Bezirksregierung Münster Münster, den 12.02.2015 Dezernat 54.5 Technischer Erläuterungsbericht zur Ermittlung der Überschwemmungsgebiete im Einzugsgebiet der Emscher 1. Vorbemerkungen Die vorläufige Sicherung der Überschwemmungsgebiete erfolgt für den Börnchenbach (Springbach) von der Mündung in die Emscher bis Station km 1,56 für das Boye-System mit den Gewässern Boye (von der Mündung in die Emscher im Regierungsbezirk Düsseldorf (gem. Zuständigkeitsübertragung des MKULNV vom 08.01.2015) bis Station km 12,70), Vorthbach (von der Mündung in die Boye bis Station km 3,50), Kirchschemmsbach (von der Mündung in die Boye bis Station km 0,92) und Nattbach (von der Mündung in den Wittringer Mühlenbach bis Station km 2,23) für den Deininghauser von der Mündung in den Landwehrbach bis Station km 7,46 für die Emscher von Station km 43,73 an der Grenze zum Regierungsbezirk Arnsberg bis Station km 44,61 für den Groppenbach von der Mündung in die Emscher bis Station km 4,90 für das Hellbach-System mit den Gewässern Hellbach (von der Mündung in die Emscher bis Station km 4,67) und Breuskesmühlenbach (von der Mündung in den Hellbach bis Station km 1,92) für das Holzbach-System mit den Gewässer Holzbach (von der Mündung in die Emscher bis Station km 5,40), Resser (von der Mündung in den Holzbach bis Station km 4,90) und Backumer (von der Mündung in den Resser bis Station km 1,12) für den Hüller von der Mündung in die Emscher bis Station km 1,75 an der Grenze zum Regierungsbezirk Arnsberg für den Nettebach / Frohlinder Mühlenbach von Station km 5,30 an der Grenze zum Regierungsbezirk Arnsberg bis Station km 6,35 für den Schwarzbach von der Mündung in die Emscher bis Station km 11,90 im Regierungsbezirk Düsseldorf (gem. Zuständigkeitsübertragung des MKULNV vom 08.01.2015) für den Suderwicher von der Mündung in die Emscher bis Station km 1,86 Die vorläufige Sicherung wurde erforderlich, da im Rahmen der Erfüllung der Hochwasserrisikomanagement-Richtlinie der europäischen Union die gesetzliche Festsetzung von Überschwemmungsgebieten nach 76 WHG vorgeschrieben ist. Die Emscher entspringt im Ardeygebirge in der Gemeinde Holzwickede auf einer Höhe von 144 m ü. NN, fließt von hier aus nach Westen durch das zentrale Ruhrgebiet und mündet
schließlich bei Dinslaken auf 21 m ü. NN in den Rhein. Das oberirdische Einzugsgebiet umfasst rund 860 km². Die Lauflänge beträgt 83,1 km und das mittlere Gefälle 1,5. Abbildung 1: Gesamteinzugsgebiet Emscher Der Oberlauf der Emscher erstreckt sich von der Quelle in Süd-Nord-Richtung bis zur Mündung des Herrentheyer s. Die wichtigsten Nebenläufe sind der Hörder, die Schondelle, der Rüpingsbach, der Roßbach und der Nettebach. Der Mittellauf der Emscher erstreckt sich in Richtung Westen bis zur Einmündung der Boye. Hier sind wichtige Nebenbäche von Süden zufließend der Landwehrbach, der Ostbach, der Hüller und der Schwarzbach sowie von Norden der Herdicksbach, der Hellbach, der Resser, der Holzbach und der Lanferbach. Mit dem Zufluss des Hüller es und der Boye wird das Abflussregime der Emscher wesentlich beeinflusst. Im Unterlauf der Emscher sind die wichtigsten Zuflüsse die Berne von Süden und der Handbach von Norden kommend. Das Einzugsgebiet ist gekennzeichnet durch eine sehr hohe Besiedlungsdichte und damit durch sehr hohe Versiegelungsgrade. Das Abflussregime der Emscher und ihrer Nebengewässer ist demzufolge stark durch den Menschen beeinflusst, sodass die Gewässer, mit Ausnahme weniger Oberläufe, als offene Abwassersammler mit Sohlschalen ausgebaut wurden und entsprechend naturfern sind. Im Rahmen des 1991 beschlossenen Projektes "Emscherumbau" werden aktuell nach Abklingen der bergbaulichen Einwirkungen neue unterirdische Abwasserkanäle gebaut und die Gewässer ökologisch umgestaltet. Weiterhin besteht das Gebiet durch den langen Einfluss des Kohlebergbaus zu ca. 40 % aus Poldergebieten. Durch die Bergsenkungen war eine Verrohrung der Emscher und