Bundeseinheitliche Modellierungsszenarien für ein wirksames Risikomanagement Thomas Maurer Referat Wasserhaushalt, Vorhersagen und Prognosen Bundesanstalt für Gewässerkunde, Koblenz Flood Management Berlin, Wasser Berlin, 25.03.2015 Maurer, Flood Management Berlin, 25.03.2015 Seite 1 Risikomanagement-Kreislauf „Nach dem Schadensereignis ist vor dem Schadensereignis“ Maurer, Flood Management Berlin, 25.03.2015 Seite 2 Einführung Extreme hydrologische Ereignisse entstehen im ganzen Einzugsgebiet eines Flusses. Maßnahmen wirken summarisch und wechselwirken Ursachen, Folgen und Anpassungsmaßnahmen müssen ganzheitlich im Einzugsgebiet analysiert und zusammenhängend kommuniziert werden. Für großen Ströme: länderübergreifend + einschließlich des benachbarten Auslandes Maurer, Flood Management Berlin, 25.03.2015 Seite 3 Einführung Weiterentwicklung eines überregionalen Hochwasserrisikomanagements Ausgleich der Interessen von Ober- und Unterliegern erfordert: • einheitliche + flussspezifische Entscheidungsund Bemessungsgrundlagen • überregionale Modelle • Messdaten Maurer, Flood Management Berlin, 25.03.2015 Seite 4 Messdaten Unabdingbare Basis zur Erstellung belastbarer Simulations- oder Vorhersagemodelle: 1. Relevante Geometrien (z.B. Gelände, Querprofile, Polderflächen, Rauheiten) 2. Interessierende Zustände (z.B. Wasserstände, Abflüsse) 3. Einwirkende Randbedingungen (z.B. Niederschläge, Steuerungen) Maurer, Flood Management Berlin, 25.03.2015 Seite 5 Messdaten Extremereignisse 1. 2. 3. 4. Ereignisse selten geringen Messwertdichte Aber: besonders interessant und wichtig weit zurück liegende Ereignisse noch nicht digital aufbereitet 5. Versagen von Messeinrichtungen während des Ereignisses 6. Sondermesskampagnen sind gegenüber der akuten Gefahrenabwehr von geringerer Priorität Maurer, Flood Management Berlin, 25.03.2015 Seite 6 Viele Arbeitsschritte Messwerterfassung Datenaufbereitung Datenprüfung Datenspeicherung Datenarchivierung Modellaufstellung Datenverbreitung Datenprozessierung in Simulationsmodellen Datenvisualisierung Ergebnisvisualisierung Ergebnisprüfung Verbreitung der Analyseergebnisse Maurer, Flood Management Berlin, 25.03.2015 ••• Seite 7 Grad der Vorbereitung /„Service Level“ Bereitstellungszeit und -qualität von Analysen (z.B. Vorhersagen, Wirkungsabschätzungen) = f (Organisation, Integration, Standardisierung, Automatisierung, Operationalisierung aller erforderlichen Arbeitsschritte ) Maurer, Flood Management Berlin, 25.03.2015 Seite 8 Elemente eines Entwicklungsprogramms 1. Bund-Länder-Messprogramm 2. Grundlagendaten 3. Informations- und Analysesysteme 4. Simulationsmodelle 5. Vorhersagesysteme 6. Bemessungswerte 7. Rückhalteräume 8. Wirksamkeitsnachweise Maurer, Flood Management Berlin, 25.03.2015 Seite 9 1 Bund-Länder-Messprogramm Überregional abgestimmte schnelle stromgebietsbezogene Erfassung aller notwendigen hydrologischen Daten • kontinuierlich, dauerhaft • Sondermessungen im HW-Ereignisfall Maurer, Flood Management Berlin, 25.03.2015 Seite 10 2 Grundlagendaten Präventive Erhebung und konsistente Sicherung • inkl. Aufbereitung relevanter historischer Datenbestände, insbesondere • Geobasisdaten, • meteorologische und hydrologische Zustände, • Deiche, • Regelungsbauwerke, • Überschwemmungsgrenzen. Maurer, Flood Management Berlin, 25.03.2015 Seite 11 3 Informations- und