Der Einfluss naturnaher Gewässer und Renaturierungsmaßnahmen auf den Hochwasserabfluss

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1 Universität Kassel Fachgebiet Wasserbau und Wasserwirtschaft Univ.-Prof. Dr.-Ing. Stephan Theobald Der Einfluss naturnaher Gewässer und Renaturierungsmaßnahmen auf den Hochwasserabfluss Dr.-Ing. Klaus Träbing GN Gersprenz, , Groß-Umstadt 1

2 Inhalt Grundlagen zum Hochwasser, zu Renaturierung und naturnahen Gewässern sowie zum Hochwasserschutz Ausgewählte Untersuchungen von Hochwasser bei Renaturierung und naturnahen Gewässern, Wirkung auf den Scheitelabfluss Ausgewählte Aspekte Hydraulisch begründete Retention des Hochwasserscheitels Hydrologische Überlagerung unterschiedlicher Einzugsgebiete Vergleich Volumennutzung Renaturierung HRB Naturnahe Entlastungsgerinne Fragmentierung und fischfaunistische Qualität im Hyporhithral Fazit 2

3 Grundlagen: Wirkungskette Hochwasser Meteorologie Niederschlag Klima Hydrologie Abfluss Einzugsgebiet Hydraulik Überschwemmung Gewässerlauf Gefährdung Ökologie (Sozio-)Ökonomie Schäden Gefährdete Objekte Vulnerabilität Quelle: Universität Kassel 2015 Maßnahmen Hochwassermanagement 3

4 Grundlagen: Hochwasserschutzstrategien Hochwasser-Flächenmanagement - Flächenvorsorge - natürlicher Wasserrückhalt in der Fläche Technischer Hochwasserschutz - Bau und Betrieb von Hochwasserrückhaltebecken - Bau von Dämmen, Deichen und Hochwasserschutzmauern - Errichtung von Poldern - Stauraumbewirtschaftung von Talsperren - mobile Hochwasserschutzanlagen zum Objektschutz Hochwasservorsorge - Operationeller Einsatz (Informations- und Verhaltensvorsorge) - Bauvorsorge - Risikovorsorge Abbildung: Landesanstalt für Umwelt, Messungen und Naturschutz Baden-Württemberg 4

5 Renaturierung: Leitbildnahe Strukturen Typische Strukturaspekte naturnaher Bachquerschnitte flach breit natürliches Sediment Gehölzvegetation & Totholz Aufnahme: K. Träbing Aufnahme: K. Träbing 5

6 Renaturierung: Leitbildnahe Strukturen Typische Strukturaspekte naturnaher Bachquerschnitte flach breit natürliches Sediment Gehölzvegetation & Totholz Aufnahme: K. Träbing Aufnahme: K. Träbing 6

7 Grundlagen: Prinzipwirkung Fließretention durch Renaturierung Wirkung von Renaturierungen auf die Hochwasserabflussganglinie Verzögerung der Fließbewegung Zwischenspeicherung von Abflussvolumen Längere maßgebliche Niederschlagsdauern Abminderung des Scheitelabflusses 7

8 8 Universität Kassel, Fachgebiet Wasserbau und Wasserwirtschaft, Univ.Prof. Dr.-Ing. Stephan Theobald Beispiel: Lahn bei Roth ρ y z h g x ρ h y σ ρ h y h 2 g x uvh y h v t vh ρ x z h g y ρ h x σ ρ h x h 2 g y uvh x h u t uh 0 y hv x hu t h by b xy y 2 2 bx b yx x 2 2 Grundlagen: Hydraulische Modellierungen 2D

9 Grundlagen: Hydrologische Methoden und Modelle Eingang: Einzugsgebiet von Fulda und Diemel Ergebnisse: Abflussganglinien für verschiedene Ereignisse und Szenarien Abflussvorgang Quelle: Meon et al

10 Einfluss Einzugsgebietsnutzung Modellierung: Änderung der forst- und landwirtschaftlichen Nutzung N-A-Modell NAXOS - Szenario Landwirtschaft (Ist-Zustand) 26 % Änderung der EZG-Fläche: - Umstellung auf konservierenden Ackerbau - teilweise Flächenumnutzung von Acker zu Grünland Quelle: Weiß

11 Modellierung von Maßnahmen für Fulda und Diemel Einfluss von flächenhaften landwirtschaftlichen Maßnahmen auf den Hochwasserabfluss HQ 100 Quellen: Daten Weiß

12 Einfluss Einzugsgebietsnutzung Abflussänderungen an der Eder - Szenario Landwirtschaft HQ T (Ist-Zustand) 0,0-0,5 Abflussveränderung [%] -1,0-1,5-2,0-2,5-3,0-3,5-4,0 HQ200 HQ100 HQ50 HQ20 HQ10 HQ2 Einfluss: - Für große Hochwasserereignisse sind die Scheitelreduzierungen marginal. - Für kleine Hochwasserereignisse sind eher Rückhalteeffekte erkennbar Gewässerkilometer der Eder bis zur Mündung in die Fulda 0 Quelle: Dissertation A. Weiß, 2009 Aufgrund geringer Signifikanz wurde keine andere Niederschlagsbelastung untersucht. 12