ihrer Nebenläufe nicht möglich und die Gewässer wurden kanalisiert. Zusätzlich wurde die Emscher angehoben und eingedeicht. Dies bewirkt, dass oftmals Zuflüsse zur Emscher in die Emscher gepumpt werden müssen. Hochwasser im Hauptlauf der Emscher findet im Regelfall zwischen den Deichen statt. Der Grund dafür ist, dass die Emscher von der Mündung in den Rhein bis zur Einmündung des Schellenbruchgrabens (Station km 32,6) bis zu einer Jährlichkeit HW 200 hochwasserfrei ausgebaut ist. Oberhalb des Schellenbruchgrabens bis Castrop-Rauxel-Ickern (Station km 47,5) hat die Emscher zurzeit einen Ausbaugrad von HW 50, der aber auf HW 100 erhöht werden soll. Bis Dortmund-Dorstfeld liegt der Ausbaugrad bei HW 100. Oberhalb liegt der Ausbaugrad der Emscher bei HW 20 bis HW 50. Auch die Nebenläufe der Emscher sind teilweise eingedeicht, jedoch unterscheiden sich die Deichstrecken und der Ausbaugrad zwischen den einzelnen Gewässern sehr. Bei Versagen oder Überströmen der Hochwasserschutzeinrichtungen können hohe Schäden in den gefährdeten Überflutungsgebieten hinter den Deichen auftreten. Vor allem in den Poldergebieten sind Überflutungen mit mehreren Metern Wassertiefe möglich. Weiterhin stellen die zahlreichen Pumpwerke (- und Polderpumpwerke) eine Gefahr dar, wenn diese durch die bei Hochwasser aufkommenden hohen Abflussmengen überlastet werden. Auch in diesem Fall werden die Poldergebiete überflutet.
Die Emscher und ihre Nebengewässer durchfließen Bereiche der Regierungsbezirke Arnsberg (Kreis Unna, Ennepe-Ruhr-Kreis, Dortmund, Herne und Bochum), Münster (Kreis Recklinghausen, Gelsenkirchen und Bottrop) und Düsseldorf (Kreis Wesel, Duisburg, Oberhausen, Mühlheim a. d. Ruhr und Essen). Abbildung 2: Einzugsgebiet der Emscher als Höhenmodell Für die Gewässer im Einzugsgebiet der Emscher gab es bisher keine Überschwemmungsgebiete. Im Rahmen des Hochwasseraktionsplanes Emscher aus dem Jahr 2004 wurden Überflutungsflächen für den Mittel- und Unterlauf der Emscher ermittelt. Diese Flächen wurden durch ein eindimensionales Berechnungsmodell erstellt. Auf Basis des HWAP wurden im Zuge der Hochwasserrisikomanagement-Richtlinie (HWRM-RL) nun auch Überflutungsflächen für den Emscher-Oberlauf und die Nebengewässer der Emscher, ebenfalls eindimensional, berechnet. Hinzu kommen in dieser Berechnung für die HWRM-RL Überflutungsflächen, die aufgrund von Pumpwerksüberlastung entstehen. Sie wurden durch eine gesonderte Risikostudie der Emschergenossenschaft 2013 ermittelt. Für die nun vorliegenden Überschwemmungsgebiete der eingangs genannten Gewässer (s. Seite 1) wurden die Überflutungsflächen aus den EU-Hochwassergefahrenkarten der HWRM-RL für das Hochwasserszenario mit mittlerer Wahrscheinlichkeit (entspricht einem HQ 100 ) verwendet. Die hier ermittelten Flächen wurden nochmals plausibilisiert und ggf. in ihrer Abgrenzung angepasst. Im Einzugsgebiet der Emscher impliziert die vorläufige Sicherung von Überschwemmungsgebieten auch diejenigen überfluteten Flächen, die durch eine Überschreitung der maximalen Förderleistung von Gewässerpumpwerken ("pumpwerken") bei einem HQ100 entstehen. Diese Bereiche können auch abseits der Gewässer liegen. Die Funktionsfähigkeit der Pumpwerke wird hierbei als gegeben angenommen. Die Überflutungsflächen der Polderpumpwerke wurden hier nicht berücksichtigt, da sie keinen im Sinne des Schutzes der Unterlieger zu sichernde Retentionsräume darstellen. Das Verwaltungsverfahren mit dem Ziel der vorläufigen Sicherung der Überschwemmungsgebiete erfolgt hier nur im Regierungsbezirk Münster, ausgenommen derjenigen Gewässerabschnitte, für die eine Zuständigkeitsübertragung des MKULNV (Ministeriums für Klimaschutz, Umwelt, Landwirtschaft, Natur- und Verbraucherschutz NRW) vorliegt. Die übrigen Überschwemmungsflächen der Gewässer in den Regierungsbezirken Düsseldorf und Arnsberg werden in den Lageplänen mit anderer Signatur nachrichtlich und ohne Gewähr dargestellt.
