SchweizerbartE

B. Merz, R. Bittner,

Management von Hochwasserrisiken

U. Grünewald, K. Piroth (Hrsg.)

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Hrsg.: Bruno Merz, Ruth Bittner, Uwe Grünewald, Klaus Piroth

Management von Hochwasserrisiken

mit Beiträgen aus den RIMAX-Forschungsprojekten

� Schweizerbart Science Publishers • Stuttgart • 2011

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Bruno Merz, Ruth Bittner, Uwe Grünewald, Klaus PirothManagement von Hochwasserrisiken mit Beiträgen aus den RIMAX-Forschungsprojekten

Prof. Dr.-Ing. Bruno Merz Helmholtz-Zentrum PotsdamDeutsches GeoForschungsZentrum GFZDirektor Department 5 „Prozesse der Erdoberfl äche“Telegrafenberg, 14473 Potsdam

Dr.-Ing. Ruth Bittner RIMAX-Förderprogramm am Helmholtz-Zentrum PotsdamDeutsches GeoForschungsZentrum (GFZ)Sektion HydrologieTelegrafenberg, 14473 Potsdam

Prof. Dr. rer. nat. habil. Uwe GrünewaldLehrstuhl Hydrologie und WasserwirtschaftFakultät Umweltwissenschaften und VerfahrenstechnikBrandenburgische Technische Universität CottbusKonrad-Wachsmann-Allee 6, 03046 Cottbus

Dr.-Ing. Klaus Piroth Geschäftsbereich WasserARCADIS Deutschland GmbHWendtstraße 19, 76185 Karlsruhe

Abbildungen Umschlag:Oberes Bild: Elbe/Mulde 15. August 2002, © Marc Zebisch TUB/PIKMittleres Bild: Überschwemmungen an der Elbe bei Gröba (heute OT Riesa/Sachsen), historisches

Foto (Quelle: Sammlung M. Deutsch)Unteres Bild: Havel 21. August 2002, © Marc Zebisch TUB/PIK

ISBN 978-3-510-65268-6Information on this title: www.schweizerbart.de/9783510652686© 2011 E. Schweizerbart’sche Verlagsbuchhandlung (Nägele u. Obermiller), Stuttgart, Germany

Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung außerhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist ohne Zustimmung des Verlages unzulässig und strafbar. Das gilt besonders für Vervielfältigungen, Übersetzungen, Mikroverfi lmungen und die Einspeicherung und Ver-arbeitung in elektronischen Systemen.

Verlag: E. Schweizerbart’sche Verlagsbuchhandlung (Nägele u. Obermiller) Johannesstr. 3A, 70176 Stuttgart, Germany mail@schweizerbart.de www.schweizerbart.de

� Gedruckt auf alterungsbeständigem Papier nach ISO 9706-1994

Satz: DTP + TEXT Eva Burri, Stuttgart, www.dtp-text.dePrinted in Germany by Gulde Druck, Tübingen

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III

Inhaltsverzeichnis

Vorwort ................................................................................................................................... VIIZusammenfassung .................................................................................................................. IX

1 Einführung........................................................................................................... 11.1 Begriffsbestimmungen: Hochwasser, Risiko, Hochwasser risiko .......................... 11.2 Hochwasserrisikomanagement: Ziele und Interaktionen ...................................... 31.3 Hochwasserrisikomanagement als Kreislauf von Hochwasservorsorge

und -bewältigung................................................................................................... 51.4 Hochwasserrisiko: Datenanforderungen, Unsicherheiten und Instationarität....... 71.5 Hochwasserrisikomanagement in Zeiten des globalen Wandels........................... 101.6 Zum Stand des Hochwasserrisikomanagements in Deutschland und Europa ...... 11

2 Methoden zur Analyse des Hochwasserrisikos ................................................. 152.1 Aus historischen Hochwassern lernen .................................................................. 152.1.1 Methodische Grundlagen ...................................................................................... 152.1.1.1 Einleitung .............................................................................................................. 152.1.1.2 Wasserwirtschaftlich/wasserbaulich relevante Altunterlagen ............................... 162.1.1.3 Vorstellung des Quellenmaterials.......................................................................... 162.1.1.4 Aussagemöglichkeiten wasserwirtschaftlich/wasserbaulich relevanter

Altunterlagen ........................................................................................................ 192.1.2 Analyse und Rekonstruktion von Wetterlagen und Hochwassern ........................ 202.1.2.1 Rekonstruktion atmosphärischer Zirkulationsmuster ........................................... 212.1.2.2 Prozesskette zur Rekonstruktion historischer Hochwasser ................................... 232.1.3 Verbesserte Aussagen zur Hochwasserwahrscheinlichkeit durch Verwendung

historischer Beobachtungen .................................................................................. 252.1.3.1 Rekonstruktion langer Durchfl ussreihen .............................................................. 252.1.3.2 Einbeziehung historischer Hochwasser in die statistische Analyse ...................... 332.1.4 Hauptergebnisse .................................................................................................... 342.2 Analyse und Simulation der Hochwassergefährdung ........................................... 352.2.1 Methoden zur Analyse und Prognose der Gefährdung ......................................... 352.2.2 Analyse und Simulation des Niederschlags .......................................................... 372.2.2.1 Beobachtete Niederschlagsereignisse ................................................................... 382.2.2.2 Statistische Niederschlagsereignisse .................................................................... 382.2.2.3 Kontinuierliche Niederschlagsreihen aus Wettergeneratoren ............................... 392.2.2.4 Kontinuierlicher Niederschlag aus Downscaling .................................................. 402.2.3 Ermittlung von Bemessungshochwässern ............................................................. 412.2.3.1 Statistische Abfl üsse.............................................................................................. 412.2.3.2 Ereignisbasierte Niederschlag-Abfl uss-Modellierung .......................................... 422.2.3.3 Kontinuierliche Niederschlag-Abfl uss-Modellierung ........................................... 432.2.4 Ermittlung von Überschwemmungsfl ächen .......................................................... 462.2.4.1 Flussüberschwemmungen ..................................................................................... 462.2.4.2 Sturzfl uten ............................................................................................................. 49

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2.2.4.3 Grundhochwässer .................................................................................................. 502.2.5 Hauptergebnisse .................................................................................................... 512.3 Analyse der Hochwasserschadwirkung ................................................................ 522.3.1 Methoden zur Analyse und Prognose von Hochwasserschäden ........................... 632.3.2 Erfassung und Modellierung direkter Schäden ..................................................... 652.3.3 Berücksichtigung indirekter Schäden .................................................................. 722.3.4 Besonderheiten intangibler Schäden ..................................................................... 742.3.5 Verknüpfung verschiedener Kriterien – Multikriterielle Bewertung .................... 762.3.6 Schäden durch Sturzfl uten und Grundwasser in urbanen Ballungs räumen .......... 772.3.6.1 Abschätzung von Schäden durch Starkregen und Sturzfl uten .............................. 772.3.6.2 Übertragung von Schadensmodellen auf Grundhochwasser ................................ 802.3.7 Hauptergebnisse .................................................................................................... 812.4 Hochwasserrisiko als Verknüpfung von Gefährdung und Schaden ...................... 822.4.1 Risikoermittlung ................................................................................................... 822.4.2 Risikobewertung und risikobasiertes Entscheiden ............................................... 85

