Forschung im BMBF-Verbundvorhaben HoRisK Aktueller Stand und Perspektiven

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1 Forschung im BMBF-Verbundvorhaben HoRisK Aktueller Stand und Perspektiven Univ.-Prof. Dr.-Ing. Holger Schüttrumpf und Dipl.-Wirtsch.-Ing. Christian Grimm Lehrstuhl und Institut für Wasserbau und Wasserwirtschaft, RWTH Aachen University 14. November 2012 XtremRisK-Abschlusskonferenz Hamburg 1

2 Gliederung 1. Einführung 2. HoRisK Hochwasserrisikomanagement für den Küstenraum 3. Sturmflutgenerator 4. Hochwasserrisikoanalyse mit PROMAIDES 5. Ausgewählte Ergebnisse aus HoRisK 6. Zusammenfassung und Ausblick 14. November 2012 XtremRisK-Abschlusskonferenz Hamburg 2

3 1. Einführung Wieso benötigen wir ein Hochwasserrisikomanagement? Ueberschwemmung oder Ueberlauff des Wassers Da wir nun die Unglücksfälle; welche in der Natur sich ereignen; als Göttliche Straffen und Züchtigungen ansehen können, nehmlich als Straffen für diejenigen, so Böses thun, als Züchtigungen für die, welche ins künfftige zum Bösen abweichen würden; so sehen wir hieraus; wie GOTT die Ueberschwemmungen auch zur Ruthe wider die Gottlosen, und als ein Mittel die Menschen zu verbinden, daß sie vom Bösen abstehen, und Gutes thun, gebrauchen kann. Wasserfluth ereignet sich entweder von vielen Regen, Wolckenbrüchen, häufig geschmolzenem Schnee, oder von den Sturmwinden. Gemeiniglich geräth man, wenn sich ungemeine und große Wasserfluthen einfinden, auf die Gedancken, es werde dadurch ein bevorstehendes Unglück prophezeiet, gleich als wenn es an dem Unglück und Schaden, so dergleichen schnelle Wasserfluthen anrichten, nicht genug wäre. Quelle: Großes Universal-Lexikon Aller Wissenschaften und Künste, welche bishero durch menschlichen Verstand und Witz erfunden worden. Bd. 48. Leipzig, November 2012 XtremRisK-Abschlusskonferenz Hamburg 3

4 2. HoRisK Hochwasserrisikomanagement für den Küstenraum Projektpartner und Ziele KFKI/BMBF-Forschungs-Verbundprojekt (BMBF 03KIS078) Laufzeit vom 1. November 2009 bis zum 31. Dezember 2013 HoRisK-A Versagen von Küstenschutzanlagen und Schäden Lehrstuhl und Institut für Wasserbau und Wasserwirtschaft, RWTH Aachen HoRisK-B Belastungen von Küstenschutzanalagen und Konsequenzen des Versagens im Bereich der Ostseeküste Institut für Wasserbau, TU Hamburg-Harbug (Lehrstuhl für Geotechnik und Küstenwasserbau Bereich Küstenwasserbau, Universität Rostock) HoRisK-C Konsequenzen des Versagens im Bereich der Nordseeküste und Schadensminimierung Niedersächsischer Landesbetrieb für Wasserwirtschaft, Küsten- und Naturschutz, Betriebsstelle Norden-Norderney 14. November 2012 XtremRisK-Abschlusskonferenz Hamburg 4

5 2. HoRisK Hochwasserrisikomanagement für den Küstenraum Projektpartner und Ziele Weitere Projektpartner Landesbetrieb für Küstenschutz, Nationalpark und Meeresschutz Schleswig-Holstein, Husum Staatliches Amt für Landwirtschaft und Umwelt Mittleres Mecklenburg, Rostock Landwirtschaftskammer Niedersachsen, Oldenburg HKV Hydrokontor GmbH, Aachen Weitere Informationen http//: Ziel des Verbundprojektes Ableitung von küstenschutzbezogenen Ansätzen und Methoden für anwendungsorientierte Schadens- bzw. Risikoanalysen als Grundlage für die Erarbeitung von Hochwassergefahrenkarten, Hochwasserrisikokarten und Hochwasserrisikomanagementplänen. 14. November 2012 XtremRisK-Abschlusskonferenz Hamburg 5

