Forschungsbericht. Kompetenzzentrum für Hochwassermanagement & Bauvorsorge

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1 Forschungsbericht Kompetenzzentrum für Hochwassermanagement & Bauvorsorge Februar 2017

2 Inhaltsverzeichnis 1 Fachlicher Hintergrund Entwicklung eines GIS-gestützten Tools zur automatisierten Hochwasserrisikoanalyse für kritische Infrastrukturen Einleitung Aktueller Wissensstand zur Hochwasserrisikoanalyse Arbeiten des Kompetenzzentrums Quantifizierung des Hochwasserrisikos Parameter der Hochwassergefährdung Parameter zur Bestimmung der Hochwasservulnerabilität Hochwasserrisikomatrix Aufbau des Hochwasserrisiko-Modells für die Stromversorgung Ermittlung der Hochwassergefährdung Ermittlung der Hochwasservulnerabilität Ermittlung des Hochwasserrisikos Anwendung des Hochwasserrisiko-Modells für die Stromversorgung Diskussion der Ergebnisse Fazit und Ausblick Quellenverzeichnis Neue Entwicklungen im Bereich der Bauvorsorge Einleitung Stand der Technik Teilmobile/Mobile Hochwasserschutzsysteme Aufschwimmbare Hochwassersperren Einsatzmöglichkeiten Schlussfolgerungen Quellenverzeichnis Einsatz von Drohnen im Hochwasserrisikomanagement Hintergrund Aktuelles Beispiel: Deichbruch bei Breitenhagen im Juni Ausblick Quellenverzeichnis Fazit und Ausblick...53 SEITE 2 55

3 1 Fachlicher Hintergrund AUTOREN: MICHAEL EIDEN, ROBERT JÜPNER SEITE 3 55

4 Das Kompetenzzentrum für Hochwassermanagement und Bauvorsorge wurde im Jahr 2009 im Rahmen des von der Europäischen Union geförderten Interreg IV-A Projektes FLOW MS Hoch- und Niedrigwassermanagement im Mosel- und Saareinzugsgebiet gegründet, um in erster Linie betroffene Bürgerinnen und Bürger, Kommunen und alle im Planungs- und Umsetzungsprozess von Baumaßnahmen involvierten Akteure über hochwasserangepasstes Planen, Bauen und Sanieren zu informieren und praktische Hilfestellungen zu leisten. Nachdem das Projekt FLOW MS Ende 2013 auslief, wurde das Kompetenzzentrum in den Jahren 2014 und 2015 im Auftrag der Länder Saarland, Rheinland-Pfalz und Luxemburg und in 2016 im Auftrag des Landes Rheinland-Pfalz weitergeführt und gemeinsam vom Fachgebiet Wasserbau und Wasserwirtschaft der Technischen Universität Kaiserslautern und der Uniwasser GmbH in Kaiserslautern getragen. Es beschäftigt sich neben der Bauvorsorge auch intensiv mit neuen thematischen Forschungsschwerpunkten. Dabei spielen vor allem die Abschätzung von Hochwasserrisiken für kritische Infrastrukturen sowie aus den Erfahrungen des Hochwassers 2013 an Elbe und Donau resultierende Arbeiten zum Einsatz von Drohnen im Hochwasserrisikomanagement eine wichtige Rolle. Die Untersuchungen des Kompetenzzentrums für Hochwassermanagement und Bauvorsorge in Bezug auf kritische Infrastrukturen haben gezeigt, dass eine effektive Hochwasservorsorge insbesondere für die Stromversorgung essenziell ist, da viele andere kritische Infrastrukturen wie z.b. die Trinkwasser- und die Telekommunikationsversorgung von der Stromversorgung abhängig sind. Im Bereich der Bauvorsorge haben die Starkregenereignisse im Jahre 2016 in Bayern, Baden- Württemberg und Rheinland-Pfalz deutlich gemacht, dass durch die kurzen Vorwarnzeiten klassische Elemente der Bauvorsorge wie Dammbalkensysteme nur sehr begrenzt sinnvoll eingesetzt werden können. Es scheint daher zielführend, für besonders vulnerable Objekte Bauvorsorgemaßnahmen zu treffen, die unabhängig von der Vorwarnzeit und für den Aufbau verantwortlichen Personen eingesetzt werden können. Nicht nur die Starkregenereignisse in 2016, sondern auch das Hochwasser an Elbe und Donau im Jahre 2013 hat neue Fragestellungen und weitere Forschungsbereiche aufgezeigt. Aufgrund einer meist begrenzten Zugänglichkeit und der limitierten Anzahl an Hubschraubern und Satellitendaten fehlt eine Analysemethode, um z.b. bei einzelnen Schadstellen wie Deichbrüchen kontinuierlich Daten zu erfassen, die für die Einsatzplanung von Katastrophenschutzkräften von großer Wichtigkeit sind. Im Rahmen dieses Forschungsberichtes sollen einzelne Arbeitsschwerpunkte des Kompetenzzentrums für Hochwassermanagement und Bauvorsorge aus dem Jahr 2016 aufgezeigt werden. Dabei haben sich aus dem fachlichen Kontext folgende Fragestellungen ergeben: SEITE 4 55

5 Wie können die Arbeitsschritte der Hochwasserrisikoanalyse für kritische Infrastrukturen in einem GIS-Modell zusammengefasst und vereinfacht werden? Welche neuen Entwicklungen gibt es im Bereich der Bauvorsorge? Gibt es Bauvorsorgemaßnahmen, die auch bei kurzen Vorwarnzeiten, z.b. bei Starkregenereignissen, zuverlässig und wirksam funktionieren? Können Drohnen im Hochwasserrisikomanagement sinnvoll eingesetzt werden? Welche Daten kann man mit Drohnen erfassen und wie können diese ausgewertet werden? Die vorgestellten Arbeitsergebnisse enthalten auch die Ergebnisse studentischer Arbeiten, die an der TU Kaiserslautern angefertigt wurden. An dieser Stelle möchten sich die Verfasser bei Frau M.Sc. Kristina Diel sowie Herrn B.Sc. Dominik Blauth für Ihre Mitarbeit bei der Projektbearbeitung und Ihr persönliches Engagement bedanken. SEITE 5 55

6 2 Entwicklung eines GIS-gestützten Tools zur automatisierten Hochwasserrisikoanalyse für kritische Infrastrukturen AUTOR: CORINNA GALL, ROBERT JÜPNER SEITE 6 55