3 Umsetzungen des Kreislaufs des Hochwasser risikomanagements ................. 893.1 Hochwasservorhersage und -warnung – Überblick .............................................. 893.1.1 Bausteine operationeller Hochwasservorhersagesysteme ..................................... 903.1.1.1 Hydrologische und hydrometeorologische Messdaten ......................................... 913.1.1.2 Meteorologische Vorhersageprodukte ................................................................... 923.1.2 Operationelle Hochwasservorhersagesysteme an Rhein, Elbe und Donau ........... 933.1.2.1 Rhein ..................................................................................................................... 933.1.2.2 Elbe ....................................................................................................................... 953.1.2.3 Donau .................................................................................................................... 953.1.3 Hochwasserfrühwarnung für kleine Einzugsgebiete............................................. 963.1.4 Unsicherheiten und Veröffentlichung von Hochwasservorhersagen ..................... 973.1.5 Hochwasservorhersage in der RIMAX-Forschung ............................................... 983.1.5.1 Räumlich und zeitlich hoch aufgelöste Niederschlagsvorhersagen ...................... 983.1.5.2 Hochwasservorhersage für schnell reagierende Einzugsgebiete .......................... 1003.1.5.3 Von der Niederschlagsvorhersage zur Vorhersage von Überschwemmungs-

fl ächen ................................................................................................................... 1043.1.6 Hauptergebnisse .................................................................................................... 1073.2 Hochwasservorhersage und -warnung – Umgang mit Unsicherheiten ................. 1073.2.1 Quellen von Unsicherheiten und deren Berücksichtigung bei der Modellierung . 1073.2.1.1 Einführung ............................................................................................................ 1073.2.1.2 Modellparameter ................................................................................................... 1083.2.1.3 Modellstruktur....................................................................................................... 1093.2.1.4 Anfangsinformation .............................................................................................. 1123.2.1.5 Randbedingungen ................................................................................................. 1143.2.1.6 Reduktion von Unsicherheiten durch Modellnachführung ................................... 1153.2.2 Unsicherheit der Niederschlagsschätzung für die Hochwassersimulation

in kleinen Einzugsgebieten .................................................................................. 1173.2.2.1 Einführung ............................................................................................................ 1173.2.2.2 Vom möglichen Mehrwert einer Radar-basierten Niederschlagsschätzung

in der Abfl usssimulation ....................................................................................... 1203.2.3 Die Bedeutung der Einzugsgebietsbedingungen vor dem Hochwasser ereignis:

Unsicheres Wissen über die Bodenfeuchte ........................................................... 1233.2.4 Hauptergebnisse .................................................................................................... 127

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3.3 Risikobasierte Bemessungs-, Bewirtschaftungs- und Steuerungsstrategien für Anlagen des technischen Hochwasserschutzes ............................................... 129

3.3.1 Überblick zu risikobasierten Methoden ............................................................... 1293.3.2 Risikobasierte Bemessung ................................................................................... 1313.3.3 Risikobasierte Bewirtschaftung und Steuerung .................................................... 1343.3.3.1 Bewirtschaftungskonzepte für Trockenbecken und Polder ................................... 1343.3.3.2 Steuerung von Mehrzweckspeichern .................................................................... 1373.3.4 Hauptergebnisse .................................................................................................... 1403.4 Technischer Hochwasserschutz: Deiche an Fließgewässern................................. 1413.4.1 Einführung und Hintergrund ................................................................................. 1413.4.2 Historische Entwicklung von Altdeichen .............................................................. 1423.4.3 Stand des Wissens und der Technik ...................................................................... 1453.4.3.1 Anforderungen an Hochwasserschutzdeiche ........................................................ 1453.4.3.2 Regelungen zur Erkundung bestehender Deichstrecken ...................................... 1463.4.3.3 Belastung und Versagensformen von Deichen bei Hochwasser ........................... 1463.4.3.4 Maßnahmen im Falle eines Hochwassers – Deichverteidigung ........................... 1473.4.3.5 Bewertung und Priorisierung des Deichbestandes ................................................ 1483.4.4 Deicherkundung .................................................................................................... 1493.4.4.1 Anforderungen an die Erkundung von Deichkörper und Untergrund .................. 1493.4.4.2 Erkundung von Deich und Untergrund durch Kombination geotechnischer

und geophysikalischer Methoden ......................................................................... 1503.4.5 Monitoring von Deichen und Entwicklung von Prognosemodellen ..................... 1523.4.5.1 Ziele von Monitoring- und Prognosemodellen ..................................................... 1523.4.5.2 Anforderungen an ein Monitoringsystem für Deiche und verfügbare

Beobachtungsmethoden ........................................................................................ 1533.4.5.3 Konzeption eines Vorhersagemodells zur Prognose von hydraulischen

Situationen und Bewertung der Standsicherheit von Deichen .............................. 1543.4.6 Sicherung von Deichen bei Extremszenarien ....................................................... 1563.4.6.1 Defi nition von Extremszenarien für die Deichsicherheit ...................................... 1563.4.6.2 Technische Maßnahmen zur Sicherung von Deichen bei Extremereignissen ...... 1573.4.6.3 Einsatz und Nutzen von Online-Monitoring- und Deich-Informationssystemen . 1593.4.7 Hauptergebnisse .................................................................................................... 1593.5 Erhöhung des Wasserrückhalts durch dezentrale Maßnahmen zur Hochwasser-

minderung ............................................................................................................. 1603.5.1 Maßnahmenübersicht und Wirkungen .................................................................. 1633.5.2 Erhöhung der Retentionsfähigkeit von Gewässernetz und Aue ............................ 1643.5.3 Mögliche Scheitelabminderungen durch dezentrale Maßnahmen ........................ 1763.5.4 Maßnahmen zur Schadensminderung in urbanen Gebieten .................................. 1783.5.5 Hauptergebnisse .................................................................................................... 1783.6 Katastrophenschutz und Hochwasserbewältigung ................................................ 1793.6.1 Methodik eines integrativen operationellen Katastrophenschutzes ...................... 1803.6.2 Neue Werkzeuge zur modellgestützten Prognose von Überfl utungen .................. 1803.6.2.1 Entwicklungsstand operativ einsetzbarer hydraulischer Modelle ......................... 1813.6.2.2 Anwendungsbeispiel: Nachweis der Wirkung von Flutkammern

und rückwärtigen Deichlinien ............................................................................... 1833.6.3 Erstellung von Überfl utungskarten mittels Radarsatellitendaten .......................... 1853.6.4 Technische Maßnahmen zur Eindämmung einer Überfl utung ............................. 1873.6.4.1 Aufhöhung vorhandener Schutzanlagen ............................................................... 1873.6.4.2 Mobile Hochwasserschutzanlagen ........................................................................ 1873.6.5 Maßnahmen zur Bewusstseinsbildung .................................................................. 190