2. Verwendete Unterlagen Es wurden folgende Unterlagen berücksichtigt und verwendet: Deutsche Grundkarten (DGK5) 1:5.000 (digital) (Bezirksregierung Köln, Abteilung 7: geobasis NRW). Stand: aktuell gültig (Januar 2015) Topographische Karten (TK25) 1:25.000 (digital), (Bezirksregierung Köln, Abteilung 7: geobasis NRW). Stand: aktuell gültig (Januar 2015) Digitales Geländemodell (DGM). Gelände-Oberflächen-Daten aus Laserscanbefliegung (ungerasterte Punktwolken, Punktdichte ca. 1 m), überwiegend Stand 2008 und 2011 Gewässerstationierungskarte mit Lage der Gewässer, Einzugsgebiete der Gewässer (GSK 3c, LANUV NRW, 2010) Hochwasseraktionsplan Emscher (Emschergenossenschaft/MUNLV,2004) Hochwassergefahrenkarten der Hochwasserrisikomanagement-Richtlinie 2007/60/EG (MKULNV, 2013) Umsetzung der Hochwasserrisikomanagement-Richtlinie im Emschergebiet - Ergebnisbericht für die Bezirksregierung Münster (Emschergenossenschaft, 2013) Risikostudien an Pumpwerken im Einzugsgebiet von Emscher - Erläuterungsbericht (Emschergenossenschaft, 2013) 3. Ermittlung des hundertjährlichen Abflusses (Bemessungshochwasser HQ 100 ) Die Ermittlung der Überschwemmungsgebiete im Mittel- und Unterlauf der Emscher erfolgte durch den Hochwasseraktionsplan Emscher aus dem Jahr 2004. Hierbei wurden die Bemessungswassermengen aus der Hochwasserstatistik von Pegeln an der Emscher zugrunde gelegt. Dagegen wurden für den Oberlauf der Emscher sowie der Nebengewässer die Ergebnisse aus dem Niederschlags-Abfluss-Modell verwendet. Der Betreiber von nahezu sämtlichen Pegelanlagen im Einzugsgebiet der Emscher ist die Emschergenossenschaft. Die Statistik für den Mittel- und Unterlauf der Emscher liefert die vorhanden Pegel von der Mündung in den Rhein bis zum Pegel Dortmund-Dorstfeld. Sie stammt aus dem Jahr 1993. Eine Überprüfung der Hochwasserstatistik mit der aktualisierten Pegelreihe (bis 2003) am Pegel Oberhausen-Königstraße hat ergeben, dass die damalige Statistik eine ausreichend sichere Datengrundlage darstellt. Die Berechnung der Überschwemmungsgebiete für den Oberlauf der Emscher und der Nebengewässer der Emscher erfolgte im Rahmen der Erstellung der Hochwassergefahrenkarten im Jahr 2013 im Zuge der Umsetzung der EG-Hochwasserrisikomanagement-Richtlinie. Für die Erstellung der N-A-Modelle kam die Software NASIM zur Anwendung. Damit wurde für die einzelnen Gewässersysteme im betrachteten Gebiet jeweils ein Hydrologisches Gebietsmodell (HGM) erstellt. Im gesamten Einzugsgebiet der Emscher befinden sich 22 Niederschlagsstationen mit sehr langen kontinuierlichen Zeitreihen vom 01.01.1950 bis 01.01.2010. Aus der Langzeitsimulation können an vielen Punkten im Gewässersystem quasi virtuelle Pegel betrachtet werden, an denen wiederum eine Abflussstatistik berechnet wird. Diese ist dann die Grundlage für die Bemessungshochwasser. Bei der Simulation der einzelnen HGM wurde zusätzlich zur Langzeitsimulation auch die Berechnungsvariante mit Modellregen angewendet. Mit den so errechneten Ergebnissen werden für bestimmte Teilgebiete Hochwasserwellen z. B. der Jähr-