7 2.1 Einleitung Heutzutage ist unsere Bevölkerung mehr denn je auf eine stetige Verfügbarkeit unterschiedlicher Dienstleistungen und Produkte angewiesen, wobei die Versorgung über ein Netz aus Infrastrukturen sichergestellt wird. Die Infrastrukturen mit wichtiger Bedeutung für das staatliche Gemeinwesen, bei deren Ausfall oder Beeinträchtigung nachhaltig wirkende Versorgungsengpässe, erhebliche Störungen der öffentlichen Sicherheit oder andere dramatische Folgen eintreten würden (BMI 2009), werden als kritische Infrastrukturen bezeichnet. Hochwasserereignisse haben das Potenzial die stetige Verfügbarkeit kritischer Infrastrukturen zu gefährden. Um effektive Maßnahmen zu deren Schutz umsetzen zu können, sind Hochwasserrisikoanalysen eine wesentliche Voraussetzung. Durch die Kombination aus der Hochwassergefährdung am Standort der Infrastrukturen und deren Verwundbarkeit aufgrund der Hochwassereinwirkungen kann das Hochwasserrisiko identifiziert werden. Mithilfe von Geographischen Informationssystemen (GIS) kann das Hochwasserrisiko für die kritischen Infrastrukturen räumlich verortet und abgeschätzt werden. In der Regel werden die Arbeitsschritte der Hochwasserrisikoanalyse im GIS nacheinander durchgeführt. Mit der Verwendung eines GIS-gestützten Modells können diese Arbeitsschritte kombiniert werden, sodass die Hochwasserrisikoanalyse im Idealfall automatisiert abläuft. Auf diese Weise wird auch die Anwendbarkeit der Hochwasserrisikoanalyse vereinfacht, wodurch diese von einem breiteren Spektrum von Akteuren im Hochwasserrisikomanagement (z.b. Infrastrukturbetreibern oder Kommunen) durchgeführt werden kann. Darüber hinaus ist es ein wesentliches Ziel der Modellentwicklung, sektorenintern einen vergleichbaren Wert für das bestehende Hochwasserrisikos der einzelnen Infrastrukturanlagen zu erhalten, um diese hinsichtlich der Notwendigkeit einer baulichen oder sonstigen Anpassung zum Schutz der Anlagen vor Hochwasser zu priorisieren. Am Beispiel der Stromversorgung wurde das entwickelte Modell bereits in verschiedenen hochwassergefährdeten Untersuchungsgebieten angewendet. 2.2 Aktueller Wissensstand zur Hochwasserrisikoanalyse In Deutschland ist der Schutz kritischer Infrastrukturen eine Gemeinschaftsaufgabe verschiedener Akteure, wobei die zentralen bundesstaatlichen Maßnahmen vom Bundesministerium des Innern (BMI) sektorenübergreifend koordiniert werden. Da die Hochwasserrisikoanalyse für kritische Infrastrukturen als Voraussetzung zur Entwicklung geeigneter Schutzkonzepte für kritische Infrastrukturen zwingend erforderlich ist, beschäftigt sich das BMI auch mit dieser Thematik. In diesem Zusammenhang ist insbesondere die Publikation Schutz Kritischer Infrastrukturen Risiko- und Krisenmanagement (BMI 2011) zu nennen, die als Leitfaden für Unternehmen und Behörden Empfehlungen zur Hochwasserrisikoanalyse für kritische Infrastrukturen gibt. Darüber hinaus beauftragt das BMI die eigenen Geschäftsbereichsbehörden, wie z.b. das Bundesamt für Bevölkerungsschutz und Katastrophenhilfe (BBK) mit der Erarbeitung von Gefährdungs- und Vulnerabilitätsanalysen sowie mit der Entwicklung von Schutzkonzep- SEITE 7 55

8 ten für kritische Infrastrukturen. Darunter ist insbesondere Band 13: Indikatoren zur Abschätzung von Vulnerabilität und Bewältigungspotenzialen (BIRKMANN ET AL. 2011) der Schriftenreihe Forschung im Bevölkerungsschutz hervorzuheben, worin das Ablaufschema zum Verwundbarkeitsassessment (vgl. Abbildung 2.3), welches dem hier vorgestellten Modell zur Hochwasserrisikoanalyse zugrunde liegt, detailliert erläutert wird. Ergänzend dazu ist die Schriftenreihe Praxis im Bevölkerungsschutz zu nennen, welche ebenfalls vom BBK herausgegeben wird und u.a. auch die Hochwasserrisikoanalyse für kritische Infrastrukturen als Forschungsthema aufgreift. 2.3 Arbeiten des Kompetenzzentrums Das Kompetenzzentrum für Hochwassermanagement und Bauvorsorge hat in den Jahren 2014 und 2015 einen methodischen Ansatz zur Hochwasserrisikoanalyse für kritische Infrastrukturen auf kommunaler Ebene entwickelt, welcher inhaltlich an die auf Bundesebene erzielten Forschungsergebnisse des BMI und des BBK anknüpft (vgl. BMI 2011). Dabei wird über die Hochwassergefährdung am Standort der Infrastruktur und die dadurch hervorgerufenen Auswirkungen an der Infrastrukturanlage das Hochwasserrisiko für die jeweilige kritische Infrastruktur im Rahmen einer Verschneidung in einem Geographischen Informationssystem (GIS) abgeschätzt. Die grundlegende Methodik wurde erstmals im Rahmen eines Pilotprojektes an der Mosel im Jahr 2013 ausgearbeitet und anhand von zwei weiteren Pilotprojekten am Rhein stetig weiterentwickelt (vgl. GALL ET AL. 2014). Hinsichtlich der Abschätzung der Hochwassergefährdung am Standort der Infrastruktur kann für alle Infrastrukturen demnach grundsätzlich die gleiche methodische Vorgehensweise angewendet werden. Im Gegensatz dazu sind die hochwasserbedingten Auswirkungen für jeden Sektor der kritischen Infrastrukturen gesondert zu betrachten. Auf der Basis dieser methodischen Vorgehensweise wurde Anfang 2016 ein GIS-gestütztes Tool zur automatisierten Hochwasserrisikoanalyse für kritische Infrastrukturen mit der ESRI- Software ArcGIS 10.2 entwickelt, welches die wesentlichen Arbeitsschritte zur Bestimmung des Hochwasserrisikos zusammenfassen und vereinfachen soll. Dieses Hochwasserrisiko-Modell wurde im Rahmen der Masterarbeit von Frau Kristina Diel am Fachgebiet Wasserbau und Wasserwirtschaft der Technischen Universität Kaiserslautern aufgebaut (DIEL 2016). In der Masterarbeit wurde darüber hinaus das entwickelte Hochwasserrisiko-Modell in einem Untersuchungsgebiet in Rheinland-Pfalz getestet. Da jedoch in diesem Gebiet viele notwendige Datengrundlagen nicht vorhanden waren, konnten im Ergebnis der Masterarbeit keine fundierten Aussagen zur Anwendung des Modells in der Praxis getroffen werden. Aus diesem Grund wurde das Hochwasserrisiko-Modell im Anschluss an die Masterarbeit in einem weiteren Untersuchungsgebiet in Rheinland-Pfalz angewandt, in dem die erforderlichen Datengrundlagen bereits vorlagen. Außerdem wurde das Hochwasserrisiko-Modell im Zuge dieser Praxisanwendung weiter optimiert. SEITE 8 55

9 2.4 Quantifizierung des Hochwasserrisikos Zum Verständnis der Vorgehensweise einer Hochwasserrisikoanalyse, ist die Definition des Begriffs Hochwasserrisiko wichtig. Der Begriff Hochwasserrisiko wird in Art. 2 der Hochwasserrisikomanagement-Richtlinie (HWRM-RL) bzw. nach deren Umsetzung in deutsches Recht auch in 73 des Wasserhaushaltsgesetzes (WHG) definiert als Kombination der Wahrscheinlichkeit eines Hochwasserereignisses mit den möglichen nachteiligen Folgen auf die vier Schutzgüter menschliche Gesundheit, Kulturerbe, Umwelt und wirtschaftliche Tätigkeiten. In diesem Sinne ergibt sich das Hochwasserrisiko aus der Schnittmenge zwischen Gefährdung und Vulnerabilität (DKKV 2003) (vgl. Abbildung 2.1). Gefährdung Vulnerabilität Risiko Abbildung 2.1: Risiko als Schnittmenge aus Gefährdung und Vulnerabilität (in Anlehnung an DKKV 2003) Um das Hochwasserrisiko abschätzen zu können, müssen demnach sowohl die Hochwassergefährdung als auch die Hochwasservulnerabilität quantifiziert werden. Dazu können unter anderem die in Tabelle 2.1 aufgeführten Parameter herangezogen werden. Die fett markierten Parameter werden im Folgenden für den Aufbau des GIS-gestützten Models zur Hochwasserrisikoanalyse verwendet. Im Einzelnen wird auf die Parameter in den Abschnitten und eingegangen. Tabelle 2.1: Parameter der Hochwassergefährdung und -vulnerabilität Parameter Hochwassergefährdung Überflutungstiefe Fließgeschwindigkeit Eintrittswahrscheinlichkeit Räumliche Ausdehnung Überflutungsdauer Dynamik Parameter Hochwasservulnerabilität Exposition Funktionsanfälligkeit Bewältigungskapazität SEITE 9 55

