadensgrad, Baujahr, Baunormen, Vulnerabilitätsklasse. 11

12 Gefährdung Wellen Bodenbewegung Spektren Intensität 12

13 Bodeneffekte/Baugrund in Deutschland Schwer zu berechnen wegen fehlender Studien und Unbestimmtheiten Kombination von geologischem Untergrund und Topographie! Standorteffekte und die Geologie spielen eine wichtige Rolle für Schäden Albstadt Erdbeben 1978: Bis zu 5-facher Unterschied bei Schädigung durch unterschiedliche Bodentypen. DIN4149 Intensitätsteigerung Influence Bodeneffekte of soil (with für Albstadt age combined) 1978 MDR (%) Riverbed soil (low) Slope with soil (medium) Limestone Rock (high) Ebingen Tailfingen Onstmettingen Vs30, Allen et al.,

14 Sekundäreffekte 70% der weltweitliche Schäden von Erdbeben kommt von Bodenschütterung. In Deutschland - 99% prognosiert Es gibt fünf Hauptsorten von Sekundäreffekten:- Ca. 0.25% Ca. 0.7% Feuer Bodenverflüssigung Erdrutsch Bruchzonebewegung Tsunami 14

15 15 Tübingen und seine Wasserversorgung in höchstem Erdbebengebiet Deutschlands und - probabilistisch gesehen - Nordwest- Europas

16 Was machen wir gesetzlich um Erdbebenschäden zu vermindern? - Baunorm (DIN4149) 1957 erste Baunorm (nicht gesetzlich) 1972 Baden-Württemberg (nicht gesetzlich) 1981 DIN4149 gesetzlich aber Bundesländer mussten die individuell annehmen. (Stärkste Zone = 0.1g) 1988 StBA Ost-Deutschland 2005 Eurocode 8 angenommen in Baden-Württemberg und nachfolgend die anderen Bundesländer. (Stärkste Zone = 0.08g.) 16

17 Vulnerabilität Infrastruktur: Trinkwasserversorgung / Leitungen Vulnerabilität der Wasserversorgung bei Erdbeben Historische Beispiele (viele!!)

18 Vulnerabilität Infrastruktur: Wasserversorgungsleitungen Eine exemplarische Hochrechnung des Risikos: Beispiel Albstollen: Metallrohre Durchmesser 2,25 Meter Durchfluss 4600 Liter / sec Länge 24 KM Tiefe 110 Meter maximal sichere Bauweise auf diesem Bauabschnitt der Bodenseewasserversorgung! Dennoch verbleibt sogar hier eine (mit herkömmlichen Vulnerabilitätskurven) errechnete Wahrscheinlichkeit entlang des Rohrs eines Bruches von 0.018% pro Jahr (nur Rohr)

19 Vulnerabilität Infrastruktur: Wasserversorgungsleitungen Vulnerabilität der Pipelines: Hauptleitung Im Erdbebenfall bestehen bei Beschädigung der Trinkwasserversorgungsleitungen kritische Abhängigkeiten mit: Versorgung der Gebäude Versorgung des Gesundheitssystems (Krankenhäuser!) Versorgung der Feuerwehr Versorgung der Schutzeinrichtungen (Notunterkünfte etc.) Elektrizitätsversorgung (Pumpenausfall)

20 Vulnerabilität Infrastruktur: Wasserversorgungsleitungen Andere Bauabschnitte der Bodensee- Wasserversorgungsleitungen bergen teils höhere Risiken : Material? (Betonrohre, ) Durchmesser? Bautiefe? Segmentierte Leitungen? Welcher Rohrverbindungstyp? Alter eine evtl. weniger sichere Bauweise als im Bauabschnitt Albstollen führt auch zu ggf. erhöhter Vulnerabilität

21 Jeder Teil des Wasserversorgungssystems trägt Risiko deshalb ist Netzwerkredundanz wichtig. Typischerweise dauert die Wiederherstellung des Wassersystems Tage nach einem großen Erdbeben. 21

22 Stochastische Analysen (bis jetzt nur teilweise gemacht) Netzwerkrisikoassessment wird gebraucht er von möglichen Szenarien berechnen und dann die Netzwerkschaden analysieren und quantifizieren. 22

23 Fazit Eine möglichst große Diversifizierung der Trinkwasserquellen in Erdbebenregionen wie Tübingen ist sehr sinnvoll. Netzwerkanalysen Risikoassessment für Erdbeben (und andere Naturkatastrophenarten sehr wichtig. Die Tübinger Trinkwasserversorgung kann grundsätzlich durch ein schweres Erdbeben (Makroseism. Intensität >= VII+) beeinträchtigt werden. Als mögliche Ursachen kommen in Frage: Ausfall der Bodensee-Wasserversorgung Ausfall von lokalen Brunnen Ausfall der Systeme durch andere Schäden 23

24 Appendix: Heutiger und künftiger Status des Aubrunnens

25 Der aktuelle Status des Au-Brunnens SWT: Der Au-Brunnen ist ein Reservebrunnen, er speist seit vielen Jahren nicht ins Netz ein Er liegt unter einem Wasserschutzgebiet (WSG) Seine Trinkwasserqualität ist laufendsichergestellt Der Au-Brunnen kann jederzeit im Bedarfsfall ans Netz Darüber hinaus, d.h. im Katastrophenfall (Erdbeben, Hochwasser,...) kann die Kommune sofort auf eine Einspeisung des Au-Brunnen zurückgreifen, da seine Trinkwasserqualität gesichert ist.

26 Der von der Stadt Tübingen angestrebte künftige Status des Au-Brunnens: SWT: Der Au-Brunnen wird ein reiner Notbrunnen Er liegt nicht mehr unter einem Wasserschutzgebiet (WSG) Seine Trinkwasserqualität ist nicht mehr sichergestellt Der Au-Brunnen darf innerhalb der Normalversorgung nicht mehr ans Netz! Darüber hinaus, d.h. im Katastrophenfall (Erdbeben, Hochwasser,...) kann die Kommune auf eine Einspeisung des Au-Brunnen nur verzögert nach Prüfung des Gesundheitsamtes zurückgreifen, da seine Trinkwasserqualität NICHT gesichert ist.

27 Quellen: SYNER-G: Systemic Seismic Vulnerability and Risk Analysis for Buildings, Lifeline Networks and Infrastructures Safety Gain. Project D3.5 Fragility functions for water and waste-water system elements, 2010 SYNER-G: Systemic Seismic Vulnerability and Risk Analysis for Buildings, Lifeline Networks and Infrastructures Safety Gain. Project D5.4 Systemic vulnerability and loss for water and waste-water systems, 2011 American Lifelines Alliance: Seismic Fragility Formulations for Water Systems European Macroseismic Scale (1998): G. Grünthal (ed). Cahiers du Centre Européen de Géodynamique et de Séismologie Volume 15. Sicherheit der Trinkwasserversorgung. Teil 1: Risikoanalyse. Praxis im Bevölkerungsschutz Band 15, Bundesamt für Bevölkerungsschutz und Katastrophenhilfe