Analysesysteme Nutzergruppen-gerechte + dauerhafte, schnelle + sichere Bereitstellung von Daten, Analysen und Analysewerkzeugen • lokal • regional • überregional Maurer, Flood Management Berlin, 25.03.2015 Seite 12 Bsp. FLYS Flusshydrologischer Fachdienst der BfG (webbasiert) Geobasisdaten: Geofachdaten: Modell-Annahmen/Input: Gewässernetz Querprofilspuren DGM-W ….. Ausuferungshöhen Buhneninformation Deiche ….. Fließzoneneinteilung strömend/speichernd Abflusslängsschnitt ….. Modell-Output-Daten: Hydrologische Fachdaten: Morphologische Daten: Wasserspiegellagen Geschwindigkeit Kalibrierergebnisse …… Maßgebliche WSP der WSV/der Länder Amtliche ÜSGs Hist./Akt. ATs Sedimentfracht Porosität Sohlschubspannung … Maurer, Flood Management Berlin, 25.03.2015 Seite 13 Module und Berechnungsarten in FLYS Übersicht über die in FLYS inventarisierten Bundeswasserstraßen: Neue Karte Neues Diagramm Maurer, Flood Management Berlin, 25.03.2015 Seite 14 Bsp. Rheinatlas der IKSR Webbasiertes Auskunftssystem Maurer, Flood Management Berlin, 25.03.2015 Seite 15 Bsp. Rheinatlas der IKSR Webbasiertes Auskunftssystem Maurer, Flood Management Berlin, 25.03.2015 Seite 16 Bsp. FLIWAS Webbasiertes Entscheidungsunterstützungssystem für HW-Lagen Kommunikation Pegel Organisation Ressourcen Einsatzpläne Journal Maurer, Flood Management Berlin, 25.03.2015 Seite 17 4 Simulationsmodelle Bereitstellung von aktuellen und einsatzbereiten Nachweisinstrumenten der Abfluss- und Strömungsvorgänge für lokale, regionale und überregionale Zwecke „Nach der Modellerstellung ist vor der Modellerstellung“ Maurer, Flood Management Berlin, 25.03.2015 Seite 18 Engstellenanalyse Beispiel für Engstelle: Barförde Strömungsrichtung Promny et al. (2015), BfG-1848 Maurer, Flood Management Berlin, 25.03.2015 Seite 19 Engstellenanalyse Beispiel für Engstelle: Barförde Strömungsrichtung Promny et al. (2015), BfG-1848 Maurer, Flood Management Berlin, 25.03.2015 Seite 20 7 Rückhalteräume Systematische überregionale Identifizierung potentieller Überflutungsgebiete sowie Bewertung ihrer Eignung als Rückhalteraum unter – hydraulischen, – ökonomischen und – nutzungspolitischen Gesichtspunkten nach abgestimmten Maßstäben Maurer, Flood Management Berlin, 25.03.2015 Seite 21 8 Wirksamkeitsnachweise Überregionale Evaluierung der Wirksamkeit verschiedenster Kombinationen präventiver Hochwasserschutzmaßnahmen (Deichrückverlegungen, Rückhalteräume,…) unter ggf. Berücksichtigung • priorisierter Schutzziele sowie den • Möglichkeiten der Vorhersage Maurer, Flood Management Berlin, 25.03.2015 Seite 22 Wirkung der Deichrückverlegung Lenzen auf Hochwasserstände bei HQ100 HW Juni 2013 HW April 2006 Promny et al. (2014), KW Nr.6 Elbe-km 477 rechts, Einströmung durch Schlitz 1 der Deichrückverlegung Lenzen am 18. Januar 2013 bei einem Abfluss am Pegel Wittenberge von ca. 1590 m³/s (<MHQ), Blick stromab Maurer, Flood Management Berlin, 25.03.2015 ~0,4 Seite 23 Lage der Deichbrüche beim HW 2013 und der eingesetzten sowie (gemäß APH 2012) geplanten Rückhaltungen im Elbegebiet Maurer, Flood Management Berlin, 25.03.2015 Seite 24 Scheitelwasserstandsänderungen Elbe Hochwasser 2013 Szenarienberechnungen A-G Dresden 55.6 90 Torgau 154.6 Aken 274.8 Tangermünde Wittenberge 388.2 454.8 Neu Darchau 536.4 Einfluss Deichbrüche und Havelniederung und Talsperren Erhöhung