10 2.4.1 Parameter der Hochwassergefährdung Der Begriff Gefahr kann beschrieben werden als Zustand, Umstand oder Vorgang, aus dem ein Schaden entstehen kann (PATT & JÜPNER 2013). Die Hochwassergefährdung wird in erster Linie durch die Parameter Überflutungstiefe, Fließgeschwindigkeit, Eintrittswahrscheinlichkeit, räumliche Ausdehnung, Überflutungsdauer sowie Dynamik des Hochwassers bestimmt. Bei der Ermittlung der Hochwassergefährdung werden zunächst ausschließlich die potenziellen Hochwasserszenarien betrachtet und in verschiedene Gefährdungsklassen unterteilt, ohne deren Auswirkungen auf die Infrastrukturen einzubeziehen. Inwiefern sich das jeweilige Hochwasserszenario auf die Infrastrukturen auswirkt, wird erst in der Vulnerabilitätsanalyse thematisiert. Die Parameter Eintrittswahrscheinlichkeit, Überflutungstiefe und räumliche Ausdehnung können aus den Hochwassergefahrenkarten abgeleitet werden. Diese können zur Weiterverarbeitung im Geographischen Informationssystem (GIS) für Rheinland-Pfalz als Rasterdaten vom Landesamt für Umwelt in Rheinland-Pfalz (LfU) angefordert werden (vgl. Abbildung 2.2). Abbildung 2.2: Hochwassergefahrenkarte für ein HQ 100 (Datengrundlage: LfU RLP, LVermGeo RLP) Die Eintrittswahrscheinlichkeit eines Hochwasserereignisses wird in der Wasserwirtschaft üblicherweise in Form von Jährlichkeiten angegeben. Dabei beschreibt die Jährlichkeit die mittlere Zeitspanne, in der ein Ereignis einen Wert einmal erreicht oder überschreitet bzw. einmal erreicht oder unterschreitet (PATT & JÜPNER 2013). Demnach entspricht ein HQ100 bzw. ein 100-jährliches Hochwasserereignis einem Abfluss, der im statistischen Mittel einmal in 100 SEITE 10 55

11 Jahren erreicht oder überschritten wird. In Rheinland-Pfalz stehen die Hochwassergefahrenkarten für die Jährlichkeiten HQ10, HQ100 und HQextrem entsprechend der Vorgaben der HWRM- RL öffentlich zur Verfügung (vgl. Darüber hinaus können die Hochwassergefahrenkarten für weitere Szenarien (HQ5, HQ25, HQ50) auf Anfrage vom LfU bereitgestellt werden. Durch die Verwendung verschiedener Hochwasserszenarien wird die Eintrittswahrscheinlichkeit in der Hochwasserrisikoanalyse berücksichtigt. Dabei ändern sich in jedem Hochwasserszenario u.a. die Parameter räumliche Ausdehnung und Überflutungstiefe. Grundsätzlich werden diese Parameter in den Hochwassergefahrenkarten durch die Verschneidung der Wasserspiegellagen für die verschiedenen Szenarien mit dem digitalen Geländemodell (DGM) ermittelt. Nach Vorgabe der HWRM-RL können in den Hochwassergefahrenkarten auf freiwilliger Basis auch Fließgeschwindigkeiten dargestellt werden. Insbesondere aufgrund des großen Arbeitsaufwands der dafür erforderlichen 2D-Modellierung wurde dies nur in Gebieten mit komplexen Strömungsvorgängen realisiert. Da die Informationen zur Fließgeschwindigkeit als Datengrundlage für das Modell zur Hochwasserrisikoanalyse nicht flächendeckend vorliegen und die Modellierung vor dem Hintergrund der Entwicklung eines einfach anzuwendenden Modells nicht zielführend erscheint, wird der Parameter Fließgeschwindigkeit im Folgenden nicht in die Betrachtung einbezogen. Die Überflutungsdauer beschreibt die Verweilzeit des Hochwassers im jeweils betrachteten Untersuchungsgebiet. Aufgrund der vielen äußeren Einflüsse (u.a. Relief, Bodenart, Dauer des Niederschlagsereignisses, Vorfeuchte der Böden) lässt sich die Überflutungsdauer nur schwer abschätzen. Gleiches gilt für die Dynamik des Hochwassers, die durch eine Vielzahl von Faktoren wie z.b. die Fließgeschwindigkeit, die Anzahl, Größe, Form und Anordnung von Gebäuden im Überflutungsgebiet sowie vom mitgeführten Geschiebe und Treibgut beeinflusst wird. Daher werden sowohl die Überflutungsdauer als auch die Dynamik des Wassers nicht als Parameter zur Quantifizierung der Hochwassergefährdung herangezogen. Die Quantifizierung der Hochwassergefährdung zum Aufbau des GIS-gestützten Hochwasserrisikomodells erfolgt ausschließlich auf der Grundlage der in den Hochwassergefahrenkarten vorliegenden Informationen, d.h. die Parameter Eintrittswahrscheinlichkeit, räumliche Ausdehnung sowie Überflutungstiefe werden zur Einschätzung der Hochwassergefährdung verwendet. Über eine lineare Verteilungsmatrix wird den zu Grunde liegenden Hochwasserszenarien in Abhängigkeit von der Überflutungstiefe ein Zahlenwert von eins bis fünf für die Hochwassergefährdung zugeteilt (vgl. Tabelle 2.2). Die lineare Verteilung zwischen der Eintrittswahrscheinlichkeit des Hochwasserszenarios und der Überflutungstiefe beruht auf einer Annahme, die im Rahmen der Anwendung des Hochwasserrisiko-Modells in der Praxis überprüft werden und ggf. verändert werden muss. Dabei ist die Auswahl der Hochwasserszenarien sowie der Abstände der Überflutungstiefen zum einen von den örtlichen Randbedingungen und zum anderen von den zur Verfügung stehenden Datengrundlagen abhängig. SEITE 11 55

12 Tabelle 2.2: Bestimmung der Gefährdungsklassen Überflutungstiefe Hochwasserszenario HQ5 HQ10 HQ50 HQ100 HQextrem < 1m m m m > 4m Gefährdungsklassen: 1 = sehr gering 2 = gering 3 = mittel 4 = hoch 5 = sehr hoch Parameter zur Bestimmung der Hochwasservulnerabilität Das Verfahren zur Bestimmung der Hochwasservulnerabilität richtet sich nach dem von BIRK- MANN ET AL. (2011) vom Bundesamt für Bevölkerungsschutz und Katastrophenhilfe (BBK) entwickelten Ablaufschema des Verwundbarkeitsassessments (vgl. Abbildung 2.3). Dieses ist aus sechs Arbeitsschritten aufgebaut, in denen die Komponenten der kritischen Infrastrukturen schrittweise zu fünf Verwundbarkeitsklassen zugeteilt werden. Abbildung 2.3: Ablaufschema des Verwundbarkeitsassessment (BIRKMANN ET AL. 2011) In den ersten beiden Arbeitsschritten werden das Hochwasserszenario sowie die zu untersuchenden Komponenten der kritischen Infrastrukturen festgelegt. In Bezug auf das Modell zur SEITE 12 55

