Laien-Bericht Project FloodScan LIFE 06 ENV/D/000461 Anpassung und Entwicklung neuer standardisierter Technologien für schnelle, präzise und kosteneffiziente hydrodynamische Modellierung von Hochwassergefahren durch die Kombination von Laserscanningund Fernerkundungsdaten Task 9 D 11 Stand: Dezember 2009
1 Kurzbeschreibung des Projekts FloodScan Das Projekt FloodScan wurde durch das EU-LIFE-Programm gefördert. FloodScan ist ein interdisziplinäres Projekt, das sich mit den Themen Fernerkundung, hydraulische Modellierung von Hochwassergefahren und Risikokommunikation beschäftigt hat. Untersuchungsgebiet des Projektes war der Freistaat Bayern in Deutschland. Hauptziel von FloodScan war die Entwicklung einer verbesserten Methodologie zur schnellen, präzisen und kosteneffizienten Modellierung von Hochwasser auf der Basis von Laserscanning- und andere Fernerkundungsdaten. Die Ergebnisse, u.a. Hochwassergefahrenkarten werden durch innovative Kommunikationsinstrumente der Bevölkerung näher gebracht. Die Projektlaufzeit war von Juli 2006 bis Dezember 2009. 2 Hochwasser in Bayern Der Freistaat Bayern ist immer wieder von großen, zum Teil auch katastrophalen, Hochwasserereignissen betroffen. Hervorzuheben sind etwa die abgelaufenen Hochwasserereignisse 1993, 1995 und 2003 im Maineinzugsgebiet, das Pfingsthochwasser 1999 in Südbayern oder die Jahrhundertflut im Donaugebiet im August 2002. Grundsätzlich sind Sturzfluten und Flusshochwasser zu unterscheiden. Starke Gewitterregen führen dabei gerade im Alpenraum zu Sturzfluten. Solche Unwetter können aber auch im Flachland kleinere Gewässer wie Bäche anschwellen lassen und lokale Hochwasserereignisse auslösen. 2007 war zum Beispiel der Landkreis Forchheim schwer betroffen. Aufgrund einer Gewitterfront fielen innerhalb einer Stunde 75 mm Regen in Verbindung mit Hagel. Das sind schon mehr als 10 % von dem Regen, der sonst in einem ganzen Jahr fällt. Aus kleinsten Rinnsalen wurden innerhalb kürzester Zeit reißende Bäche, vielerorts war die Kanalisation überfordert, allein in Baiersdorf wurden 1000 Häuser überflutet mit einem Sachschaden von ungefähr 100 Millionen Euro. Große Flusshochwasser entstehen hauptsächlich durch Stark- und Dauerregenereignisse. Aufgrund des starken lang anhaltenden Regens ist der Boden mit Wasser gesättigt und das Wasser fließt unvermindert oberirdisch über Flüsse und Bäche ab, die dann über die Ufer treten können. Sommerhochwasser entsteht meist in Zeiten, in denen die Böden schon durch vorausgegangene Niederschläge wie ein Schwamm voll gesogen sind. Winterhochwasser entstehen, weil der Boden wenig oder kein Wasser aufnehmen kann, da er gefroren oder mit Schnee bedeckt ist. Regen und gleichzeitige Schneeschmelze haben zum Bei- 2
spiel das Hochwasser 1999 ausgelöst und dadurch einen Schaden von 346 Millionen Euro ausgelöst. In das ganze System hat der Mensch schon seit über 150 Jahren mit Flussbegradigungen und Verkleinerung der Flussauen eingegriffen und damit die Hochwassergefahr verschärft. Auch durch Flächenversiegelung und durch Besiedelung der Flussauen trägt der Mensch zur Verstärkung der Hochwasserproblematik bei. Es ist zudem davon auszugehen, dass der sich abzeichnende Klimawandel die Hochwassergefahren erhöht. Aufgrund dessen ist neben technischen Schutzmaßnahmen und der Verbesserung des Rückhalts von Hochwasser in der Fläche auch