6 riskant 14. November 2012 XtremRisK-Abschlusskonferenz Hamburg 6

7 2. HoRisK Hochwasserrisikomanagement für den Küstenraum Risikomanagement 11. Restrisiko 12. Risikomanagement 13. Katastrophenschutz Risikobeurteilung 8. Risikobewertung 9. Risikoakzeptanz 10. Risikominderung Risiko R = P f E(D) Gefährdung 3. Versagenswahrscheinlichkeiten P f 2. Versagensmechanismen (Risikoweg) 1. Gefährdungsanalyse (Risikoquelle) 4. Überflutung Vulnerabilität 7. Schadenspotentiale E(D) (Risikoempfänger) 6. Anfälligkeit 5. Exposition 14. November 2012 XtremRisK-Abschlusskonferenz Hamburg 7

8 2. HoRisK Hochwasserrisikomanagement für den Küstenraum Arbeitspakete 14. November 2012 XtremRisK-Abschlusskonferenz Hamburg 8

9 3. Sturmflutgenerator Beliebig viele Sturmflutganglinien einer gewünschten Wahrscheinlichkeit Grundlage: 7 Stützstellen Anwendbar für Nord- und Ostsee Ergebnis: Sturmflutganglinien mit einer Auflösung von einer Stunde auf der Grundlage univariater und bivariater statistischer Untersuchungen 14. November 2012 XtremRisK-Abschlusskonferenz Hamburg 9

10 3. Sturmflutgenerator Ermittlung von Abfolgen von Sturmfluten für beliebige Zeiträume Zuordnung von Belastungsgrößen sowie Kombinationen von Belastungsgrößen zu Eintrittswahrscheinlichkeiten Entwickelt im Fachbereich Küstenwasserbau Universität Rostock, seit Juni 2012 an der TU HH 14. November 2012 XtremRisK-Abschlusskonferenz Hamburg 10

11 4. Hochwasserrisikoanalyse mit PROMAIDES PROMAIDES (Protection Measures against Inundation Descision support) Risikobasierte Bewertung des Hochwasserschutzes und von Hochwasserschutzmaßnahmen Umsetzung des Risiko-Ansatzes in einem Software-Tool keine Schnittstellen! Modular aufgebautes Programmpaket (C++) mit Verfahren zur Hochwasserrisikoanalyse und ihren Basisanalysen Module sind einzeln oder kombiniert anwendbar Entwickelt für den Binnenbereich und im Rahmen von HoRisK auf den Küstenbereich angepasst 14. November 2012 XtremRisK-Abschlusskonferenz Hamburg 11

12 4. Hochwasserrisikoanalyse mit PROMAIDES Das Programmpaket PROMAIDES Basisanalysen Hydrodynamische Analyse Ermittlung von Überflutungsflächen, Wasserständen und Fließgeschwindigkeiten im Fokusgebiet Zuverlässigkeitsanalyse Ermittlung der Widerstandsfähigkeiten von Hochwasserschutzbauwerken mit Einwirkungs- Versagensfunktionen Kombination der Basisanalysen ergibt das Hochwasserrisiko Analyse der Konsequenzen Ermittlung der Konsequenzen für Werte, Güter und Personen im Überflutungsbereich 14. November 2012 XtremRisK-Abschlusskonferenz Hamburg 12

13 4. Hochwasserrisikoanalyse mit PROMAIDES Das Programmpaket PROMAIDES Hochwasserrisikoanalyse mit PROMAIDES in HoRisK 14. November 2012 XtremRisK-Abschlusskonferenz Hamburg 13