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3.6.6 Hauptergebnisse ................................................................................................... 1913.7 Maßnahmen zur lokalen Sicherung von Schutzgütern und Bauvorsorge ............. 1923.7.1 Neue Techniken zur lokalen Sicherung von Schutzgütern ................................... 1923.7.1.1 Maßnahmen des Dry-Proofi ng .............................................................................. 1923.7.1.2 Maßnahmen des Wet-Proofi ng .............................................................................. 1933.7.1.3 Konsequenzen und Steuerungshilfen für die Einsatzkräfte des Katastrophen-

dienstes .................................................................................................................. 1933.7.2 Schadensreduzierung durch Bauvorsorge ............................................................. 1953.7.3 Hauptergebnisse .................................................................................................... 1973.8 Risikokommunikation ........................................................................................... 1993.8.1 Defi zite: Vom Schutzversprechen zum sachlichen Umgang

mit dem Hochwasserrisiko .................................................................................... 2003.8.2 Herausforderungen ................................................................................................ 2023.8.2.1 Interne Hochwasserrisikokommunikation sichern ................................................ 2023.8.2.2 Externe Hochwasserrisikokommunikation herstellen ........................................... 2043.8.2.3 Partizipation als höchste Form der Hochwasserrisikokommunikation ................. 2063.8.3 Resultate: Netzwerke entlang der Flüsse .............................................................. 207

4 Literatur............................................................................................................... 2115 Autorinnen und Autoren ..................................................................................... 2336 Leitfaden zu den Projekten / Projektergebnissen ............................................ 2377 Stichwortverzeichnis ........................................................................................... 247

Farbabbildungen, Teil 1 ......................................................................................................... 53Farbabbildungen, Teil 2 ......................................................................................................... 165

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VII

Vorwort

Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) hat im Jahr 2005 die Förderakti-vität „Risikomanagement extremer Hochwasserereignisse“, kurz RIMAX, ins Leben gerufen, um wissenschaftlich fundierte Methoden und Werkzeuge für ein modernes Hochwasserrisiko-management in Deutschland zu entwickeln und umzusetzen. RIMAX konzentriert sich auf Ex-tremereignisse, also Hochwasser, welche im statistischen Mittel einmal in hundert Jahren oder seltener auftreten, aber große volkswirtschaftliche Schäden anrichten können. Diese Ereignisse waren bisher nur selten Gegenstand der Forschung. Gefahren durch diese Ereignisse kann nur durch integrierte und nachhaltige Herangehensweise begegnet werden. Mit der Förderaktivität wird ein wichtiger Beitrag zur Umsetzung des 5-Punkte-Programms der Bundesregierung zur wirksamen Verbesserung bei der Gefahrenabwehr als auch bei der Verringerung von Hochwas-serrisiken geleistet.

Die schnelle Umsetzung von Forschungsergebnissen in die Praxis, ist ein wichtiger Grund-satz der BMBF-Förderungen. Deshalb waren an den Verbundprojekten in RIMAX neben Uni-versitäten und Forschungseinrichtungen auch verantwortliche Organe des Bundes, der Länder sowie der Kommunen, Wasserverbände, Versicherungen und Privatunternehmen beteiligt. Insge-samt wurden 38 Projekte mit 24 Mio. EUR gefördert.

Das hier vorliegende Kompendium wurde von den Herausgebern konzipiert, um die viel-fältigen Aspekte des Hochwasserrisikomanagements, die in den RIMAX-Projekten behandelt werden, in einen Gesamtzusammenhang zu stellen, der

• eine strukturierte Darstellung der RIMAX-Forschungsergebnisse erlaubt,• einen Einblick in den aktuellen Stand der Hochwasserrisikoforschung in Deutschland ge-

währt• und dabei besondere Ergebnisse und Fortschritte in der deutschen Hochwasserforschung

würdigt.

Dabei wird kein Anspruch auf eine vollständige Berücksichtigung und Erwähnung aller RIMAX Projekte erhoben, sondern die Zusammenfassung und Einordnung der Projektergebnisse im Ge-samtzusammenhang der Hochwasserrisikomanagements angestrebt.

Unser Dank gilt

• dem BMBF für die Förderung der RIMAX-Projekte und die fi nanzielle Unterstützung bei der Erstellung des Kompendiums,

• den Autoren der einzelnen Kapitel, die sich der Mühe unterzogen haben, Erkenntnisse und Ergebnisse über ihre eigenen RIMAX-Projekte hinaus zu sichten und in einen Kontext zu stellen.

Die Herausgeber wünschen, dass das vorliegende Buch einem weiten Kreis an Personen, die sich mit dem Hochwasserrisikomanagement beschäftigen, als Überblick zu den vielfältigen Ergeb-nissen der RIMAX-Forschung und als Einstieg in weiterführende Literatur zu einzelnen Aspek-ten des Hochwasserrisikomanagements dient.

Bruno Merz, Ruth Bittner, Uwe Grünewald, Klaus Piroth

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IX

Zusammenfassung

Ziel des RIMAX-Forschungsprogramms war es, den sich vollziehenden Wandel weg vom Hoch-wasserschutzversprechen hin zu einem sachlichen Umgang mit dem Risiko durch die Entwick-lung und Implementierung neuer Methoden und Ansätze zu unterstützen. Für ein erfolgreiches Risikomanagement ist es erforderlich, das Risiko möglichst objektiv und umfassend zu erfassen und zu bewerten, transparent darzustellen und zu kommunizieren. Die verschiedenen Möglich-keiten der Vorsorge und Bewältigung von Schadensereignissen dürfen nicht unabhängig von einander gesehen werden, sondern sollten, z.B. im Kreislauf des Risikomanagements, aufeinan-der abgestimmt werden. Vor diesem Hintergrund werden nachfolgend eine Auswahl wichtiger Ergebnisse der RIMAX-Projekte zusammenfassend dargestellt.

Grenzen überwindenHochwasserrisikomanagement ist eine Querschnittsaufgabe. Dementsprechend ist es wich-tig, Wissen über Gefahren, aber auch über Möglichkeiten zur Vorsorge und Bewältigung ge-meinsam – über Disziplin- und Fachgrenzen hinweg – zu erarbeiten und in die Gesellschaft zu kommunizieren. In verschiedenen RIMAX-Projekten wurde untersucht, wie sich Defi zite bei der Entwicklung des internen Risikobewusstseins (z.B. in Politik und Verwaltung) und des ex-ternen Hochwasserbewusstseins (z.B. in der Bevölkerung und den Medien) durch Strategien der Risikokommunikation und einer verbesserten Risikokultur überwinden lassen. Es ist not-wendig, Risiken und das Potential von Schadensminderungsmaßnahmen besser in der Gesell-schaft zu kommunizieren. Hierfür wurde ein interaktives Lernprogramm für Stadtplaner und hochwassergefährdete Anwohner entwickelt. Ein anderes Produkt von RIMAX ist eine Infor-mationsplattform, die von Kommunen kostenfrei genutzt werden kann, um die Bevölkerung mit ortspezifi schen Informationen zum Thema Hochwasser zu informieren. Um die Kooperation und Kommunikation im Hochwasserrisikomanagement auf der kommunalen Ebene zu verbessern, wurde eine Hochwasserpartnerschaft an der Elbe initiiert. Zur Unterstützung eines adäquaten Hochwasserbewusstseins kommt aber auch historischen Unterlagen über extreme Hochwasser eine wichtige Rolle zu. Zeitgenössische Quellen können real abgelaufene „große Fluthen“ doku-mentieren und damit latente Gefahren aufzeigen.