durch die Wirkung (Deichbruch, Havelniederung, Talsperren) 70 E 60 Einfluss Deichbrüche und Havelniederung 50 C 40 D 30 Einfluss Talsperren 20 Einfluss Havelniederung B 10 Einfluss Deichbrüche 0 Theoretische Abminderung APH 2012/2003 Scheitelwasserstandsänderung [cm] 80 A Einfluss nicht umgesetzte Maßnahmen APH 2012 Ohne Havelniederung -10 -20 F -30 Einfluss nicht umgesetzte Maßnahmen APH 2003 Ohne Havelniederung -40 G -50 0 100 200 300 400 500 600 Elbe-km Maurer, Flood Management Berlin, 25.03.2015 Seite 25 Gemessene Jahreshöchstabflüsse am Pegel Wittenberge 1890 – 2013 5000 4500 Scheitelabfluss [m³/s] 4000 vor1932 nach1932 nach1941 nach1960 nach1963 nach1968 2013 2011 2002 2006 3500 3000 2500 2000 1500 1000 0 1890 1893 1896 1899 1902 1905 1908 1911 1914 1917 1920 1923 1926 1929 1932 1935 1938 1941 1944 1947 1950 1953 1956 1959 1962 1965 1968 1971 1974 1977 1980 1983 1986 1989 1992 1995 1998 2001 2004 2007 2010 2013 500 Kategorisierung in Hochwasserereignisse unterschiedlicher Beeinflussung: • ohne Talsperreneinfluss: vor 1932 (weiße Balken) • mit Einfluss von Saaletalsperren: vor 1960 (gelb: nur Bleilochtalsperre / orange: Bleiloch & Hohenwarthe) • mit Einfluss der Moldaukaskade und Egertalsperre „Nechranice“: nach 1960 (blaue Balken; verschiedene Ausbauzustände: Lipno ab 1961, Orlík ab 1964, Nechranice ab 1969) • Hochwasser 2002, 2006, 2011, 2013 (rote Balken) Gemessene Jahreshöchstabflüsse am Pegel Wittenberge 1890 – 2013 -ranggelistet 5000 4500 2013 vor1932 nach1932 nach1941 nach1960 nach1963 2011 2006 2002 Scheitelabfluss [m³/s] 4000 3500 nach1968 HW 2002, 2006, 2011 und 2013: mit Einfluss der Talsperren 3000 2500 MHQ (1890-2006): 2176 m³/s 2000 1500 1000 0 1 4 7 10 13 16 19 22 25 28 31 34 37 40 43 46 49 52 55 58 61 64 67 70 73 76 79 82 85 88 91 94 97 100 103 106 109 112 115 118 121 124 500 Kategorisierung in Hochwasserereignisse unterschiedlicher Beeinflussung: • ohne Talsperreneinfluss: vor 1932 (weiße Balken) • mit Einfluss von Saaletalsperren: vor 1960 (gelb: nur Bleilochtalsperre / orange: Bleiloch & Hohenwarthe) • mit Einfluss der Moldaukaskade und Egertalsperre „Nechranice“: nach 1960 (blaue Balken; verschiedene Ausbauzustände: Lipno ab 1961, Orlík ab 1964, Nechranice ab 1969) • Hochwasser 2002, 2006, 2011, 2013 (rote Balken) Gemessene Jahreshöchstabflüsse am Pegel Wittenberge 1890 – 2013 -ranggelistet 2002 2011 2013 2006 5000 4500 vor1932 nach1932 nach1941 nach1960 nach1963 nach1968 Scheitelabfluss [m³/s] 4000 3500 HW 2002, 2006, 2011 und 2013: ohne Einfluss der Talsperren* 3000 2500 MHQ (1890-2006): 2176 m³/s 2000 1500 1000 0 1 4 7 10 13 16 19 22 25 28 31 34 37 40 43 46 49 52 55 58 61 64 67 70 73 76 79 82 85 88 91 94 97 100 103 106 109 112 115 118 121 124 500 * für alle übrigen Hochwasser ist ebenfalls eine Eliminierung der Talsperrenwirkung geplant (FGG-BfG-Projekt „Homogenisierung der langen HQ-Reihen“) Kategorisierung in Hochwasserereignisse unterschiedlicher Beeinflussung: • ohne Talsperreneinfluss: vor 1932 (weiße Balken) • mit Einfluss von Saaletalsperren: vor 1960 (gelb: nur Bleilochtalsperre / orange: Bleiloch & Hohenwarthe) • mit Einfluss der Moldaukaskade und Egertalsperre „Nechranice“: nach 1960 (blaue Balken; verschiedene Ausbauzustände: Lipno ab 1961, Orlík ab 1964, Nechranice ab 1969) • Hochwasser 2002, 2006, 2011, 2013 (rote Balken) Ergebnisse Hochwasser 