Hochwasservorsorge ein zentraler Bestandteil in der Schutzstrategie vor Hochwasser. Zur Hochwasservorsorge in Bayern gehören folgende Aspekte: Ermittlung und Festsetzung von Überschwemmungsgebieten sowie anschließende Ausweisung in Flächennutzungs- und Bebauungsplänen (Flächenvorsorge) Optimierung von Hochwasservorhersage- und Meldesystem z.b. durch das Innovationsprogramm Hochwassernachrichtendienst (HND) Schadenspotentiale an bestehender Bebauung verringern (Bauvorsorge) und die Bevölkerung über Möglichkeiten zur Schadensvorsorge informieren (Risikovorsorge) 3 FloodScan und Hochwasser-Vorsorge Als zentraler Baustein von Bayerns Hochwasserschutzstrategie lieferte das Projekt FloodScan für die Hochwasservorsorge Best-Practice-Verfahren in den drei Bereichen Grundlagendaten, hydraulische Modellierung und Information der Bevölkerung. Das Projekt erarbeitete zudem wichtige Grundlagen und Konzepte zur Umsetzung der Hochwasserrisikomanagement- Richtlinie der EU. Die entwickelten Hochwassergefahrenkarten bilden die Basis für die Hochwasserrisiko-Karten und die Hochwasserrisiko-Management-Pläne. FloodScan befasst sich primär mit der Optimierung der hydraulischen Modellierung von Hochwassergefahren. Mit Hilfe von Laser-Scanning-Daten und optimierten Verfahren der zweidimensionalen hydraulischen Modellierung wird die bayerische Wasserwirtschaftsverwaltung zukünftig kostengünstiger und effizienter Überschwemmungsgebiete ermitteln sowie Hochwassergefahrenkarten erstellen können. Hochwassergefahrenkarten spielen eine zentrale Rolle in der Hochwasservorsorge und tragen damit als Datenbasis für Verwaltung, Planer und Einsatzkräfte und als Informationsinstrument für die Bevölkerung zur Reduzierung hochwasserbedingter Schäden bei. 3
4 Das Projekt FloodScan als Flusslauf Der Projektablauf von FloodScan lässt sich besonders anschaulich als Flusslauf darstellen (siehe Abb. 1). Ein typischer Fluss wie etwa die Donau oder die Isar hat verschiedene kleinere Quellflüsse, die ihr Wasser im Mittellauf zusammenführen, der immer breiter wird und mehr Wasser führt, je mehr Quellflüsse ihm ihr Wasser zuführen. Im Unterlauf verbreitert sich der Fluss zu einem Delta und mündet schließlich ins Meer. Im Folgenden wird der Projektfluss FloodScan vorgestellt. Digitales Geländemodell Flussschlauch Digitales Geländemodell Vorland Landbedeckung Hydrologie Hydraulische Modellierung Informations- Instrumente Informations- Instrumente Abbildung 1: FloodScan als Flusslauf 4
4.1 Die Quellflüsse Die Quellflüsse des Projektflusses FloodScan sind dabei die Grundlagendaten. Im ersten Schritt optimiert FloodScan die Erhebung und Aufbereitung von Grundlagendaten. Als innovative Lösung für die Erhebung und Bereitstellung flächendeckender digitaler Geländedaten setzt FloodScan auf sogenannte Airborne Laser Scanning Daten, aus denen digitale Geländemodelle gewonnen werden. Dazu wird ganz Bayern mit Flugzeugen beflogen, die mit Laserscannern ausgerüstet sind. Die Datenmenge, die die Laserscanner liefern, ist sehr umfangreich. In einem ersten Bearbeitungsschritt errechnet die Landesvermessung daraus ein digitales Geländemodell, das sehr präzise das reale Gelände abbildet. Bei den neuesten Modellen liegt auf jedem Quadratmeter Boden 1 Messpunkt (Gitterweite 1m). Abbildung 2 zeigt exemplarisch das Verfahren und das daraus entstehende Geländemodell. Diese