lichkeit HQ100 erzeugt. Diese werden als Input für 2-dimensionale instationäre Hydraulikmodelle benötigt, vor allem bei oberhalb liegenden Rückhaltungen. Bei einem HQ100-Hochwasserereignis werden alle Deiche trotz einer Überströmung als standsicher angenommen. Die Nebengewässer der Emscher leiten vorrangig nur im Emscher-Oberlauf in freier Vorflut in die Emscher und werden im Mittel- und Unterlauf oftmals über Gewässerpumpwerke in die Emscher gepumpt. Bei hohen Abflüssen, wie sie bei einem HQ 100 -Hochwasserereignis auftreten, wird die maximale Förderleistung einiger Pumpwerke (s. Tabelle 1) überschritten, sodass es zu Überflutungen auch abseits des Gewässers kommen kann. Bei der Ermittlung der Überschwemmungsflächen wurde hierbei die Funktionsfähigkeit der Pumpwerke als gegeben angenommen und nur das Wasservolumen, das über der maximalen Förderleistung liegt, zur Berechnung verwendet (s. Risikostudie, EG, 2013). Tabelle 1: überlastete Gewässerpumpwerke bei HQ 100 Einzugsgebiet Gewässer Pumpwerksname Anmerkungen Alte Emscher Berne Boye Groppenbach Hellbach Alte Emscher Duisburg Alte Emscher Alte Emscher Stockum Duisburg Stockum Stoppenberger Boye Hahnenbach Nattbach Groppenbach Groppenbach Breuskesmühlenbach Essen Stoppenberger Bottrop Boye A/B Gladbeck Hahnenbach Gladbeck Nattbach Waltrop Groppenbach Dortmund Groppenbach Recklinghausen Breuskesmühlenbach Holzbach Resser Herten Resser Kleine Emscher Kleine Emscher Duisburg Kleine Emscher Lanferbach Nettebach Lanferbach Nettebach Zechengraben Piekenbrocksbach Piekenbrocksbach Schwarzbach Zollvereingraben Schurenbach Gelsenkirchen Lanferbach Dortmund Nettebach Dortmund Nette Zechengraben Bottrop- Piekenbrocksbach Gelsenkirchen Zollvereingraben Essen Schurenbach Sellmannsbach Sellmannsbach Gelsenkirchen Bismarck
4. Wasserspiegellagenermittlung für HQ 100 und Abgrenzung des Überschwemmungsgebietes Zur hydraulischen Berechnung des Unter- und Mittellaufs der Emscher wurde das eindimensionale stationäre Modell Jabron 6.3 (Hydrotec) verwendet. Die Wasserspiegellagen wurden auf Grundlage der Abflussmengen aus der in Kapitel 3 genannten Hochwasserstatistik der Emschergenossenschaft berechnet. (HWAP Emscher, 2004) Für die Berechnung des Emscher-Oberlaufs und der Nebengewässer der Emscher stand bereits die aktualisierte Version Jabron 6.7 zur Verfügung. Als Grundlage für das Modell dienten die Vermessungsdaten der Emschergenossenschaft von 1990 bis 2012. Weiterhin wurde der Anfangswasserspiegel entsprechend der Abflussverhältnisse des Vorfluters bei HQ100 gewählt, wodurch die Überlagerung von Hochwasserwellen berücksichtigt wurde. Für die Kalibrierung des Modells wurden die Abflussmessungen von Hochwasserereignissen verwendet. Die daraus kalibrierten Rauheiten konnten auch für Gewässer verwendet werden, an denen kein Hochwasserereignis gemessen werden konnte, da der technische Ausbau mit Betonsohle und Gras-Berme zwischen den Gewässern im Emschereinzugsgebiet meist gleich ist. Die angesetzten Rauheiten finden sich in Tabelle 2. (Ergebnisbericht zur HWRM-RL, EG, 2013) Tabelle 1: Rauheitsklassen der hydraulischen 1D-Modelle (Auszug aus Ergebnisbericht zur HWRM-RL, EG, 2013) Boye Gewässer Rauheit Sohle ks [m] Rauheit Ufer ks [m] Rauheit Vorland ks [m] Bauwerke ks [m] von bis von bis von bis von bis Boye 0,0026 0,4238 0,0026 0,7975 0,1681 0,9 0,0017 0,02 Nattbach 0,01 0,02 0,06 0,9 0,06 0,9 0,0025 0,02 0,02 0,08 0,04 - Vorthbach 0,45 0,9 0,35 0,02 Groppenbach Groppenbach 0,03 0,4 0,02 0,55 0,08 0,8 0,003 0,05 Hellbach Holzbach Hellbach 0,02 0,15 0,15 0,02 0,06 Einzugsgebiet Kirchschemmsbach Breuskesmühlenbach 0,01 0,02 0,15 0,15 0,01 0,02 Holzbach 0,02 0,06 0,35 0,35 0,1 0,2 Resser 0,02 0,06 0,1 0,35 0,02 Backumer 0,02 0,06 0,1 0,35 0,02 Hüller Hüller 0,008 0,2 0,2 0,006 Landwehbach