13 Hochwasserrisikoanalyse werden dazu die Hochwasserszenarien der Hochwassergefahrenkarten genutzt und die Netzpläne der betrachteten Infrastruktur. Diese beiden Schritte sind als Vorbereitungsmaßnahmen zu verstehen, erst in den Arbeitsschritten drei bis sechs erfolgt eine Zuordnung zu den Verwundbarkeitsklassen. Durch die Überlagerung der digitalen Hochwassergefahrenkarten mit den Standorten der kritischen Infrastrukturen kann im dritten Schritt die Exposition der jeweiligen Komponenten ermittelt werden. Ist die zu betrachtende Komponente nicht exponiert, so erfolgt die Zuordnung in Verwundbarkeitsklasse I. Wenn die Komponente exponiert ist, wird im nächsten Arbeitsschritt die Funktionsanfälligkeit überprüft. Dies kann auf Grundlage der Überflutungstiefe sowie der Netzpläne der Infrastruktur in Abstimmung mit dem zuständigen Infrastrukturbetreiber durchgeführt werden. Wenn die Funktion der jeweiligen Komponente nicht beeinträchtigt wird, erfolgt eine Zuordnung in Verwundbarkeitsklasse II. Anschließend wird in Schritt fünf und sechs die Bewältigungskapazität beurteilt, die sich aus der technischen und organisatorischen Ersetzbarkeit zusammensetzt. Dabei wird zum einen geprüft, ob die technischen Voraussetzungen vorliegen, um die Komponente bei einem Funktionsausfall zu ersetzen und zum anderen, ob der Ersatz der Komponente auch organisatorisch durch das zur Verfügung stehende Personal umgesetzt werden kann. Auch dazu ist eine enge Zusammenarbeit mit dem zuständigen Infrastrukturbetreiber notwendig, da nur dieser über die (meist vertraulichen) Informationen verfügt. Als Hilfestellung eignet sich die vom BBK entwickelte Checkliste Organisatorische Bedingungen zur Ersetzbarkeit ausfallender Leistungen (BIRKMANN ET AL. 2013). Je nach Beurteilung der Bewältigungskapazität wird die zu untersuchende Komponente in die Verwundbarkeitsklassen III, IV oder V unterteilt. Die Bedeutung der Verwundbarkeitsklassen ist zusammenfassend in Tabelle 2.3 dargestellt. Tabelle 2.3: Bedeutung der Verwundbarkeitsklassen (DIEL 2016, verändert nach BBK 2013) Klasse Bezeichnung Erläuterung Keine Verwundbarkeit oder sehr Komponente ist nicht exponiert, d.h. beim I geringes Verwundbarkeitsniveau jeweiligen Hochwasserszenario nicht betroffen. II Geringes Verwundbarkeitsniveau Komponente ist exponiert, aber die Funktionsfähigkeit ist nicht beeinträchtigt. III Mittleres Verwundbarkeitsniveau Komponente ist exponiert, funktionsanfällig und vollständig ersetzbar. Hohes Verwundbarkeitsniveau Komponente ist exponiert, funktionsanfällig IV und nur z.t. ersetzbar. Im Hochwasser- fall ist mit einem teilweisen Funktionsausfall zu rechnen. Sehr hohes Verwundbarkeitsnivealig Komponente ist exponiert, funktionsanfäl- V und nicht ersetzbar. Im Hochwasserfall ist mit einem vollständigen Funktionsausfall zu rechnen. SEITE 13 55

14 2.4.3 Hochwasserrisikomatrix Zur Quantifizierung des Hochwasserrisikos erfolgt entsprechend der Definition des Hochwasserrisikos (vgl. Abschnitt 2.4) eine Verschneidung der Hochwassergefährdung und der Hochwasservulnerabilität mithilfe einer linearen Hochwasserrisikomatrix. Diese Herangehensweise zur Quantifizierung des Hochwasserrisikos nutzt der Praxisleitfaden Starkregen und urbane Sturzfluten des Bundes der Ingenieure für Wasserwirtschaft, Abfallwirtschaft und Kulturbau e.v. (BWK) (BWK 2013). Die Wahl einer linearen Verteilungsmatrix beruht auf einer Annahme, deren Praktikabilität zukünftig anhand realer Bedingungen überprüft wird. Entsprechend der Hochwasserrisikomatrix in Tabelle 2.4 wird jeder Komponente der zu untersuchenden kritischen Infrastrukturen eine Risikoklasse zwischen eins und fünf zugewiesen. Im Vergleich zu einer dreistufigen Einteilung sind mit einer fünfstufigen Klassifizierung genauere und vor allem differenziertere Aussagen möglich. Tabelle 2.4: Hochwasserrisikomatrix Gefährdung Vulnerabilität Risiko = sehr gering = gering = mittel = hoch = sehr hoch Die Verschneidung von Hochwassergefährdung und Hochwasservulnerabilität erfolgt durch die Bildung des arithmetischen Mittels zwischen Gefährdungswert und Vulnerabilitätswert ([Gefährdungswert + Vulnerabilitätswert] / 2 = Risikowert). Dabei wird ab einer Nachkommastelle von fünf aufgerundet, sodass sich nur ganzzahlige Werte ergeben. Die Risikoklassen werden zur Visualisierung im GIS einer Farbskala von grün nach rot zugewiesen. Tabelle 2.5: Erläuterung der Risikoklassen (DIEL 2016) Risikoklasse Bezeichnung sehr geringes bzw. Klasse I kein Risiko geringes Risiko Klasse II mittleres Risiko Klasse III Erläuterung Komponente ist bei betrachtetem Szenario nicht gefährdet und weist keine Vulnerabilität auf Komponente ist gering bis mittelmäßig gefährdet mit sehr geringer bis mittlerer Vulnerabilität Komponente ist hoch bis sehr hoch gefährdet und weist eine geringe bis sehr geringere Vulnerabilität auf ODER: Komponente ist mittelmäßig gefährdet und weist eine geringe bis mittlere Vulnerabilität auf ODER: Komponente ist sehr gering bis gering gefährdet und weist eine hohe bis sehr hohe Vulnerabilität auf SEITE 14 55

15 Klasse IV Klasse V hohes Risiko sehr hohes Risiko Komponente ist gering bis mittelmäßig gefährdet und weist eine hohe bis sehr hohe Vulnerabilität auf ODER: Komponente ist hoch bis sehr hoch gefährdet und weist eine geringe bis mittlere Vulnerabilität auf Komponente ist hoch bis sehr hoch gefährdet und weist eine hohe bis sehr hohe Vulnerabilität auf Durch die Einteilung der Komponenten der kritischen Infrastrukturen in Risikoklassen kann das Hochwasserrisiko der Komponenten für verschiedene Kommunen verglichen werden. Auf diese Weise können die Betreiber der kritischen Infrastrukturen die jeweiligen Komponenten hinsichtlich der Dringlichkeit der Umsetzung möglicher Schutzmaßnahmen priorisieren. 2.5 Aufbau des Hochwasserrisiko-Modells für die Stromversorgung Das Hochwasserrisiko-Modell wurde mithilfe des ArcGIS ModelBuilders erstellt und besteht aus den drei Bausteinen: Gefährdung, Vulnerabilität und Risiko. Während der erste Teil zunächst die Hochwassergefährdung als Kombination aus Eintrittswahrscheinlichkeit und Ausdehnung sowie Wassertiefe des jeweiligen Hochwasserszenarios darstellt, bezieht sich der zweite Teil auf die Auswirkungen des Hochwasserszenarios auf die Funktion der kritischen Infrastrukturen, welcher dem Ablaufschema zur Bestimmung der Vulnerabilität des Bundesamtes für Bevölkerungsschutz und Katastrophenhilfe (BBK) nachempfunden ist (vgl. Abbildung 2.3). Als Ergebnis dieser beiden Modell-Bausteine erfolgt eine Zuordnung von Gefährdungsklassen für das Untersuchungsgebiet und Vulnerabilitätsklassen für die Stromversorgungsanlagen, welche im dritten Modellschritt mithilfe einer linearen Verteilungsmatrix zu Risikoklassen kombiniert werden (DIEL 2016). Im Folgenden werden die erforderlichen Arbeitsschritte zum Aufbau des GIS-Modells anhand der Stromversorgung näher erläutert Ermittlung der Hochwassergefährdung Die Hochwassergefährdung wird wie in Abschnitt beschrieben durch die Kombination aus Eintrittswahrscheinlichkeit und Überflutungstiefe für jedes Hochwasserszenario bestimmt. Als Datengrundlage werden die digitalen Hochwassergefahrenkarten in Form von Raster-Layern verwendet. Da diese Rasterdaten in jedem Pixel Informationen über die Überflutungstiefe bei einem bestimmten Hochwasserszenario enthalten, können innerhalb des Layers Bereiche anhand der Überflutungstiefe abgegrenzt werden. Auf diese Weise werden gleichzeitig sowohl die Eintrittswahrscheinlichkeit des Hochwassers sowie die Überflutungstiefe berücksichtigt. Um diese Abgrenzung zu ermöglichen, erfolgt eine Reklassifizierung des Rasterlayers mithilfe des GIS-Tools Reclassify in die drei Gefährdungsklassen eines HQ100 nach Tabelle 2.2 (d.h. Gefährdungsklasse 2, 3 und 4). Im Anschluss an die Reklassifizierung wird der Raster-Layer über das GIS-Tool Raster in Polygon in ein Polygon-Layer umgewandelt. Dieser Schritt ist SEITE 15 55