2002, 2006, 2011 1,2 1,1 2002 1,07 2011 1,00 1 0,96 0,9 0.88 0,80 0,8 0,73 0,77 0,7 0,68 0,67 0,68 0,68 0,42 0,41 0,39 0,38 Wittenberge Neu Darchau 0,60 0,6 0,53 0,48 0,5 0,50 0,43 0,4 0,37 0,38 0,3 0,2 2006 Saale durchschnittliche Wasserstandsreduktion [m] Längsschnitt 0,38 0,33 0,33 Barby Tangermünde 0,31 Schöna Dresden Torgau 0,37 Wittenberg Aken 0,1 0 100 200 300 400 500 600 Elbe-km „AllINTHESAMEBOAT“ Finalconference– June21Ͳ22,2012 intheSaxonStateParliament Nationales Hochwasserschutzprogramm Bsp: priorisierte Maßnahmen an der Elbe Gesteuerte Maßnahmen Bundesland Priorisierte Maßnahmen im Elbegebiet Volumen Ungesteuerte Maßnahmen [Mio.m3] Polder Lenzer Wische Polder Karthaneniederung Sanierung Havelpolder (Wehr Neuwerben) BB BB ST, BB, NI,MV BB,BE BB 7 8 Optimierung Havelpolder Stauregime Havel/Spree Tagebaurestseen Hoyerswerda-Senftenberg Polder Axien/Mauken Polder Dommitzsch ST SN 44,3 9 Polder Polbitz SN 10 11 12 13 14 15 16 17 Polder Dautzschen Polder Döbeltitz Polder Ammelgosswitz Polder Außig HRB Oberbobritzsch HRB Mulda HRB Straßberg HRB Meisdorf SN SN SN SN SN SN ST ST 30,1 12,1 11,1 11 4,9 5,4 1 2 3 4 5 6 53 a 60 ST Verbesserung Abflussregime Geesthacht-Schnackenburg Bundesland NI b DRV Buro ST c d DRV Schützberg DRV Hemsendorf ST ST e f DRV Löben-Meuselko DRV Schwarzheide-Herzberg ST BB 9 g h DRV Törten DRV Raguhn-Retzau ST ST 4,4 i DRV Altjeßnitz ST 37 60 4,47 Fläche [ha] 140 283 283 Promny et al. (2014), BfG-1833 514 508 5900 335 DRV Bennewitz-Püchau SN 615 j TH 7000 k HWS Unstrutaue HWS Geraaue TH 840 l Alle direkt an der Elbe gelegenen Maßnahmen sind orange hinterlegt. HRB - Hochwasserrückhaltebecken DRV - Deichrückverlegung HWS - Hochwasserschutz (Stand: 29.08.14) Maurer, Flood Management Berlin, 25.03.2015 Seite 30 Ad-hoc-Untersuchungen zur Ermittlung der Wirkungen der Hochwasserschutzmaßnahmen des Nationalen Hochwasserschutzprogramms (NHWSP) Abschätzung theoretisch maximaler Wirkung Promny et al. (2014), BfG-1833 Maurer, Flood Management Berlin, 25.03.2015 Seite 31 Ad-hoc-Untersuchungen zur Ermittlung der Wirkungen der Hochwasserschutzmaßnahmen des Nationalen Hochwasserschutzprogramms (NHWSP) Zusammenfassung BfG Ergebnis Teilbericht 1 Maßnahmen bis 2021 alle berücksichtigte Anzahl Flussgebiet Pegel Hochwasserereignisse Donau Elbe Rhein Oder Weser 2 2 2 1 1 3 4 4 3 1 Maurer, Flood Management Berlin, 25.03.2015 Zeithorizonte 2 2 2 1 1 Summe Zahl der Kombinationen 12 16 16 3 1 48 Spanne theoretisch maximaler Wirkung (TMW) [cm] 22 - 51 11 - 54 8 - 23 26 8 - 54 70 - 160 24 - 90 45 - 85 26 - 46 24 - 160 Seite 32 Ad-hoc-Untersuchungen zur Ermittlung der Wirkungen der Hochwasserschutzmaßnahmen des Nationalen Hochwasserschutzprogramms (NHWSP) Mögliche Varianten Teilbericht 2 Maurer, Flood Management Berlin, 25.03.2015 Seite 33 Fazit Jedes katastrophale Hochwasserereignis deckt Defizite der bestehenden Systeme und Strukturen auf. Möglichkeiten zu deren Minderung bestehen Erforderliche Technologien sind verfügbar Sie müssten „nur“ konsequent eingesetzt werden. Maurer, Flood Management Berlin, 25.03.2015 Seite 34 Abschließende Fragen Welchen Anspruch / welches Selbstverständnis entwickelt das NHWSP? Welchen Platz bzw. welche Rolle will und soll es innerhalb der existierenden Strukturen einnehmen? Welche Service-Level sind gewünscht + finanzierbar? Investitionen in