14 5. Ausgewählte Ergebnisse aus HoRisK Programmtechnische Erweiterung PROMAIDES Zuverlässigkeitsanalyse Erweiterung von Versagensmechanismen von Küstenschutzbauwerken am Beispiel vom Bauwerkstyp Düne Veränderung der Dünengeometrie durch Erosion Wellenparameter Foto: T. E. Wöffler, 2009 Foto: M. Mossbauer, 2007 Dünengeometrie Dünenerosion durch Wellenauflauf (van Gent, 2008) Quelle: D. Salecker (TUHH) Versagensereignis Quelle: StaLLU MM 14. November 2012 XtremRisK-Abschlusskonferenz Hamburg 14

15 5. Ausgewählte Ergebnisse aus HoRisK Programmtechnische Erweiterung PROMAIDES Zuverlässigkeitsanalyse Erweiterung von Versagensmechanismen von Küstenschutzbauwerken am Beispiel vom Bauwerkstyp Düne P(Failure h w ) [-] h [m] Frc (total) Frc (Waterside erosion) Frc (Overtopping) Ca. 45 diskrete Punkte bis Monte Carlo Simulationen Ca. 40 Minuten Berechnungszeit 14. November 2012 XtremRisK-Abschlusskonferenz Hamburg 15

16 5. Ausgewählte Ergebnisse aus HoRisK Programmtechnische Erweiterung PROMAIDES Zuverlässigkeitsanalyse Erweiterung von Versagensmechanismen von Küstenschutzbauwerken am Beispiel vom Bauwerkstyp Deich Erweiterung oder Belastung Wasserseitige Böschung Druckschlag (van der Meer, 1998) Stabilität (Fürböter, 1994) Auftrieb (Klein Breteler et al., 1998) Erosionsstabilität landseitige Böschung Probabilistisch vorgegebenes Q krit (Widerstand) [(m³/s)/m] Probabilistisch vorgebenes v krit (Widerstand) [m/s] pro Böschungssegment Fließgeschwindigkeit v vor (Einwirkung) [m/s] über M.-S.- Ansatz (stationär, gleichförmig) Quelle: (Peterson & Rhode, 1991) Quelle: (Peterson & Rhode, 1991) 14. November 2012 XtremRisK-Abschlusskonferenz Hamburg 16

17 5. Ausgewählte Ergebnisse aus HoRisK Programmtechnische Erweiterung PROMAIDES Analyse der Konsequenzen Erweiterung von Schadensfunktionen sowie der Konsequenzen in enger Zusammenarbeit mit der Landwirtschaftskammer Niedersachsen und HKV Hydrokontor 14. November 2012 XtremRisK-Abschlusskonferenz Hamburg 17

18 5. Ausgewählte Ergebnisse aus HoRisK Fokusgebiete 14. November 2012 XtremRisK-Abschlusskonferenz Hamburg 18

19 5. Ausgewählte Ergebnisse aus HoRisK Hydrodynamische Analyse Vergleich verschiedener numerischer Simulationsprogrammen am Beispiel von Markgrafenheide Fokusgebiet Markgrafenheide (Mecklenburg-Vorpommern) Verwendetet Software: Mike 21 2d (Universität Rostock) ProMaIDes (RWTH Aachen) SOBEK 1D/2D (NLWKN) 2-D Modellierung mit gleichen Anfangs- und Randbedingungen Berechnung durchgeführt an den jeweiligen Institutionen Analyse und Synthese der Ergebnisse durchgeführt vom NLWKN 14. November 2012 XtremRisK-Abschlusskonferenz Hamburg 19

20 5. Ausgewählte Ergebnisse aus HoRisK Hydrodynamische Analyse Vergleich verschiedener numerischer Simulationsprogrammen am Beispiel von Markgrafenheide 14. November 2012 XtremRisK-Abschlusskonferenz Hamburg 20

21 5. Ausgewählte Ergebnisse aus HoRisK Hydrodynamische Analyse Vergleich verschiedener numerischer Simulationsprogrammen am Beispiel von Markgrafenheide 14. November 2012 XtremRisK-Abschlusskonferenz Hamburg 21