Nettebach Deininghauser Nettebach / Frohlinder Mühlenbach 0,002 0,2 0,01 0,9 0,12 0,35 0,01 0,02 0,02 0,02 0,8 0,003 0,8 0,003 0,02 Schwarzbach Schwarzbach 0,0019 0,0192 0,1152 0,128 0,0384 0,512 0,0013 0,0128 Suderwicher Suderwicher 0,01 0,5 0,02 0,9 0,15 0,9 - Üblicherweise wird zur Ermittlung der Überschwemmungsflächen der berechnete Wasserspiegel aus Jabron mit dem Gelände verschnitten, vorausgesetzt, dass eine natürliche Talstruktur vorhanden ist. Dies ist insbesondere am Emscher Oberlauf sowie den Nebenläufen der Fall, dazu gehören auch Gewässerabschnitte der Boye, des Deininghauser s, des Hellbachs und des Suderwicher s. Hier kam die GIS-Erweiterung JabMap-Tool (Hydrotec) zur Anwendung. (Ergebnisbericht zur HWRM-RL, EG, 2013)
Jedoch ist ein großer Teil des Einzugsgebietes der Emscher bergsenkungsgeprägt, wodurch das großräumig tiefere Gelände potenziell mehr Volumen bereitstellt, als durch eine Ausuferung gefüllt werden kann. Deshalb kommen in der Regel Überflutungsflächen mit geringerer Wasserspiegelhöhe zustande, als mit dem 1D-Modell Jabron berechnet wurden. Zur Ermittlung des hydrologisch zur Verfügung stehenden Wellenvolumens erfolgte eine Auswertung mit Timeview (Hydrotec) der einzelnen Hydrologischen Gebietsmodelle (HGM). Anschließend wurde das Volumen ins Gelände verfüllt mittels GIS-technischen Verfahren. Diese Methode fand bei vielen Gewässern Anwendung, dazu gehören auch Backumer, Börnchenbach (Springbach), Boye, Deininghauser, Hellbach, Holzbach, Kirchschemmsbach, Nettebach / Frohlinder Mühlenbach, Resser, Schwarzbach und Vorthbach. Auch die Ermittlung von Überflutungsflächen an Gewässerpumpwerken deckt sich weitestgehend mit diesem Verfahren. (Ergebnisbericht zur HWRM-RL, EG, 2013) In Einzelfällen verhinderten komplexe Geländestrukturen und Fließwege die Definition von Überflutungsflächen mittels GIS-Verfahrens. An diesem Fall wurde die jeweilige Hochwasserwelle entsprechend des HGM-Elements selektiert, die Zeitreihe mittels Timeview aufbereitet und als Modellinput an ein zweidimensionales hydrodynamisch-numerisches Strömungsmodelll übergeben, welches die Oberflächenabflussverhältnisse im Vorland hinreichend genau abbildet. Zur instationären 2D-Simulation wurde die DHI Software MIKE 21 eingesetzt. Die Berechnung erfolgte unter Zuhilfenahme des digitalen Geländemodells mit einer Gitterweite von 1 m, wobei Hausflächen in der Bathymetrie des 2D-Modells entsprechend ausgeschnitten wurden. Diese Methode fand u. a. am Nettebach / Frohlinder Mühlenbach Anwendung. (Ergebnisbericht zur HWRM-RL, EG, 2013) Die Gewässerläufe (Flussschlauch) selber sind formell nicht als Überschwemmungsgebiet vorläufig gesichert aber der Plausibilität halber dargestellt. HINWEIS: Grenzt das Überschwemmungsgebiet an ein Gebäude, sollte die Hochwassergefährdung dieses Gebäudes, z. B. durch den Eigentümer, vor Ort überprüft werden! 5. Unterlagen für das Verwaltungsverfahren zur Festsetzung Folgende Unterlagen werden für die vorläufige Sicherung der überschwemmten Flächen durch die Bezirksregierungen Münster zur Verfügung gestellt: 2 Erläuterungsberichte (allgemein / technisch) 1 Übersichtslageplan Maßstab 1 : 50.000 1 Übersichtslageplan Maßstab 1 : 20.000 2 Übersichtslagepläne Maßstab 1 : 15.000 2 Übersichtslagepläne Maßstab 1 : 10.000 21 Blatt Überschwemmungsgebietskarten Maßstab 1 : 5.000 Aufgestellt: Bezirksregierung Münster Dezernat 54.5 Hochwasserschutz gez. Bräunling