16 erforderlich zur lagebezogenen Verschneidung der Hochwassergefährdung mit der Hochwasservulnerabilität im dritten Modell-Teil Hochwasserrisiko (vgl. Abschnitt 2.5.3). Anschließend wird der Polygon-Layer mithilfe des GIS-Tools Select entsprechend der Gefährdungsklassen für ein HQ100 in drei einzelne Feature Classes extrahiert. Die Arbeitsschritte des Hochwassergefährdungs-Modells im ModelBuilder sind in Abbildung 2.4 zusammenfassend dargestellt. Abbildung 2.4: Arbeitsschritte zur Bestimmung der Hochwassergefährdung im ModelBuilder (Auszug aus ArcGIS 10.2 von ESRI) Als Ergebnis der Ermittlung der Hochwassergefährdung ergeben sich für jedes verwendete Hochwasserszenario drei verschiedene Polygon-Layer, die für die jeweilige Gefährdungsklasse stehen. Welche Gefährdungsklassen bzw. Gefährdungs-Polygone bei welchem Hochwasserszenario ausgegeben werden, kann aus Tabelle 2.2 abgeleitet werden. Das Gebiet, das durch ein bestimmtes Gefährdungs-Polygon flächenhaft überlagert wird, ist demnach der klassifizierten Gefährdung beim betrachteten Szenario ausgesetzt Ermittlung der Hochwasservulnerabilität Die Vulnerabilität wird nach dem Ablaufschema des Verwundbarkeitsassessment (vgl. Abbildung 2.3) durchgeführt. Dabei werden für jedes Hochwasserszenario separat die Exposition, die Funktionsanfälligkeit sowie die (organisatorische und technische) Ersetzbarkeit der Komponenten der Stromversorgung bestimmt. Als Grundlagendaten zur Ermittlung der Vulnerabilität werden zum einen die Rasterdaten verschiedener Hochwasserszenarien, welche in jedem Pixel die Überflutungstiefeninformationen enthalten und zum anderen vertiefenden Informationen zum Stromnetzbetrieb benötigt. Um die Exposition der Transformatorstationen bei einem Hochwasserereignis ermitteln zu können, muss die geographische Lage der Stationen vom Netzbetreiber zur Verfügung gestellt werden (3. Schritt in Abbildung 2.3). Zur Ermittlung der hochwasserbedingten Auswirkungen auf die Funktion der Transformatorstationen muss zudem die Höhe über Geländeoberkante bekannt sein, in der die technischen Anlagen installiert sind. Wenn die Überflutungstiefe am Standort der Transformatorstation diese Installationshöhe übersteigt, so fällt die Anlage aus (4. Schritt in Abbildung 2.3). Ob die Funktion einer SEITE 16 55

17 Transformatorstation technisch oder organisatorisch ersetzt werden kann, muss vom Stromnetzbetreiber für jede Anlage geprüft und im Idealfall in der Attributtabelle der digitalen Standortdaten ergänzt werden (5. und 6. Schritt in Abbildung 2.3). Im ersten Arbeitsschritt werden für jedes betrachtete Hochwasserszenario die exponierten Stromversorgungsanlagen ermittelt. Dazu wird das GIS-Tool Extract Multi Values to Points verwendet, das die Überflutungstiefen des jeweiligen Hochwasserszenarios auf die Stromversorgungsanlagen überträgt. Dabei wird die Attributtabelle des Layers der Stromversorgungsanlagen (hier: Stationen_gesamt ) um ein weiteres Feld, hier als W_HQ100 bezeichnet, erweitert und automatisch mit der entsprechenden Überflutungstiefe am Standort der Stromversorgungsanlagen ausgefüllt (vgl. Abbildung 2.5). Abbildung 2.5: Übertragung der Überflutungstiefe auf die Stromversorgungsanlagen mithilfe des GIS-Tools Extract Multi Values to Points (Auszug aus ArcGIS 10.2 von ESRI) Anhand der Überflutungstiefe über Geländeoberkante (GOK) wird zwischen den exponierten und den nicht exponierten Stromversorgungsanlagen differenziert. Dazu wird mithilfe des GIS- Tools Make Feature Layer eine SQL-Abfrage zur Selektion der Überflutungstiefen erzeugt. Für die exponierten Anlagen wird die SQL-Abfrage W_HQ100 > 0 verwendet, während die nicht exponierten Anlagen über die SQL-Abfrage W_HQ100 = 0 selektiert werden. Anschließend wird sowohl für die exponierten als auch für die nicht exponierten Stromversorgungsanlagen ein eigener Layer erstellt. Die nicht exponierten Anlagen werden über das GIS-Tool Copy Feature unmittelbar der Vulnerabilitätsklasse I zugeteilt. SEITE 17 55

18 Abbildung 2.6: Selektion zwischen exponierten und nicht exponierten Stromversorgungsanlagen mithilfe des GIS-Tools Make Feature Layer (Auszug aus ArcGIS 10.2 von ESRI) Da das Tool Make Feature Layer lediglich einen temporären Layer erstellt, wird dieser mithilfe des GIS-Tools Copy Feature als Feature Class gespeichert. Auf diese Weise ist der Layer bei Bedarf jederzeit abrufbar. Falls dies nicht gewünscht ist, kann auf diesen Schritt verzichtet werden. Die im ModelBuilder durchzuführenden Arbeitsschritte zur Ermittlung der Exposition der Stromversorgungsanlagen werden in Abbildung 2.7 zusammenfassend dargestellt. Abbildung 2.7: Arbeitsschritte zur Ermittlung der Exposition der Stromversorgungsanlagen im ModelBuilder (Auszug aus ArcGIS 10.2 von ESRI) Die Bestimmung der Funktionsanfälligkeit der Stromversorgungsanlagen erfolgt ebenfalls mithilfe einer SQL-Abfrage, wozu das GIS-Tool Make Feature Layer verwendet wird. Um die Abfrage durchführen zu können, muss jedoch vorher die Installationshöhe der Stromversorgungsanlagen in der Attributtabelle ergänzt werden (hier wird das dazugehörige Feld mit Hoehe bezeichnet). Diese Informationen müssen vom Stromversorger zur Verfügung gestellt werden. Sobald die Überflutungstiefe die Installationshöhe der Stromversorgungsanlagen übersteigt, wird der Funktionsausfall der Anlage angenommen. Geprüft wird der Funktionsausfall mittels der SQL-Abfrage Hoehe <= W_HQ100 (vgl. Abbildung 2.8). SEITE 18 55