Zur Sicherung lokaler Schutzgüter in Bereichen, in denen eine Überschwemmung nicht aus-geschlossen werden kann, gibt es heute eine Vielzahl unterschiedlicher Ansätze und neuerer Pro-dukte. Die Kosten-Nutzen-Verhältnisse verschiedener Maßnahmen der Bauvorsorge sind sehr unterschiedlich. Ergebnisse zeigen, dass die Popularität von Maßnahmen nicht unbedingt mit günstigen Kosten-Nutzen-Verhältnissen verbunden ist. Eine Aufgabe besteht daher darin, Infor-mationen über die Wirtschaftlichkeit von Bauvorsorgemaßnahmen besser aufzubereiten und der Öffentlichkeit zur Verfügung zu stellen.

Im Rahmen von RIMAX wurde eine Vielzahl von Empfehlungen für die Praxis des Risi-komanagements gegeben. Beispielsweise wurde untersucht, welche geophysikalischen Mess-methoden für die Erkundung von Deich und Untergrund einsetzbar sind. Leitfäden für die Er-fassung von Hochwasserschäden bündeln die Erfahrungen aus den Hochwassern der letzten Jahrzehnte und geben Empfehlungen für zukünftige Schadenserhebungen. Empfehlungen zur Bewirtschaftung von Trockenbecken und Poldern unter Berücksichtigung von Stoffeinträgen so-wie zur Schadstoffverlagerungen in Retentionsräumen werden für die Anwendung in der Praxis in einem Leitfaden aufbereitet. Dieser wird dazu beitragen, Nutzungskonfl ikte bezüglich Hoch-

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X Zusammenfassung

wasserrückhaltung und Trinkwassergewinnung zu vermeiden oder zumindest zu minimieren. Ein weiteres Beispiel ist die Entwicklung einer praxistauglichen Methode zur großräumigen Abschätzung des Hochwasserretentionsvermögens von Gewässern. Damit kann die Stärkung des natürlichen Hochwasserrückhalts in die Planung der Gewässerentwicklung integriert werden.

Risiko im FokusEine essentielle Rolle innerhalb des sich entwickelnden Hochwasserrisikomanagements spielen der Begriff Risiko sowie risikobasierte Bemessungs-, Bewirtschaftungs- und Steuerungsverfah-ren. Die frühere Beschränkung auf die Gefährdung, also auf die Hochwasserprozesse und deren Eintretenswahrscheinlichkeiten in den Einzugsgebieten und Flusssystemen, wurde aufgehoben. Im Fokus stehen heute zunehmend risikobasierte Strategien, die neben der Gefährdung auch die Vulnerabilität, also die Auswirkungen von Hochwassern auf die Gesellschaft und ihre Möglich-keiten zur Vorsorge und Bewältigung, einbeziehen.

Zum Themenfeld Auswirkungen von Hochwassern wurden in RIMAX-Projekten vielfältige Ansätze entwickelt und getestet, z.B. neue Schadensmodelle für Schäden in der Landwirtschaft, im Verkehrssektor und für Aufwendungen des Katastrophenschutzes. Ebenso wurden ein analy-tisches Modell zur Klassifi zierung von Bauwerksbeständen, ihrer strukturellen Verletzlichkeit und potentiellen fi nanziellen Schäden sowie verschiedene Schadensmodelle zur Abschätzung direkter Schäden in Privathaushalten und Unternehmen durch Flusshochwasser bzw. Grund-hochwasser entwickelt. Alle Modelle gehen in ihrer Komplexität und Güte wesentlich über die bislang verfügbaren Schadensmodelle hinaus. Somit stehen der Praxis nun wissenschaftlich fun-dierte, geprüfte Modelle zur Verfügung.

Eine Reihe von RIMAX-Projekten haben risikobasierte Bemessungs- und Steuerungsver-fahren weiterentwickelt. So wurde untersucht, welche Steuerstrategien für Rückhalteräume am wirksamsten sind, um Personen- und Sachschäden bestmöglich zu reduzieren. Es wurden auch gesamtheitliche Konzepte zur Ermittlung der Deichsicherheit entwickelt. Hierbei wird die Wirkungskette von den Bauwerkseigenschaften über die Belastungen durch Wasserstand und Windeinwirkung bis hin zu den verschiedenen Versagensmechanismen abgebildet und zur Ver-sagenswahrscheinlichkeit des Gesamtsystems kombiniert. Wendet man diese Methode auf län-gere Deichabschnitte an, so können z.B. kritische Bereiche durch Vergleich der Versagenswahr-scheinlichkeiten identifi ziert werden. Diese Ansätze zeichnen sich durch deutliche methodische Fortschritte und einen erheblichen Zugewinn an Erkenntnissen über mögliche Versagensmecha-nismen und -szenarien aus. Allerdings sind sie mit einem erhöhten Aufwand verbunden und in der Praxis bisher nur teilweise akzeptiert.

Wirkungsketten und umfassendere methodische KonzepteEng mit der Ausweitung auf den Risikobegriff verbunden ist die Integration von Einzelaspekten in Wirkungsketten oder -netzen. Zunehmend werden Methoden entwickelt, die die physikali-schen Hochwasserprozesse, die Auswirkungen auf Gesellschaft und Umwelt sowie die Optionen des Risikomanagements gemeinsam betrachten. Hierzu werden häufi g gekoppelte Modelle ver-wendet. Solche Analysen fördern das Gesamtverständnis für komplexe Wirkungszusammenhän-ge. Ein Beispiel ist die Quantifi zierung und vergleichende Bewertung monetär und nicht monetär erfassbarer Zielkonfl ikte. Bei der Steuerung und Bewirtschaftung wasserwirtschaftlicher Syste-me wird zunehmend versucht, konkurrierende Nutzungen gemeinsam zu berücksichtigen und multikriterielle Entscheidungs- und Optimierungsverfahren einzusetzen. Dabei ist ein Übergang von der Speichersteuerung mit starren, wasserstandsbezogenen Steuervorschriften hin zu einer dynamischen, zufl ussbezogenen Steuerung erkennbar. Ein weiteres Beispiel ist die Entwicklung eines Modellsystems, das Flusshochwasser, Grundwasser sowie die Fließprozesse in der Kanali-sation koppelt. Damit wird es möglich, die Wechselwirkungen von komplexen Hochwassersitu-ationen in städtischen Räumen zu beleuchten.

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1.3 Hochwasserrisiko: Datenanforderungen, Unsicherheiten und Instationarität 7

Abb. 1.3: Akteursvielfalt im Hochwasserrisikomanagement

1.4 Hochwasserrisiko: Datenanforderungen, Unsicherheiten und Instationarität

Grundlage jeder Entscheidung des Hochwasserrisikomanagements sind Aussagen zum aktuellen oder zukünftig zu erwartenden Risiko sowie zur Risikominderung durch mögliche Vorsorgemaß-nahmen. Die Frage nach der Vertrauenswürdigkeit von Risikoabschätzungen ist deshalb für das Risikomanagement von großer Bedeutung.