Entwicklungsprojekte, Infrastrukturen, Personal? Organisatorische Veränderungen? Maurer, Flood Management Berlin, 25.03.2015 Seite 35 (Der Spiegel 12/2015) Vernetzte Sensoren: „Internet der Dinge“ Echtzeit Überwachung Modellbildung mittels „Big Data“ Echtzeit Prognosen „Viele digitale Projekte sind Friedhöfe“ Kosten für Transfer analog zu digital und anschließendes Hosting 9x höher als beim analogen Medium Maurer, Flood Management Berlin, 25.03.2015 Seite 37 Literatur Busch, Hammer (2006): Modellgestützter Nachweis der Auswirkungen von geplanten Rückhaltemaßnahmen in Sachsen und Sachsen-Anhalt auf Hochwasser der Elbe. BfG-1542. http://doi.bafg.de/BfG/2014/BfG-1542.pdf Busch, Hammer (2007): Auswirkungen von geplanten Rückhaltemaßnahmen an der Elbe in Sachsen und Sachsen-Anhalt auf Hochwasser der Elbe. Dresdener Wasserbaukolloquium 2007. Seiten 485-494 Busch, Hammer (2009): Einheitliche Grundlage für die Festlegung der Bemessungswasserspiegellagen an der Elbe auf der frei fließenden Strecke in Deutschland. BfG-1650. http://doi.bafg.de/BfG/2014/BfG-1650.pdf Hatz, Busch (2011): Ermittlung des Einflusses der Flutung der Havelniederung auf Hochwasser an der Elbe im Bereich des HQ100. BfG-1726. http://doi.bafg.de/BfG/2014/BfG-1726.pdf Busch, Balvín, Hatz, Krejcí (2012): Bewertung von Einflüssen tschechischer und thüringischer Talsperren an Moldau und Elbe in Tschechien und Deutschland mittels Einsatz mathematischer Abflussmodelle. BfG-1725. http://doi.bafg.de/BfG/2012/BfG-1725-DT.pdf Hatz, Busch (2013): Großräumige Einflüsse tschechischer und deutscher Talsperren auf ausgewählte extreme Hochwasser an der deutschen Binnenelbe. Dresdner Wasserbaukolloquium 2013. Seiten 173-182 Hatz, Busch (2013): Beeinflussung von Hochwassern der Elbe durch den Betrieb von Talsperren in Tschechien und Thüringen. Die Zukunft des Wasserhaushaltes im Elbegebiet. Dresden November 2013. Seite 90-95. http://doi.bafg.de/BfG/2013/Veranst6_2013.pdf Rommel, Hatz (2012): Recherche und Aufbereitung von Inhalten historischer Karten der Elbe zur Nutzung in der Flusshydrologischen Software FLYS. BfG-1724. http://doi.bafg.de/BfG/2012/BfG-1724.pdf Rommel, Hatz, Weniger (2012): Verlaufsrekonstruktion der deutschen Binnenelbe um 1830/1850 zur Bearbeitung hydromorphologischer Fragestellungen. Hydrologie und Wasserbewirtschaftung. Heft 6/2012. Seite 306-319. http://www.hywa-online.de/hywa-2014/?wpdmdl=812 Promny, Hammer, Busch (2014): Untersuchungen zur Wirkung der Deichrückverlegung Lenzen auf das Hochwasser vom Juni 2013 an der unteren Mittelelbe. Korrespondenz Wasserwirtschaft 2014(7), Nr. 6 Promny, Busch, Maurer (2014): Ad-hoc-Untersuchungen zur Ermittlung der Wirkungen von Hochwasserschutzmaßnahmen des Nationalen Hochwasserschutzprogramms. Teilbericht 1. BfG-1833. In Kürze verfügbar Promny, Hammer, Hatz, Busch (2015): 2D-Modellierung der unteren Mittelelbe zwischen Wittenberge und Geesthacht. BfG-1848. In Kürze verfügbar. Maurer, Flood Management Berlin, 25.03.2015 Seite 38 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Dr.-Ing. Thomas Maurer Referatsleiter Wasserhaushalt, Vorhersagen und Prognosen Bundesanstalt für Gewässerkunde Am Mainzer Tor 1 56068 Koblenz Tel.: 0261/1306-5242 E-Mail: [email protected] www.bafg.de Maurer, Flood Management Berlin, 25.03.2015 Seite 39
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