13 Modellierung von Maßnahmen für Fulda und Diemel Einfluss von Renaturierungen (Realszenario) auf das HQ 100 Verschiedene Maßnahmen zur gewässerstrukturellen Aufwertung Ergebnisse: Merklicher Einfluss > 10 % nur in wenigen Gewässerabschnitten Quelle: Meon et al

14 Modellierung von Maßnahmen für Fulda und Diemel Einfluss von Renaturierungen auf das HQ 100 Verschiedene Maßnahmen zur gewässerstrukturellen Aufwertung Ergebnis Fulda-Hochwasser-Längsschnitt Quelle: Röttcher & Theobald

15 Retentionspotenziale naturnaher Maßnahmen Einfluss von Renaturierungen Verschiedene Maßnahmen zur gewässerstrukturellen Aufwertung Ergebnisse: Merklicher Einfluss auf kleine Hochwasserereignisse Geringer Einfluss auf große Hochwasser Quelle: Bauer

16 Ergebnisse Totholzrenaturierung Eifa Aufnahme: B. Lehmann Abflussminderung bei Totholzvorkommen Erhöhte Fließwiderstände Geringere Fließgeschwindigkeiten Größere Konzentrationszeiten Geringere Niederschlagsintensitäten Geringere Spitzenabflüsse (-12 % bei HQ 100 ) Quelle: Träbing

17 Ausgewählte Untersuchungen: Zwischenfazit Ausgewählte Untersuchungen zeigen bei großen Hochwasserabflüssen ganz überwiegend sehr geringe bis mäßige zusätzliche Scheitelabflussminderungen durch Renaturierungen für Renaturierungen (typische Scheitelabflussminderungen sehr oft < 10 %) im Vergleich zu technischen Hochwasserrückhalteeinrichtungen wie gesteuerte HRB (typische Scheitelabflussminderungen > 80 %) deutlich geringere Wirksamkeit Warum ist dies so? Ausgewählte Aspekte zu Hydraulik Hydrologie 17

18 Hydraulische Aspekte zur Retention : Bach-Beispiel Minderung des Scheitelabflusses durch im Bereich des Scheitelabflusses verfügbares Überflutungsvolumen bzw. verfügbare Querschnittsfläche Maßgeblich ist die durchflussabhängige Zunahme der Querschnittsfläche Größte Flächenzunahme i.d.r. bei beginnender Ausuferung 18

19 Hydraulische Aspekte zur Retention: Bach-Beispiel Variantenvergleich Bachquerschnitte Var 0: Ausgangsgerinne Var 0: Ausgangszustand Var 1: Erhalt der Aue; vergrößerte Fließwiderstände im Gewässerbett, z.b. durch Ufergehölze, Sohlungleichförmigkeit, Totholz usw. Var 1: Rauheres Gewässerbett Var 2: Zusätzliche wesentlich vergrößerte Fließwiderstände in der Aue (Nutzungsaufgabe) Var 2: Rauheres Gewässerbett & Aue Var 3: Breiteres und flacheres Gewässerbett inkl. größerer Gesamtrauheit Var 3: Breiteres flacheres Gewässerbett + größere Gesamtrauheit 19

20 Hydraulische Aspekte zur Retention : Bach-Beispiel Hydraulische Wirkung für Scheitelminderung Deutlichster Unterschied im Bereich der beginnenden Ausuferung Gewässerbett für große Scheitelabfüsse vernachlässigbar 20

21 Hydraulische Aspekte zur Retention: Fluss-Beispiel Hydraulische Wirkung für Scheitelminderung Deutlichster Unterschied im Bereich der beginnenden Ausuferung => Bach-Beispiel Gewässerbett für große Scheitelabfüsse vernachlässigbar => Bach-Beispiel 21

22 Hydrologische Aspekte: Überlagerung von Einzugsgebieten Überlagerung von Einzugsgebieten Hochwasserabfluss & Überlagerung: HEG & NEG Gesamtscheitelabflüsse bilden sich i. d. R. wegen unterschiedlicher Laufzeiten nicht aus der Summe der Einzelscheitel 22

23 Hydrologische Aspekte: Überlagerung mit Scheitelminderung Überlagerung bei Renaturierung eines langsameren Nebeneinzugsgebietes Renaturierung des Nebeneinzugsgebiets verzögert dessen Abfluss Bei Renaturierung eines langsameren Nebeneinzugsgebietes kann der Gesamtabflussscheitel stärker als der Einzelscheitel des Nebeneinzugsgebiet abnehmen 23