19 Abbildung 2.8: Ermittlung der Funktionsausfalls mithilfe des GIS-Tools Make Feature Layer (Auszug aus ArcGIS 10.2 von ESRI) Folglich werden durch die SQL-Abfrage Hoehe > W_HQ100 die Stromversorgungsanlagen extrahiert, die zwar überflutet werden, aber dabei nicht ausfallen. Für beide Fälle (Ausfall, kein Ausfall) werden separate temporäre Layer angelegt. Eine dauerhafte Speicherung als Feature Class ist hier ebenfalls möglich, wird jedoch nicht als unbedingt notwendig erachtet. Zur besseren Veranschaulichung des Vulnerabilitätsmodells ist der Modell-Ausschnitt zur Bestimmung des Funktionsausfalls in Abbildung 2.9 dargestellt. Die Stromversorgungsanlagen, die exponiert sind, deren Funktionsfähigkeit jedoch erhalten bleibt, werden entsprechend Tabelle 2.3 über das GIS-Tool Copy Feature unmittelbar der Vulnerabilitätsklasse II zugeordnet. Abbildung 2.9: Arbeitsschritt zur Bestimmung des Funktionsausfalls der Stromversorgungsanlagen im ModelBuilder (Auszug aus ArcGIS 10.2 von ESRI) Auch für die Bestimmung der technischen und organisatorischen Ersetzbarkeit der ausgefallenen Stromversorgungsanlagen ist die Durchführung einer Selektion über das GIS-Tool Make Feature Layer mit mehreren SQL-Abfragen notwendig. Hinsichtlich der technischen Ersetzbarkeit der Stromversorgungsanlagen wird zwischen drei Auswahlvarianten unterschieden: SEITE 19 55

20 Vollständige Ersetzbarkeit, kurz: vollständig Teilweise Ersetzbarkeit, kurz: z.t. Keine Ersetzbarkeit, kurz: nein Diese Varianten müssen für jede einzelne Stromversorgungsanlage und das jeweilige Hochwasserszenario ermittelt und in händisch in ein neu erstelltes Attributtabellenfeld eingetragen werden. Die Informationen zur Ersetzbarkeit der Anlagen, sollten vom zuständigen Stromversorger zur Verfügung gestellt werden. Für alle technisch ersetzbaren Stromversorgungsanlagen (d.h. Anlagen, deren Ersetzbarkeit mit vollständig oder z.t. bewertet werden) wird zusätzlich die organisatorische Ersetzbarkeit geprüft. In diesem Schritt soll geklärt werden, ob die erforderlichen personellen und organisatorischen Ressourcen vorhanden sind, um den technischen Maßnahmen in der Praxis durchzuführen (BIRKMANN ET AL. 2013). Dabei werden die beiden Auswahlvarianten ausreichend und nicht ausreichend unterschieden, wobei die Informationen dazu vom Stromversorger bereitzustellen sind. Ebenso wie bei der Prüfung der technischen Ersetzbarkeit müssen die Informationen zur organisatorischen Ersetzbarkeit für jede Stromversorgungsanlage und jedes Hochwasserszenario händisch in ein eigenes Attributtabellenfeld übertragen werden. Um das Modell zur Bestimmung der Vulnerabilität möglichst übersichtlich und kompakt zu gestalten, werden die SQL-Abfragen zur technischen und organisatorischen Ersetzbarkeit kombiniert. Je nach Zusammenstellung werden die daraus resultierenden Layer einer Vulnerabilitätsklasse zugewiesen. Insgesamt ergeben sich fünf verschiedene SQL-Abfrage-Kombinationen (vgl. Tabelle 2.6). Tabelle 2.6: SQL-Abfragen zur technischen und organisatorischen Ersetzbarkeit (DIEL 2016) SQL-Abfrage ersetzbar = nein ersetzbar = vollständig AND organisat = nicht ausreichend ersetzbar = z.t. AND organisat = nicht ausreichend ersetzbar = z.t. AND organisat = ausreichend ersetzbar = vollständig AND organisat = ausreichend Vulnerabilitätsklasse Klasse V Klasse V Klasse V Klasse IV Klasse III In Abbildung 2.10 ist der Arbeitsschritt zur Überprüfung der technischen und organisatorischen Ersetzbarkeit im ModelBuilder sowie die SQL-Abfragen zur Zuordnung zu den jeweiligen Vulnerabilitätsklassen zu sehen. SEITE 20 55

21 SQL-Abrage ersetzbar = nein ersetzbar = vollständig AND organisat = nicht ausreichend ersetzbar = z.t. AND organisat = nicht ausreichend ersetzbar = z.t. AND organisat = ausreichend ersetzbar = vollständig AND organisat = ausreichend Abbildung 2.10: Arbeitsschritt zur Ermittlung der technischen und organisatorischen Ersetzbarkeit im ModelBuilder (Auszug aus ArcGIS 10.2 von ESRI) Anschließend werden die Layer mit derselben Vulnerabilitätsklasse mithilfe des GIS-Tools Merge zu einem Layer zusammengefasst bzw. bei nur einer vorhandenen Vulnerabilitätsklasse als Layer über das GIS-Tool Copy Feature abgespeichert. Das Ergebnis der Ermittlung der Vulnerabilität besteht aus fünf Punkt-Layern für jedes Hochwasserszenario, wobei jeder Punkt einen Standort der Stromversorgungsanlagen repräsentiert und jeder Layer stellvertretend für eine bestimmte Vulnerabilitätsklasse ist Ermittlung des Hochwasserrisikos Das Hochwasserrisiko wird, wie bereits in Abschnitt erläutert, durch die Verschneidung von Hochwassergefährdung und Hochwasservulnerabilität bestimmt, wobei auf eine lineare Verteilungsmatrix zurückgegriffen wird (vgl. Tabelle 2.4). Zur Verschneidung wird das GIS-Tool Select Layer by Location angewendet. Dadurch wird den Stromversorgungsanlagen mit angegebener Vulnerabilitätsklasse entsprechend ihrer Lage innerhalb des ausgewählten Gefährdungslayers für das betrachtete Hochwasserszenario eine Risikoklasse zugeordnet. Um diese lagebezogene Selektion durchzuführen, sollte im Eingabefeld des Tools Select Layer by Location die Variante INTERSECT ausgewählt werden. Auf diese Weise werden nicht nur die Stromversorgungsanlagen hervorgehoben, die innerhalb des verwendeten Gefährdungslayers liegen, sondern auch diejenigen, die nur teilweise von dem Gefährdungslayer überschnitten werden. Anschließend werden die einzelnen Selektionen über das GIS-Tool Copy Features in entsprechend benannten Layern abgespeichert. Die Benennung der Layer deutet darauf hin, welche Gefährdungsklasse mit welcher Vulnerabilitätsklasse verschnitten wurde und welche Risikoklasse daraus resultiert. Darüber hinaus wird das jeweils verwendete Hochwasserszenario ebenfalls in der Benennung der Layer mit angegeben. In Abbildung 2.11 sind beispielhaft für SEITE 21 55