Datenmenge ist aber immer noch zu groß, um damit Abbildung 2: Airborne Laser Scanning, Digitales Modellierungen auf einem leistungsstarken PC Geländemodell durchführen zu können. Daher ist es nötig, mit dem Computer die Daten automatisch auszudünnen, um die Datenmenge zu reduzieren. Für diese automatische Datenreduktion wurde im Rahmen von FloodScan die Ausdünnungssoftware Laser_AS-2d weiterentwickelt. Das Programm verringert die Punktdichte um über 95% vor allem in flachen, ebenen Gebieten (siehe Abb. 3). Die Ausdünnung erfolgt dabei selektiv. Das bedeutet, dass wichtige Strukturen, die das Fließverhalten in Hochwasserfall beeinflussen, im Modell erhalten bleiben. In unwichtigen flachen Bereichen werden viele Punkte gelöscht. Neben dem digitalen Geländemodell für das Vorland wird auch ein digitales Modell des Flussschlauchs erstellt. Dazu werden Querprofile des Flusses gemessen und im Compu- Abbildung 3: Digitales Flussschlauchmodell ter zusammengefügt. Die beiden digitalen Modelle werden wiederum im Computer zu einem gemeinsamen Geländemodell zusammengeführt. Abbildung 3 zeigt verschiedene Phasen der Flussschlauchmodellierung. In kleineren, naturfernen Flussläufen kann der Flussschlauch auch einfach durch ein Kastenprofil wiedergegeben werden, ohne dass Berechnungsergebnisse dadurch ungenauer werden. Um zu ermitteln, wie schnell oder langsam sich das Wasser bei einem Hochwasser in den Uferbereichen ausbreitet oder staut, ist es auch notwendig, die Landbedeckung im Überschwem- 5
mungsgebiet zu klassifizieren. Denn die Ausprägung der Landnutzung (Siedlungsflächen, Felder, Wald, Straßen etc.) hat Einfluss auf den Verlauf eines Hochwassers und muss daher berücksichtigt werden. Auch hier hat FloodScan ein automatisiertes Verfahren entwickelt, um aus bestehenden Kartendaten (ATKIS = Amtliches Topographisch-Kartographisches Informationssystem) die Landnutzung zu klassifizieren. Wichtig für die präzise Simulation von Hochwassergefahren sind natürlich auch hydrologische Grundlagendaten. Dazu zählen Abflüsse für unterschiedliche Hochwasserszenarien, die statistisch von der Wasserwirtschaft für jeden Fluss in Bayern ermittelt werden. Bei einem größeren Fluss müssen natürlich auch alle Zuflüsse mitberücksichtigt werden. 4.2 Der Mittellauf Diese beschriebenen Daten bilden zusammen die Quellflüsse, die gemeinsam in den Mittellauf des Projektflusses FloodScan, in die sogenannte hydraulische 2d-Modellierung von Hochwasser bzw. die Berechnung verschiedener Hochwasserszenarien münden (Abb. 4). Das beschriebene digitale Geländemodell, aus Vorland-, Flussschlauchmodell und Landbedeckung dient dabei als Grundlage für die hydraulische Modellierung. Mittels qualitätsgeprüfter Standards wurden Arbeitsprozesse optimiert und beschleunigt. Modelliert wurde mit dem Computerprogramm Hydro_AS-2d. Ergebnisse der Modellierung sind Überschwemmungsflächen, Überflutungstiefen und Fließgeschwindigkeiten für Abbildung 4: Hydraulische 2d-Modellierung Hochwasserereignisse unterschiedlicher Eintrittswahrscheinlichkeiten, aus denen Hochwassergefahrenkarten erstellt werden können. 6