Die Vertrauenswürdigkeit von Risikoabschätzungen ist umso größer, je besser diese mit be-obachteten Ereignissen in der betreffenden Region in Übereinstimmung gebracht werden kön-nen. Dies wird umso schwieriger, je größer die Jährlichkeit des abzuschätzenden Ereignisses ist. Hochwasserrisikoanalysen sind dadurch gekennzeichnet, dass:

• vergleichsweise kurze Zeitreihen von beobachteten Ereignissen vorliegen: Die vorhande-nen Datenreihen (Niederschlag, Abfl uss etc.) umfassen in Deutschland zumeist nur wenige Jahrzehnte; nur in seltenen Fällen übersteigen sie 100 Jahre. Hinzu kommt das Problem der Instationarität, d. h. von zeitlichen Veränderungen. Selbst in den Fällen, in denen lange Zeit-reihen zur Verfügung stehen, können diese nicht ohne Weiteres in eine statistische Analyse einbezogen werden, wenn davon auszugehen ist, dass sich die Bedingungen zur Bildung von Hochwasserereignissen und -schäden im Laufe der Zeit geändert haben.

• die Beobachtungen unvollständig und unsicher sind: Extreme Hochwasserereignisse können in vielen Fällen nur schlecht beobachtet und dokumentiert werden. Beispielsweise müssen extreme Scheitelabfl üsse oft über die Geschwemmsellinie abgeschätzt werden. Die Beobach-tungsdaten von extremen Ereignissen sind deshalb mit großen Unsicherheiten behaftet. Ein weiteres Beispiel sind Deichbrüche. Diese treten in extremen Situationen ein, und es bleibt selten die Zeit, die Gründe und den Verlauf sorgfältig zu recherchieren und zu dokumentie-ren. Gerade solche Aufzeichnungen wären jedoch notwendig, um Deichbruchprozesse besser zu verstehen und zu quantifi zieren.

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8 1 Einführung

Box 1.2: Veränderung des Hochwasserrisikos

Die Interaktion zwischen Gefährdung und Vulnerabilität kann vereinfacht anhand einer Ganglinie der Hochwasserabfl üsse dargestellt werden. Es kommt zu Schäden, wenn der Abfl uss eine Toleranz-schwelle überschreitet. Ob eine Katastrophe eintritt und welches Ausmaß sie annimmt, hängt vom Abfl uss, aber auch von der Toleranzschwelle, also der Vulnerabilität, ab.

Abf

luss

Zeit

Abf

luss

Zeit

Toleranzschwelle

Beispiele für instationäre Effekte und damit für Veränderungen des Risikos:

• Anstieg der Gefährdung (Bild oben links): Die Erhöhung des Risikos resultiert aus einer steti-gen Zunahme der Gefährdung, hier als Zunahme der mittleren Hochwasserabfl üsse illustriert, beispielweise aufgrund zunehmender Niederschläge und abnehmendem Retentionspotenzial von Böden und Vegetation im Einzugsgebiet.

• Anstieg der Gefährdung durch höhere Variabilität (oben rechts): Eine Zunahme des Risikos kann durch eine höhere Variabilität des Abfl usses hervorgerufen werden, z. B. aufgrund von häufi geren Starkniederschlägen infolge von Klimaveränderungen.

• Kontinuierliche Abnahme der Toleranzschwelle (unten links): Verschiedene Einfl üsse lassen die Vulnerabilität im Laufe der Zeit ansteigen. Beiträge hierzu liefern die Akkumulation von Wer-ten in fl ussnahen Bereichen, die Alterung von Schutzmaßnahmen wie Deiche, die Abnahme des Gefahrenbewusstseins oder die Zunahme der Anfälligkeit. Beispielsweise waren viele der früher in Industrie und Gewerbe eingesetzten Maschinen relativ robust und konnten nach Überschwem-mungen wieder repariert werden, während heutige Anlagen mit technisch aufwändigen elektro-nischen Bauteilen ausgestattet sind, so dass Wasserschäden oftmals zum Totalschaden führen.

• Stetige Abnahme der Toleranzschwelle, überlagert mit einem schnellen Anstieg durch Schadens-erfahrungen (unten rechts): Es muss davon ausgegangen werden, dass einer kontinuierlichen Ab-nahme der Toleranzschwelle schnelle Zunahmen entgegenwirken – und zwar dann, wenn die Gemeinschaft durch ein Hochwasser geschädigt wird. Hochwasserbewusstsein und die Bereit-schaft zur Vorsorge sind nach einer Katastrophe am höchsten und sinken mit zunehmender Dauer katastrophenfreier Perioden.

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2.3 Analyse der Hochwasserschadwirkung 63

Schadstoffbelastungen in urbanen Räumen (vor allem in Bitterfeld, Jessnitz und Raguhn entlang der Mulde) bewertet. Möglichkeiten zur Verhinderung des Schadstoffeintrags in Gewässer durch angepasste Nutzung von Retentionsräumen sollten im Projekt „Entwicklung eines integrativen Bewirtschaftungskonzepts für Trockenbecken und Polder zur Hochwasserrückhaltung“ (im Fol-genden „Trockenbecken“; Kap. 6, [6]) eruiert und für einen Leitfaden aufbereitet werden.

Wenn in einem Gebiet verschiedene Hochwasserschutzmaßnahmen zur Diskussion stehen, kann im Rahmen von Nutzen-Kosten-Untersuchungen eine optimale Variante identifi ziert wer-den. Allerdings werden dabei ökologische und soziale Auswirkungen, die nicht monetarisiert wurden bzw. werden konnten, oft vernachlässigt. Um hier Abhilfe zu schaffen, wurde im Pro-jekt REISE (Kap. 6, [27]) ein mathematisch defi niertes Entscheidungshilfesystem aufgebaut, in dem verschiedene ökonomische, ökologische und auch psychosoziale Kriterien zusammenge-führt werden können, um verschiedene Schutzmaßnahmen zu priorisieren. Dieses System wird in Kap. 2.3.5 dargestellt.

Weiterhin wurden in RIMAX nicht nur Hochwasser in Folge von Flussüberschwemmungen untersucht, sondern auch Sturzfl uten im Projekt URBAS (Kap. 6, [35]) oder Schäden durch ansteigendes Grundwasser im Projekt MULTISURE (Kap. 6, [21]). Die Besonderheiten die-ser Ereignistypen und die Konsequenzen für die Schadensabschätzung werden im Kap. 2.3.6 aufgezeigt. Bevor die genannten Aspekte vertieft werden, werden im folgenden Kapitel einige Grundlagen zur Schadensabschätzung erläutert.