22 5. Ausgewählte Ergebnisse aus HoRisK Hydrodynamische Analyse Vergleich verschiedener numerischer Simulationsprogrammen am Beispiel von Markgrafenheide Differenzen der überfluten Flächen bei unterschiedlicher Software maximal 0,6 % Differenzen der überfluteten Flächen bei unterschiedlicher Modellauflösung und gleicher Software maximal 3,5 % Absolute Differenz der maximalen Überflutungstiefen bei unterschiedlicher Software maximal 6 cm Geringe Unterschiede beim zeitlichen Verlauf der Wassertiefen Unterschiedliche numerische Dämpfungen innerhalb der verwendeten Softwarepakete (teilweise oszillierende Wassertiefen zum Zeitpunkt der maximalen Wassertiefen) 14. November 2012 XtremRisK-Abschlusskonferenz Hamburg 22

23 5. Ausgewählte Ergebnisse aus HoRisK Hochwasserrisikoanalyse mit PROMAIDES Hydrodynamische Analyse am Beispiel von Büsum Überflutungsfläche Küstenpolygon Digitales Geländemodell Topographische Karte 14. November 2012 XtremRisK-Abschlusskonferenz Hamburg 23

24 5. Ausgewählte Ergebnisse aus HoRisK Hochwasserrisikoanalyse mit PROMAIDES Analyse der Konsequenzen am Beispiel von Büsum Gefährdete Personen Aggregierter und diskretisierte immobile Schäden Aggregierter und diskretisierte mobile Schäden Landnutzung (ATKIS-Daten) Topographische Karte 14. November 2012 XtremRisK-Abschlusskonferenz Hamburg 24

25 5. Ausgewählte Ergebnisse aus HoRisK Hochwasserrisikoanalyse mit PROMAIDES Verschneidung Hydrodynamische Analyse und Analyse der Konsequenzen (Pellworm) Diskretisierte Hydrodynamische Analyse Schadensfunktion Schadenspotentiale PROMAIDES Gesamter ökonomischer Schaden in Euro 14. November 2012 XtremRisK-Abschlusskonferenz Hamburg 25

26 5. Risikoakzeptanz? Welches Hochwasserrisiko sind die Gesellschaft und der Einzelne bereit zu akzeptieren? Ohne Hochwassererfahrung Eigene Vorsorgemaßnahmen (incl. Versicherung) Mit Hochwassererfahrung BMBF-Reise-Projekt 14. November 2012 XtremRisK-Abschlusskonferenz Hamburg 26

27 6. Zusammenfassung und Ausblick Zusammenfassung Berücksichtigung der Ergebnisse in Zusammenhang mit der EU-HWRL Adaption bestehender und Entwicklung neuer Werkzeuge für Nord- und Ostseeverhältnisse Entwicklung eines Sturmflutgenerators Erweiterung von PROMAIDES (1D/2D gekoppelte Software für den Binnenbereich) auf Küstengebiete Programmtechnische Erweiterung von Versagensmechanismen und Bauwerkstypen in PROMAIDES Ermittlung von küstenspezifischen Schadensfunktionen Anwendung der methodischen Grundlagen auf ausgewählte exemplarische Küstenabschnitte in enger Zusammenarbeit mit den Küstenschutzbehörden (direkter Transfer in die Praxis) Ausblick Ermittlung des Hochwasserrisikos für alle Fokusgebiete Berücksichtigung von neuen Schadensfunktionen für Küstengebiete und Landwirtschaft 14. November 2012 XtremRisK-Abschlusskonferenz Hamburg 27

28 Forschung im BMBF-Verbundvorhaben HoRisK Aktueller Stand und Perspektiven Vielen Dank für ihre Aufmerksamkeit! Univ.-Prof. Dr.-Ing. Holger Schüttrumpf und Dipl.-Wirtsch.-Ing. Christian Grimm Lehrstuhl und Institut für Wasserbau und Wasserwirtschaft, RWTH Aachen University 14. November 2012 XtremRisK-Abschlusskonferenz Hamburg 28