4.3 Der Unterlauf und die Mündung Im Unterlauf bzw. der Mündung des Projektflusses Flood- Scan spielt die Verbreitung der Ergebnisse und Sensibilisierung der Bevölkerung in Hochwassergefährdeten Gebieten die zentrale Rolle. Die Informationen aus der hydraulischen Modellierung können hierfür in Hochwassergefahrenkarten dargestellt werden. Außerdem kann man die Ausbreitung eines Hochwassers als Filmsequenz visualisieren und in Vorträgen etc. zeigen. Die Gefahrenkarten werden neben gedruckten Ausgaben auch für jeden zugänglich im Internet im Informationsdienst Überschwemmungsgefährdete Gebiet in Bayern (www.iug.bayern.de) veröffentlicht. Neben den Hochwassergefahrenkarten werden auch andere innovative Informationsinstrumente eingesetzt, wie zum Beispiel Hochwasser-Tafeln o- der eine Wanderausstellung in Form einer umgebauten Hochwasserinformations-Telefonzelle (Abb. 5). Die Kommunikationsmittel wurden durch Befragung von Einwohnern in Überschwemmungsbieten bzw. durch Online Befragungen von Nutzern des Kartendienstes auf ihre Wirksamkeit, auf Verständlichkeit, Anschaulichkeit und Design überprüft. Abbildung 5: Hochwasserinformations-Telefonzelle 7
4.4 Die Mündung von FloodScan in Hochwassergefahrenkarten Jede zukunftsorientierte Hochwasserschutz-Konzeption sollte die Erarbeitung von Hochwassergefahrenkarten [ ] beinhalten (LAWA 2004, 15). Was die LA- WA noch als Handlungsempfehlung formuliert, gilt seit dem Wasserhaushaltsgesetz (WHG) in der Novelle von 2005, wird spätestens jedoch seit der EU- Hochwasserschutzdirektive von 2007 flächendeckend gefordert. Danach ist die Wasserwirtschaft angehalten für alle Gewässer mit einem potentiell signifikanten Hochwasserrisiko bis 2013 Hochwassergefahrenkarten zu erstellen, Abbildung 6: Best Practice Hochwassergefahrenkarte für Würzburg welche die Hochwassergefährdung für häufige, mittlere und seltene Hochwasserereignisse dokumentieren sollen. Hochwassergefahrenkarten enthalten bspw. Informationen zur räumlichen Ausdehnung von Hochwasserereignissen verschiedener Größe (häufige, mittlere und seltene Ereignisse entsprechend der EG- Hochwasserrisiko-Managementrichtlinie) und bei Versagen oder Überströmen von Hochwasserschutzeinrichtungen, zu Überflutungstiefen und Fließgeschwindigkeiten oder zur Lage und Funktion von Schutzeinrichtungen. Aufbauend auf diesen Karten sollen Maßnahmen zur Reduzierung der Hochwasserrisiken entwickelt werden (vgl. Abb. 6). Abbildung 7: Neuer IÜG Informationsdienst Überschwemmungsgefährdete Gebiete in Bayern Hochwassergefahrenkarten stellen für den Katastrophenschutz ein wertvolles Arbeitsinstrument dar und unterstützen darüber hinaus die Kommunalplanung bei der Aufstellung von Flächennutzungs- und Bebauungsplänen bis hin zur Aussprache von Nutzungseinschränkungen oder Bau- 8
verboten. Zudem dienen sie der Information der Öffentlichkeit, z.b. via Internet in sog. Web- Mapping-Services wie dem Informationsdienst Überschwemmungsgefährdete Gebiete in Bayern (Abb. 7). Für den Einsatz von Hochwassergefahrenkarten in der Kommunikation mit der Bevölkerung in Hochwassergefährdeten Gebieten ist es wichtig auf eine allgemeinverständliche Kartendarstellung, auf eine gut lesbare Legende sowie auf einfach verständliche Erläuterungen zu achten. Technische Fachbegriffe wie hundertjährliches Hochwasser (HQ100) sind zu vermeiden. In der Farbgebung sollten blaue Farbabstufungen (Assoziation zu Wasser!) zur Darstellung der Überschwemmungstiefen beziehungsweise der Überschwemmungsflächen genutzt werden. Weiterhin tragen Bilder lokaler Hochwasserereignisse oder Hochwassersymbole wie Pegellatten zur erhöhten Wahrnehmung von