22 Gefährdungsklasse 3 und Vulnerabilitätsklasse 2 die Arbeitsschritte zur Ermittlung des Hochwasserrisikos im ModelBuilder dargestellt. Abbildung 2.11: Arbeitsschritte zur Bestimmung des Hochwasserrisikos im ModelBuilder (Auszug aus ArcGIS 10.2 von ESRI) Das Ergebnis der Risikoermittlung sind die aus der Hochwasserrisikomatrix (vgl. Tabelle 2.4) abgeleiteten Risikoklassen in Form von Punkt-Features. Diese repräsentieren die Stromversorgungsanlagen einer bestimmten Risikoklasse. 2.6 Anwendung des Hochwasserrisiko-Modells für die Stromversorgung Das Hochwasserrisiko-Modell, bestehend aus den drei Teil-Modellen Hochwassergefährdung, Hochwasservulnerabilität und Hochwasserrisiko, wurde bisher in zwei Untersuchungsgebieten anhand der Stromversorgung getestet. In diesem Forschungsbericht werden zunächst die Ergebnisse eines Praxistests erläutert, wobei sich jedoch die anschließende Diskussion in Abschnitt 2.7 auf die Auswertung beider Praxistests bezieht. Um die Ergebnisse besser nachvollziehbar darstellen zu können, wäre es grundsätzlich erforderlich die örtliche Situation im Untersuchungsgebiet und dabei insbesondere die Hochwassersituation näher zu erläutern. Da es sich jedoch bei den verwendeten Standorten der Stromversorgungsanlagen des Mittelspannungsnetzes um sensible Daten handelt, können die Informationen zum Untersuchungsgebiet nur anonymisiert dargestellt werden. In Abbildung 2.12 sind die Ergebnisse des Modells zur Hochwassergefährdung für ein HQ100 im Untersuchungsgebiet kartographisch dargestellt. Da im Untersuchungsgebiet lediglich drei Hochwasserszenarien (HQ10, HQ100 und HQextrem) verfügbar waren, wurde die Bestimmung der Gefährdungsklassen entgegen der Empfehlungen aus Tabelle 2.2 mit diesen drei Hochwasserszenarien und mit fünf Klassen für die Überflutungstiefe (bis 1 m, 1 bis 2 m, 2 bis 3 m, 3 bis 4 m, über 4 m) durchgeführt. Daraus ergeben sich folglich vier anstelle der in Abschnitt vorgeschlagenen fünf Gefährdungsklassen. Für das in Abbildung 2.12 dargestellte Hochwasserszenario HQ100 liegen insgesamt die drei höchsten Gefährdungsklassen vor, sodass eine geringe Hochwassergefährdung im Falle eine HQ100 nicht mehr abgebildet wird. Darüber hinaus lässt sich aus Abbildung 2.12 ableiten, dass die Hochwassergefährdung mit zunehmenden Abstand vom Gewässer abnimmt, was sich tendenziell auf die topographisch bedingten sinkenden Überflutungstiefen mit der Entfernung zum Gewässer zurückführen lässt. SEITE 22 55

23 Abbildung 2.12: Hochwassergefährdung anhand eines Praxisbeispiels (Datengrundlage: LfU RLP, LvermGeo RLP) Für die Bestimmung der Hochwasservulnerabilität wurden die Standorte der Stromversorgungsanlagen des Mittelspannungsnetzes verwendet, die vom zuständigen Energieversorger zur Verfügung gestellt wurden. Im Ergebnis wurden die Stromversorgungsanlagen entsprechend des Ablaufschemas des Verwundbarkeitsassessments (vgl. Abbildung 2.3) in fünf Vulnerabilitätsklassen unterteilt. Die Stromversorgungsanlagen mit der entsprechenden Zuteilung der Vulnerabilitätsklassen sind für das Hochwasserszenario HQ100 im Untersuchungsgebiet in Abbildung 2.13 dargestellt. Daraus ist abzuleiten, dass bei den insgesamt fünfzehn dargestellten Stromversorgungsanlagen die drei Vulnerabilitätsklassen I, II und V vertreten sind. Davon sind sieben Anlagen der Vulnerabilitätsklasse I zuzuordnen, d.h. die Anlagen sind bei einem HQ100 nicht exponiert. Zwei Anlagen weisen die Vulnerabilitätsklasse II auf, sodass diese bei einem HQ100 zwar exponiert sind, aber deren Funktionsfähigkeit nicht beeinträchtigt wird. Die übrigen sechs Stromversorgungsanlagen wurden der Vulnerabilitätsklasse V zugeteilt, woraus sich ableiten lässt, dass diese bei einem HQ100 ausfallen werden und deren Funktion nicht ersetzbar ist. SEITE 23 55

24 Abbildung 2.13: Ermittlung der Hochwasservulnerabilität der Stromversorgungsanlagen (Datengrundlage: LfU RLP, LVerm- Geo RLP, Energieversorger der Region) Im letzten Modell-Schritt zur Ermittlung des Hochwasserrisikos wird die Hochwassergefährdung mit der Hochwasserverwundbarkeit verschnitten und dem Resultat eine Risikoklasse entsprechend der fünfstufigen Risikomatrix (vgl. Tabelle 2.4) zugeordnet. Die Ergebnisse für ein HQ100 im Untersuchungsgebieten sind in Abbildung 2.14 dargestellt. In dieser Karte sind insgesamt fünfzehn Stromversorgungsanlagen zu sehen, wobei jedoch nur drei Risikoklassen vertreten sind. Die sieben Anlagen, die bei einem HQ100 nicht exponiert waren, sind auch der Risikoklasse I zuzuweisen, d.h. es liegt kein Risiko bei dem zugrunde liegenden Hochwasserszenario vor. Weiterhin wurden die beiden Anlagen mit der Vulnerabilitätsklasse II durch die Verschneidung mit der Hochwassergefährdung der Risikoklasse II zugeteilt. In diesem Fall deutet die Zuordnung zu Risikoklasse II auf eine mittlere Hochwassergefährdung bei einer geringen Vulnerabilität der Stromversorgungsanlagen hin. Die übrigen sechs Anlagen wurden in Risikoklasse IV eingeordnet. Im Vergleich zur Darstellung der Vulnerabilitätsklassen in Abbildung 2.13 wurden die Stromversorgungsanlagen aus Vulnerabilitätsklasse V durch die Verschneidung mit der Hochwassergefährdung herabgestuft zu Risikoklasse IV. SEITE 24 55

25 Abbildung 2.14: Ermittlung des Hochwasserrisikos der Stromversorgungsanlagen (Datengrundlage: LfU RLP, LVermGeo RLP, Energieversorger der Region) 2.7 Diskussion der Ergebnisse Die entwickelte Methodik zur automatisierten Hochwasserrisikoanalyse für kritische Infrastrukturen wird nach der Anwendung in zwei verschiedenen Untersuchungsgebieten als grundsätzlich zielführender Ansatz zur Bestimmung des Hochwasserrisikos eingeschätzt. Allerdings weist das Hochwasserrisiko-Modell noch einige Schwächen auf. Im Folgenden werden die wesentlichen Kritikpunkte aufgeführt und erläutert. In Bezug auf die Bestimmung der Hochwassergefährdung sind die Möglichkeiten deutlich eingeschränkt, da das Modell praktikabel für Infrastrukturbetreiber und Kommunen sein soll und aus diesem Grund aufwendige Simulationen wegen der Voraussetzung der vereinfachten Anwendbarkeit nicht in Frage kommen. Daher wurde insbesondere aufgrund der guten Datenverfügbarkeit neben der Eintrittswahrscheinlichkeit auf die Überflutungstiefe als Parameter zurückgegriffen. Allerdings orientiert sich Überflutungstiefenklassifizierung zur Bestimmung der Gefährdungsklassen nach Tabelle 2.2 an der Einteilung in den Hochwassergefahrenkarten und berücksichtigt nicht die örtlichen Gegebenheiten. Grundsätzlich müsste die Einteilung der SEITE 25 55