2.3.1 Methoden zur Analyse und Prognose von Hochwasserschäden

Die Abschätzung von Hochwasserschäden umfasst in der Regel eine Analyse der Exposition sowie eine Analyse der Anfälligkeit der exponierten Objekte. Auf Basis eines oder mehrerer Gefährdungsszenarien wird untersucht, welche Objekte potentiell von Hochwasser betroffen sein könnten. Exponierte Objekte – auch Risikoelemente genannt – können dabei Personen, Gebäude, besondere Einrichtungen, aber auch natürliche Lebensgrundlagen sein. Bei der Ab-schätzung direkter Schäden erfolgt die Ermittlung der Exposition in der Regel durch einfache Verschneidung des Überschwemmungsszenarios mit einer Landnutzungskarte in einem Geo-Informationssystem (GIS) (Abb. 2.14).

Bei indirekten und intangiblen Schäden sind in der Regel aufwändigere Mo dellierungen not-wendig, um die Betroffenheit von Risikoelementen zu ermitteln, z. B. eine Stofftransportmodel-lierung, Netzwerkanalyse oder Input-Output-Modellierung. Die roten Pfeile in Abb. 2.15 zeigen beispielhaft mögliche Transportpfade von Schadstoffen, die in einen Hochwasserrückhalteraum eingetragen wurden und letztlich weiter bis zu einer Grundwasserentnahmestelle transportiert werden und als Bestandteil durch das Trinkwasser in die Nahrungskette gelangen könnten.Um das Ausmaß von Hochwasserschäden zu quantifi zieren, ist zudem eine Ana lyse der Anfäl-ligkeit der betroffenen Elemente notwendig. Der Schaden hängt zum einen von der Intensität der Hochwassereinwirkung ab, z. B. von der Ausdehnung der überfl uteten Fläche, der Einstauhöhe oder Einstaudauer an einem Objekt oder von der Fließgeschwindigkeit und dem mitgeführten Material. Je stärker diese Variablen ausgeprägt sind, desto höher ist in der Regel der resultierende Schaden. Durch hochwasserangepasste Bauweisen oder durch Redundanzen in Verkehrs-, Ver-sorgungs- und Betriebsnetzen können Schäden vermieden oder zumindest reduziert werden. Je besser solche vorsorgenden Maßnahmen (auch: Widerstandsvariablen) an einem Risikoelement ausgebildet sind, desto kleiner fällt der Schaden aus.

Die Fähigkeit eines ganzen Systems, d. h. einer Kommune, eines Verkehrsnetzes oder einer betrieblichen Wertschöpfungskette, sich schnell von einer Störung zu erholen, nennt man Res-ilienz. Sie kann durch eine gute Vorsorge und die Verminderung der Schadensanfälligkeit von betroffenen Objekten deutlich erhöht werden.

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64 2 Methoden zur Analyse des Hochwasserrisikos

Abb. 2.14: Elemente der Hochwasserschadensabschätzung (verändert nach Thieken et al. 2010b)

Abb. 2.15: Stofftransportpfad von einem Fluss zu einer Grundwasserentnahmestelle über einen Retentions-raum für Hochwasser (Kühlers et al. 2009) (Farbabbildung siehe Farbabbildungsteil 1)

Schadensanfälligkeitsfunktionen, z. B. Wasserstand-Schadensfunktionen, sind im Prinzip mit Dosis-Wirkungsbeziehungen aus der Toxikologie vergleichbar. Diese können – insbesondere für die Abschätzung direkter Schäden – entweder auf Basis empirischer Daten von vergangenen Hochwasserereignissen oder mit Hilfe synthetischer Überlegungen („Was wäre, wenn ein Was-serstand von x cm einträte?“) abgeleitet werden. In RIMAX kamen beide Herangehensweisen zum Einsatz. Während im Projekt MEDIS (Kap. 6, [19]) neue Schadensmodelle auf Basis em-pirischer Daten abgeleitet wurden, die neben dem Wasserstand weitere Faktoren einbezogen (empirisch-analytischer Ansatz), wurden im Projekt VERIS-Elbe (Kap. 6, [36]) gebäudereprä-sentative Wasserstand-Schadensbeziehungen synthetisch abgeleitet (siehe Kap. 2.3.2).

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3 Umsetzungen des Kreislaufs des Hochwasser-risikomanagements

Hochwasservorhersage und -warnung sind ein wesentlicher Bestandteil des Hochwasserrisi-komanagements. Insbesondere im Bereich der Methodik (Wie bilde ich die Wirkungskette ab?) und der Genauigkeit (Welche Aussagen kann ich von einer Hochwasservorhersage erwarten?) wurden vielfältige Untersuchungen in den RIMAX-Projekten vorgenommen. Eine zentrale Fra-gestellung betrifft dabei die Quantifi zierung von und den Umgang mit Unsicherheiten, die bei der Hochwasservorhersage auch der breiten Öffentlichkeit offenbar werden. „Der Scheitel der Hochwasserwelle an der Oder wird jetzt doch für Mittwochabend erwartet und nicht erst am Freitag, wie zunächst angenommen“[Berichterstattung zum Oderhochwasser Mai/Juni 2010]. Im nachfolgenden Kap. 3.1 wird ein Überblick zur Hochwasservorhersage und eine Zusammen-fassung der wichtigsten RIMAX-Ergebnisse dazu gegeben, in Kap. 3.2 wird dann gezielt das Thema Unsicherheiten vertieft.

3.1 Hochwasservorhersage und -warnung – Überblick

Hochwasserwarn- und -meldedienste sind wesentliche Bestandteile der Informationsvorsorge im Kreislauf des Hochwasserrisikomanagements. Sie versorgen die zuständigen Behörden und Kommunen sowie die potentiell Betroffenen und die interessierte Öffentlichkeit mit umfassen-den Informationen vor sowie im akuten Hochwasserfall. Neben der Aus- und Bewertung von Messdaten (insbesondere Niederschlag und Wasserstand) bilden heutzutage Hochwasservorher-sagen eine wesentliche Komponente entsprechender Warnsysteme. Im Unterschied zu Hoch-wasserprognosen berücksichtigen Vorhersagen stets die aktuelle Situation im Gewässer bzw. Einzugsgebiet und die Abfl üsse sowie Wasserstände werden unter Angabe ihrer Eintrittszeit-punkte bzw. der kontinuierlichen, zeitlichen Verläufe vorausberechnet (DWA 2009). Ziel der Hochwasserwarnung ist es, die Zeitspanne zwischen dem Anlaufen eines Hochwassers und dem Eintritt kritischer Hochwasserstände für eine ereignisspezifi sche Schadensvorbeugung bzw. Schadensminderung zu nutzen. In Ergänzung hydrologischer und hydrometeorologischer Beob-achtungsdaten helfen Vorhersagen, die Sicht und damit die zur Verfügung stehende Reaktions-zeit auf ein bevorstehendes Hochwasser zu verlängern. Operationelle Hochwasservorhersagen tragen somit zur rechtzeitigen Einleitung bzw. zum optimierten Einsatz technischer Hochwas-serschutzmaßnahmen (Betrieb gesteuerter Hochwasserrückhaltungen, Aufbau mobiler Schutz-systeme etc.) sowie zur Verhaltensvorsorge im konkreten Ereignisfall (z. B. Räumung hochwas-sergefährdeter Bereiche) bei. Wie bedeutsam der Nutzen einer verlässlichen und rechtzeitigen Vorhersage zur Minderung rein monetärer Hochwasserschäden ausfallen kann, veranschaulicht Prellberg (2006) am Beispiel des Mittelrheins, wo sich die hochwasserinduzierten Schäden bei entsprechender Vorwarnung in Abhängigkeit der Hochwasserjährlichkeit um bis zu ein Drittel reduzieren lassen. In kleinen Einzugsgebieten, in denen die Zeit zwischen dem hochwasseraus-lösenden Niederschlagsereignis und dem Eintritt der Hochwasserwelle im Bereich von Minuten bis wenigen Stunden liegen kann, bilden Vorhersagen mitunter die einzige Möglichkeit, eine effektiv nutzbare Reaktionszeit für entsprechende Abwehr- und Schutzstrategien zu erzielen. Je länger der verlässliche Vorhersagezeitraum, d. h. die Dauer der vorausberechneten Abfl üsse und Wasserstände, desto effektiver trägt grundsätzlich die Hochwasservorhersage zu einer Verbes-