Hochwasserinformationen bei. In den Standardvarianten der gedruckten Gefahrenkarten können diese Empfehlungen nur zum Teil Berücksichtigung finden. Im neuen Internetkartendienst Überschwemmungsgefährdete Gebiete in Bayern, der im Zuge von FloodScan weiterentwickelt wurde, werden sie jedoch in vollem Umfang umgesetzt. Hier haben die Bürger die Möglichkeit sich in optisch ansprechender und übersichtlicher Darstellung über Hochwassergefahren auf ihrem Grundstück oder in ihrer Wohngemeinde zu informieren. Der Internetkartendienst bietet zudem die Möglichkeit sich über den aktuellen Wasserstand und Warnstufen an Bayerns Flüssen zu informieren, da er direkt mit dem Hochwassernachrichtendienst verknüpft ist. 6. Umwelteffekte und zukünftiger Nutzen der Projektergebnisse Für die Umwelt und die Bevölkerung in Bayern sind die Projektergebnisse aus FloodScan sehr bedeutend. Durch die Modellierung von Hochwasserszenarien kann die Hochwasservorsorge verbessert werden, u.a. durch die Bereitstellung wichtiger Hochwasser-Informationen für Städte und Kommunen, für den Katastrophenschutz, für Planer sowie für die Bevölkerung in gefährdeten Gebieten. Die Bedeutung eines angepassten Gefahrenbewusstseins, das mit Hilfe der Ergebnisse des Projekts FloodScan gefördert werden soll, zeigen die Erfahrungen aus den großen Hochwasserereignissen am Rhein 1993 und 1995. Obwohl die Pegelstände beim 1995er Hochwasser meist höher waren als 1993, waren die Schäden 1995 um die Hälfte geringer als 1993, da die Betroffenen wussten, wie sie sich vor den Schäden schützen können. Auch die Umwelt wird durch bessere Hochwasservorsorge geschützt, da die Gefahrenkarten dazu beitragen, Umwelt- und Kulturgüter besser schützen zu können und umweltbelastende Fabriken/Industrie-Standorte und Altlasten in Überschwemmungsgebieten zu identifizieren, die dann im Hochwasserfall speziell geschützt werden können. 9
Kontakt Alle relevanten Informationen über das Projekt FloodScan und über die zentralen Projektergebnisse können auf der Internetseite des Projekts abgerufen werden. www.wzw.tum.de/floodscan/ 1.1 Projekt Partner, Kontaktinformationen und Verantwortlichkeiten in FloodScan Kontakt Information In FloodScan verantwortlich für: Adresse Kontakt Koordinator Bayerisches Landesamt für Umwelt Bavarian Environment Agency Bürgermeister-Ulrich-Str. 160 D-86179 Augsburg www.lfu.bayern.de Dr. Dieter Rieger, (Projektkoordinator) dieter.rieger@lfu.bayern.de Projekt Management Hydraulische Modellierung Klassifizierung der Landbedeckung Hochwassergefahrenkarten Implementation der Hochwas- ser-risikomanagement- Richtlinie Bereitstellung von WMS Landesamt für Vermessung und Geoinformation Bayern Bavarian Agency for Surveying and Geographic Information Airborne Laser Scanning Digitale Gländemodelle (DGM) Neu-Entwicklung des Internetkartendienstes Adresse Alexandrastr. 4 D-80504 München Kontakt www.lvg.bayern.de Dr. Erwin Kistler Erwin.Kistler@lvg.bayern.de Adresse Technische Universität München, Lehrstuhl für Wald- und Umweltpolitik Chair of Forest and Environmental Policy Hans-Carl-von-Carlowitz-Platz 2 D-85354 Freising Verbreitung der Ergebnisse Evaluation und Entwicklung von Instrumenten der Öffentlichkeitsarbeit zu Hochwasser Kommunikation mit Experten, Medienvertretern und der Öffentlichkeit Kontakt www.wup.wi.tum.de Prof. Dr. Michael Suda sekretariat@wup.wi.tum.de 10