26 Überflutungstiefen entsprechend der potenziellen Auswirkungen an den Standorten der Infrastrukturanlagen gewählt werden. Da die Stromversorgungsanlagen aus den Praxistests jedoch keine einheitliche Installationshöhe (z.b. GOK oder 1 m über GOK, o.ä.) aufweisen und somit auch die daraus abzuleitenden Auswirkungen im Einzelfall zu prüfen sind, ist dieses Vorgehen für die Stromversorgung nicht anwendbar. Zudem werden die Gefährdungsklassen im Modell für jedes Hochwasserszenario einzeln bestimmt, da sich beim Zusammenführen der Gefährdungsklassen für verschiedene Hochwasserszenarien entsprechend der Empfehlungen nach Tabelle 2.2 räumliche Überschneidungen der Gefährdungspolygone ergeben, die für die Anwendung des Modells zur Bestimmung des Hochwasserrisikos nicht praktikabel sind. Folglich wurde in der praktischen Anwendung des Modells in den beiden Untersuchungsgebieten auf eine Zusammenführung der Gefährdungsklassen über die Hochwasserszenarien hinaus verzichtet, sodass das Hochwasserrisikos im letzten Modell-Schritt für jedes Hochwasserszenario gesondert ermittelt wird. In der Konsequenz wird die Eintrittswahrscheinlichkeit bei der Bestimmung des Hochwasserrisikos schließlich nicht berücksichtigt. Zusammenfassend stellt das Ergebnis des Modells zur Bestimmung der Hochwassergefährdung lediglich eine Reklassifizierung der Überflutungstiefen innerhalb eines Hochwasserszenarios dar, d.h. anstelle der sechs Überflutungstiefenklassen in den Hochwassergefahrenkarten (0-0,5 m; 0,5 1 m; 1 2 m; 2 3 m; 3 4 m, über 4 m) werden für jedes Hochwasserszenario drei Gefährdungsklassen als Feature-Polygone im GIS dargestellt. Da diese neue Darstellung der Hochwassergefahrenkarte keinen Mehrwert zur Bestimmung des Hochwasserrisikos liefert, wird die Angabe von Gefährdungsklassen in Abhängigkeit von der Überflutungstiefe als nicht zielführend erachtet und zukünftig als eigener Modell-Schritt nicht weiterverfolgt. Weiterhin besteht insbesondere aufgrund der Datenverfügbarkeit und Datenqualität eine große Unsicherheit bei der Anwendung des Vulnerabilitätsmodells. Dabei ist es besonders wichtig, ausreichende Informationen zum Aufbau sowie zur Ersetzbarkeit der Infrastrukturanlagen aus einer zuverlässigen Quelle zu erhalten (z.b. in Bezug auf die Stromversorgung: Abmessungen der Stromversorgungsanlagen, digitales Mittelspannungsnetz oder Informationen zur technischen und organisatorischen Ersetzbarkeit der Anlagen im Falle eines Funktionsausfalls). In diesem Zusammenhang ist eine enge Zusammenarbeit mit dem Infrastrukturbetreiber erforderlich. Im Allgemeinen ist jedoch die Eignung des Ablaufschemas zum Verwundbarkeitsassessment (vgl. Abbildung 2.3) als Grundlage für das Modell zur Ermittlung der Vulnerabilität der kritischen Infrastrukturen als zielführend zu bewerten. Dies ist vor allem dadurch zu begründen, dass in erster Linie Aussagen zu Versorgungsausfällen bzw. -beeinträchtigungen getroffen werden, wodurch wiederum Handlungserfordernisse zum Schutz der kritischen Infrastruktur abgeleitet werden können. Ebenfalls kritisch zu hinterfragen, ist die Notwendigkeit der Verschneidung von Hochwassergefährdung und Hochwasservulnerabilität, um eine Einschätzung des Hochwasserrisikos zu erhalten. Bei Betrachtung der Ergebnisse zur Hochwasservulnerabilität (vgl. Abbildung 2.13) und der Ergebnisse des Hochwasserrisikos (vgl. Abbildung 2.14) sind ähnliche Verteilungen zu SEITE 26 55

27 erkennen. Die Verschneidung mit der Hochwassergefährdung führt großflächig zu einer Erniedrigung der Risikoklasse, da beispielsweise aus einer Vulnerabilitätsklasse V eine Risikoklasse IV wird. Abgesehen davon ist bereits die Verwundbarkeitsanalyse sehr aussagekräftig innerhalb eines Hochwasserszenarios. Für ein anderes Szenario muss eine separate Analyse durchgeführt werden, da sich die Betroffenheit je nach verwendetem Hochwasserszenario unterscheidet. Um einen vergleichbaren Wert für die Einschätzung des Hochwasserrisikos für kritische Infrastrukturen zu erhalten, bietet sich aus jetziger Sicht die lagebezogene Verschneidung der Hochwasservulnerabilität mit der Überflutungsfläche eines Hochwasserszenarios an. Auf diese Weise würde neben der Hochwasservulnerabilität ausschließlich die Eintrittswahrscheinlichkeit des Hochwasserszenarios in die Abschätzung des Hochwasserrisikos einbezogen werden. Ob dadurch eine Priorisierung der kritischen Infrastrukturen hinsichtlich der Notwendigkeit der Durchführung von Maßnahmen zum Schutz vor Hochwasser möglich ist, muss jedoch in weiteren Praxistests geprüft werden. Grundsätzlich ist die Anwendung des Modells auch auf andere kritische Infrastrukturen möglich, da insbesondere bei der Vulnerabilitätsanalyse eine allgemeingültige Struktur mit Unterteilung in verschiedene Komponenten der kritischen Infrastrukturen angewandt wird. Eine Anpassung an die jeweilige Infrastruktur muss dennoch erfolgen, da beispielsweise die Ermittlung des Parameters Funktionsanfälligkeit (hier mithilfe von Überflutungstiefe und Installationshöhe der Stromversorgungsanlagen bestimmt) in dieser Form nicht auf andere Sektoren angewendet werden kann. 2.8 Fazit und Ausblick Die Entwicklung des GIS-gestützten Tools zur automatisierten Hochwasserrisikoanalyse zielt zum einen darauf ab, die grundlegenden Arbeitsschritte dieser Analyse zusammenzufassen und zu vereinfachen, sodass einen Anwendung des Modells durch ein breites Spektrum an Akteuren, wie z.b. Infrastrukturbetreiber oder Kommunen, erfolgen kann. Zum anderen soll dadurch ein Risikowert in Bezug auf Hochwasser für die Infrastrukturanlagen ausgegeben werden, der eine Vergleichbarkeit der Infrastrukturen in dieser Hinsicht ermöglicht. Auf diese Weise können die Infrastrukturen theoretisch im Hinblick auf die Erforderlichkeit der Durchführung von Schutzmaßnahmen gegen Hochwasser priorisiert werden. Infolge der Anwendung der drei Modell-Teile zur Durchführung der Hochwasserrisikoanalyse für die Stromversorgung in zwei verschiedenen Untersuchungsgebieten hat sich gezeigt, dass der erste Modell-Schritt zur Ermittlung der Hochwassergefährdung in Abhängigkeit von der Eintrittswahrscheinlichkeit des Hochwasserszenarios und der Überflutungstiefe nicht zielführend ist. Demgegenüber ist das Modell zur Bestimmung der Hochwasservulnerabilität besonders hervorzuheben, da es bereits umfangreiche Informationen zu den Auswirkungen eines Hochwassers auf die Stromversorgung liefert. Allerdings ist die Anwendbarkeit insbesondere für Kommunen als schwierig zu beurteilen, da die Ergebnisse im Wesentlichen von einer guten Datenverfügbarkeit und Datenqualität abhängen. Wenn dies nicht der Fall ist, erschwert sich auch die Anwendbarkeit des Modells. SEITE 27 55