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90 3 Umsetzungen des Kreislaufs des Hochwasser risikomanagements

serung der darauf aufbauenden Hochwasserwarnungen sowie Entscheidungsprozesse bei (Patt 2001). Hochwasserwarn- und Vorhersagedienste bilden heutzutage einen festen Bestandteil der als Reaktion auf die schadensträchtigen Hochwasser der vergangenen Jahrzehnte an Rhein, Elbe, Donau und Oder für sämtliche mitteleuropäischen Flussgebiete erarbeiteten Hochwasseraktions-pläne (IKSR 1998, IKSE 2003, IKSD 2004, IKSO 2004).

3.1.1 Bausteine operationeller Hochwasservorhersagesysteme

Die operationelle Erstellung von Hochwasservorhersagen erfolgt heutzutage unter Nutzung nu-merischer Modelle oder Modellketten, die durch hydrologische sowie hydrometeorologische Echtzeit-Beobachtungsdaten und zunehmend auch meteorologischen Vorhersagen angetrieben werden. Häufi g wird der operationelle Charakter des Vorhersageprozesses auch in wissenschaft-lichen Betrachtungen unterschätzt bzw. vernachlässigt und primär auf die verschiedenen Model-le bzw. Modellbausteine fokussiert. Hydrologische, hydraulische und in einigen Fällen weiterhin statistische Modelle zur Ermittlung der zukünftigen Abfl üsse und Wasserstände bilden jedoch nur einen Baustein operationeller Vorhersagesysteme. Weitere essentielle Komponenten stellen

Abb. 3.1: Schematische Übersicht der Eingangsdaten, Modellverfahren und Unsicherheiten einer Hochwas-servorhersage (Holle 2006)

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3.2 Hochwasservorhersage und -warnung – Umgang mit Unsicherheiten 107

können verschiedene Überschreitungswahrscheinlichkeiten aus den berechneten Ensembles vor-hergesagter Abfl üsse ausgewählt werden. Das Kollektiv der Abfl üsse berechnet sich aus dem Niederschlagsensemble oder aus einem kombinierten Ensemble von Niederschlag, Modellpara-metervariationen und möglichen Bodeneigenschaften (Grundmann 2008).

Neben den benutzerfreundlichen Zoom- und Pan-Funktionen können verschiedene geogra-phische Zusatzinformationen (Städtenamen, Pegel, Luftbilder) abgerufen werden. Für die Hoch-wasservorhersage steht ein Prototyp für die instationäre Wellenausbreitung am Oberen Main dem bayerischen Landesamt für Umwelt (Außenstelle Hof) zur Verfügung.

3.1.6 Hauptergebnisse

Im Bereich der (operationellen) Hochwasservorhersage sind in den hier vorgestellten RIMAX-Projekten bedeutende Fortschritte erzielt worden. Die wesentlichen Ergebnisse können folgen-dermaßen zusammengefasst werden:

• Entwicklung neuer (geostatistischer) Interpolationsverfahren zur besseren Bestimmung des Gebietsniederschlages unter Verwendung von Stationsdaten und Radarmessungen,

• Verwendung von Ensembletechniken für die Niederschlagsvorhersage und Methodenent-wicklung zur Wichtung unterschiedlicher Datenquellen,

• Unsicherheitsbestimmung der Niederschlagsvorhersage, • Angaben zur Unsicherheit der Hochwasserwirkungskette Niederschlag – Niederschlag-Ab-

fl uss-Modell – hydraulisches Modell – Überschwemmungsfl ächen,• Entwicklung schneller, datengetriebener und lernfähiger Algorithmen für die Niederschlag-

Abfl uss-Modellierung,• Entwicklung eines Hochwassermanagementsystems zur online gestützten Darstellung von

Überschwemmungsfl ächen mittels Web-GIS-Techniken.

Für die Praxis wird insbesondere die verbesserte Angabe von Unsicherheiten in der Hochwas-servorhersage von herausragender Bedeutung sein, weil dadurch Management- und Vorsorgeent-scheidungen auf eine rationale Grundlage gestellt werden können. Außerdem werden Web-GIS Module im operationellen Betrieb immer selbstverständlicher eingesetzt werden, vor allem zur raum-zeitlichen Darstellung der aktuellen Hochwassergefahr. Nach wie vor bestehen die größten Unsicherheiten bei der Vorhersage der Niederschläge.

3.2 Hochwasservorhersage und -warnung – Umgang mit Unsicherheiten

3.2.1 Quellen von Unsicherheiten und deren Berücksichtigung bei der Modellierung

3.2.1.1 Einführung

Jeder Schritt bei der Simulation und Vorhersage von Hochwasserereignissen ist notwendiger-weise mit Unsicherheiten behaftet. Dies betrifft die Modellbildung zur Beschreibung einzelner Prozesse, die Bestimmung der Modellparameter sowie die Messung, Regionalisierung und Vor-hersage hydrometeorologischer Größen, welche als Anfangs- und Randbedingungen das Mo-dell initialisieren bzw. antreiben. Zusätzliche Unsicherheiten entstehen bei der Kopplung unter-schiedlicher Modelle durch die Inkompatibilität der abgebildeten raumzeitlichen Skalen.

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108 3 Umsetzungen des Kreislaufs des Hochwasser risikomanagements

Unsicherheiten können teilweise reduziert, aber niemals vollständig eliminiert werden. Da-her ist es wichtig, sich der Existenz dieser Unsicherheiten bewusst zu sein, und deren Größen-ordnung zu kennen. Sind diese Voraussetzungen gegeben, kann – besser soll – bei der Bewertung der Simulations- und Vorhersageergebnisse deren Unsicherheit mit in die Entscheidungen ein-fl ießen, welche auf Basis dieser Ergebnisse getroffen werden müssen. Dies ist insbesondere bei der Simulation oder Vorhersage extremer, sehr seltener Ereignisse wichtig, da die Unsicherheiten hier häufi g besonders groß ausfallen und die erwartbaren Folgen solcher Ereignisse besonders gravierend sind.