24 Hydrologische Aspekte: Überlagerung mit Scheitelerhöhung Überlagerung bei Renaturierung eines schnelleren Nebeneinzugsgebietes Renaturierung des Nebeneinzugsgebiets verzögert dessen Abfluss Bei Renaturierung eines schnelleren Nebeneinzugsgebietes kann der Gesamtabflussscheitel zunehmen trotz einer Einzelscheitelminderung des Nebeneinzugsgebiet 24

25 Hydrologische Aspekte: Einzugsgebietsüberlagerung Effekt der Renaturierung von Teileinzugsgebieten ist sehr abhängig von der einzelfallabhängigen Gebietscharakteristik Allgemeingültige Effekte sind nicht zu erwarten Wirkung einer Abflussretention bei Unsicherheit prüfen (gilt auch für Retention durch HRB), praktisch nicht ohne Niederschlag-Abfluss- Modell oder instationäres hydraulisches Modell möglich 25

26 Aspekt: Volumennutzung Naturnahe Gewässer Wirkung von Renaturierungen auf die Hochwasserganglinie Verzögerung der Fließbewegung Zwischenspeicherung von Abflussvolumen Abminderung des Scheitelabflusses 26

27 Aspekt: Volumennutzung Hochwasserrückhaltebecken Hochwasserrückhalt in gesteuerten HRB Idealerweise konstante Regeabgabe RQ Nur Rückhalt der den Regelabfluss RQ überschreitenden Abflussanteile 27

28 Aspekt: Volumennutzungsvergleich Renaturierung / HRB Fließretention und gesteuerte HRB Fließretentionsräume füllen sich früher und schneller In gesteuerten HRB bei gleichem Retentionsvolumen i. d. R. größere Scheitelabflussminderung 28

29 Ausgewählte Aspekte: Zwischenfazit Schlussfolgerung: Wirkung von Renaturierung und naturnahen Gewässern auf den Hochwasserschutz durch Scheitelabflussminderung einzelfallabhängig Renaturierung und naturnahe Gewässer tragen zu einem merklichen, aber typischerweise geringen Anteil zu Abflussscheitelabminderung bei Hochwasserschutz mit erheblicher Scheitelabflussminderung typischerweise nur in Kombination mit anderen Maßnahmen wie z.b. naturnahe Entlastungsgerinne / Flutmulden klassische HRB 29

30 Ausgewählter Aspekt: Hochwasserstandsminderung durch naturnahe Entlastungsgerinne Wasserspiegellagenminderung möglich u. a. durch Abflussminderung Abflussaufteilung auf verschiedene Gewässerarme Querschnittsvergrößerung (Fließwiderstandsminderung, in der Regel nicht renaturierungskonform) 30

31 Aspekt: Naturnahe Entlastungsgerinne Lahntal-Sterzhausen, Refurkation durch renaturierte Hochflutmulden Hochflutmulden Lahn Konzeptstudie und Planung: P. Groß (1998) im Auftrag der Gemeinde Lahntal Quelle: Universität Kassel

32 Aspekt: Naturnahe Entlastungsgerinne Rotenburg / Fulda Renaturierte Flussaufweitung Fulda siehe auch: H.Wacker: Können Flussrenaturierungsprojekte eine Hochwasserentlastung bewirken? [ Quelle: Universität Kassel

33 Aspekt: Naturnahe Entlastungsgerinne Homberg-Mühlhausen Renaturierte Auenmulden Efze Efze Quelle: Universität Kassel 2015 Konzept und Planung: Unger ingenieure (2010) im Auftrag der Stadt Homberg /Efze 33

34 Aspekt: Fragmentierung und fischfaunistische Qualität im Hyporhithral Überlagerung Zustand / Potenzial Fische Wasserkörper & Wanderhindernisse Große Dichte von Wanderhindernissen auch in OWK mit mindestens gutem fischfaunistischem Zustand (Auszug WRRL-Viewer Hessen ([wrrl.hessen.de] vom ) 34

35 Fazit - Zusammenfassung Dämpfung des Hochwasserscheitels: maßgebend ist Rückhaltevolumen im Bereich der Scheitel. Renaturierung und naturnahe Gewässer dämpfen (in der Regel) den Hochwasserabflussscheitel merklich, aber gering. Die einzelfallabhängige Überlagerung eines scheitelgedämpften Teileinzugsgebiets mit anderen Gebieten kann sowohl zu Dämpfungen als auch Anstiegen des Hochwasserscheitels des Gesamtgebietes führen. 35

36 Fazit - Zusammenfassung Renaturierungen erreichen in der Regel nicht die erheblichen Scheitelabflussminderungen von HRB gleichen Rückhaltevolumens Naturnahe Entlastungsgerinne senken den Scheitel des Hochwasserstandes Rhithrale Oberflächenwasserkörper können die fischfaunistischen Ziele der WRRL auch bei erheblicher Fragmentierung (auch z. B. durch HRB) erfüllen. RENATURIERUNG IST NOTWENDIG AUCH OHNE ZUSÄTZLICHEN HOCHWASSERSCHUTZ 36

37 Danke für die Aufmerksamkeit 37