Da insbesondere hydrologische Modelle die Prozesse des Wasserkreislaufs in generalisierter, stark vereinfachter Weise abbilden und stets eine pragmatische Abgrenzung von benachbarten Systemen erfolgt, sind Modellergebnisse zwangsläufi g mit Fehlern behaftet (Bronstert 2004, An-dréassian et al. 2009). Die Größe und Systematik der Modellfehler lässt sich anhand eines Ver-gleichs von berechneten und beobachteten Größen analysieren. Hydrologische Modelle werden häufi g genutzt, um wahrscheinliche Systemzustände in der Zukunft zu simulieren, etwa im Rah-men der operationellen Hochwasservorhersage. Ebenso werden mit Hilfe der Modelle mögliche Systemzustände bei bestimmten, ggf. veränderten Randbedingungen oder Parametern analysiert (Szenariosimulationen). Selbstverständlich kommt der Modellfehler auch bei Vorhersagen und Szenariosimulationen zum Tragen, er kann jedoch, da es sich um unbeobachtete (zukünftige und/oder hypothetische) Systemzustände handelt, a priori nicht exakt bestimmt werden. Daher hat sich für diese Art des Fehlers der Begriff „Unsicherheit“ etabliert. Ein wichtiges Ziel der hydro-logischen Forschung ist es, die Unsicherheit von Modellsimulationen zu reduzieren, zumindest aber zu quantifi zieren. Dies trifft in gleicher Weise auf alle Komponenten eines typischen Hoch-wasservorhersagesystems (Abb. 3.10), bestehend aus Wettervorhersagemodell, Niederschlags-Abfl uss-Modell und ggf. Wellenablaufmodell, zu. Da eine vollständige Beseitigung sämtlicher Unsicherheiten theoretisch und praktisch unmöglich ist, kommt dem Aspekt der Quantifi zierung besondere Bedeutung zu. Denn aus Informationen mit bekannter Unsicherheit lassen sich sehr wohl zielführende, auf die Risikominimierung ausgerichtete Handlungen abgeleiten.

In diesem Kapitel werden einige wesentliche Ursachen von Unsicherheiten näher erläutert und es wird aufgezeigt, welche Strategien in ausgewählten RIMAX-Projekten verfolgt wurden, um Unsicherheiten in der Simulation von Hochwasserereignissen zu quantifi zieren bzw. zu ver-mindern. Anschließend wird in den Kap. 3.2.2 und 3.2.3 vertieft auf die Unsicherheit zweier besonders bedeutender Rand- bzw. Anfangsbedingungen eingegangen, nämlich auf die Nieder-schlagsschätzung (mit Fokus auf kleinen Einzugsgebieten) sowie die Ermittlung der Boden-feuchte auf unterschiedlichen Skalen.

3.2.1.2 Modellparameter

Praktisch alle im Rahmen der Hochwassersimulation verwendeten Modelle beinhalten eine Viel-zahl von Parametern, welche aufgrund der räumlichen Variabilität und/oder mangels physikali-scher Interpretierbarkeit nicht durch direkte Messung bestimmt werden können. So wird z. B. in zahlreichen Niederschlags-Abfl uss-Modellen der Wasserrückhalt (u. a. im Boden) mit Hilfe virtueller Speicher abgebildet, deren Kapazität und Auslaufcharakteristik durch Konstanten be-stimmt wird. Diese Größen müssen durch Kalibrierung ermittelt werden, wobei versucht wird, die Abweichung zwischen Simulations- und Messwerten zu minimieren.

Flächendifferenzierte hydrologische Modelle simulieren zahlreiche Zustandsgrößen und Pro-zessraten für eine große Zahl räumlicher Elemente (Teileinzugsgebiete, Rasterzellen, Gewässer-querschnitte, etc.). Messwerte, mit denen die Simulationsergebnisse verglichen werden können, stehen jedoch nur für wenige Größen und ausgewählte Orte zur Verfügung, meist in Form von Abfl ussganglinien für wenige Pegel und Jahre. Der Informationsgehalt der für die Kalibrierung nutzbaren Messdaten ist – vor dem Hintergrund der Komplexität des Modells – meist gering.

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3.2 Hochwasservorhersage und -warnung – Umgang mit Unsicherheiten 109

In der Folge wird häufi g beobachtet, dass sich die Werte der Parameter nicht eindeutig bestim-men lassen, da der Modellfehler (als Maß für die Plausibilität des Modells) für unterschiedliche Parameterkombinationen vergleichbare Werte annimmt (Beven 1993). Eine mögliche Strategie ist, Modelle, deren Parameter nicht eindeutig bestimmt werden können, für untauglich zu erklä-ren und eine Revision der Modellstruktur vorzunehmen. Eine andere Möglichkeit besteht darin, all jene Parameterkombinationen zu akzeptieren, bei deren Verwendung der Modellfehler einen festgelegten Toleranzbereich nicht überschreitet. Eine dritte, noch weit verbreitete Strategie ist, das Problem zu ignorieren, ein einziges Set aus der Gruppe der „optimalen“ Parametersets aus-zuwählen und jenes fortan zu verwenden. Inzwischen existieren jedoch eine Reihe von Metho-den, welche darauf abzielen, die Parameterunsicherheit in den Modellergebnissen explizit abzu-bilden. Diese wurden u. a. im RIMAX-Projekt HORIX (Kap. 6, [11]) hinsichtlich ihrer Eignung für die Hochwassersimulation untersucht und bewertet (Box 3.1).

3.2.1.3 Modellstruktur

Im Zusammenhang mit der Simulation und Vorhersage von Hochwasser werden sowohl physi-kalisch begründete Modelle (z. B. Wettervorhersagemodelle, hydrodynamische Modelle), kon-zeptionelle Modelle (z. B. Linearspeicher-Modelle zur Beschreibung der Abfl usskonzentration) sowie empirische Modelle (von Wasserstands-Durchfl uss-Beziehungen bis hin zu Künstlichen Neuronalen Netzen) als auch Mischformen eingesetzt. In physikalisch basierten Modellen ent-sprechen die simulierten Zustandsvariablen messbaren Größen des realen Systems (Wasserstand, Schneehöhe, etc.). Die auf die Zustandsvariablen wirkenden Prozesse werden durch (partielle) Differentialgleichungen beschrieben, welche auf den Prinzipien der Massen- und Energie- bzw. Impulserhaltung fußen. Die in den Gleichungen auftretenden Parameter sind weitgehend phy-sikalisch interpretierbar und, im günstigen Fall, aus Messungen ableitbar. Dagegen haben die Zustandsvariablen konzeptioneller Modelle häufi g keine direkte Entsprechung in der Natur. Die zeitlichen Änderungsraten werden teils durch physikalisch fundierte, teils durch empirische Gleichungen beschrieben, wobei das Prinzip der Massenerhaltung (Wasserbilanz) jedoch wei-terhin berücksichtigt wird. Rein empirische Modelle verzichten gänzlich auf eine Abbildung von Kausalitäten und enthalten folglich weder Zustandsvariablen noch Prozesse. Die Zusammen-hänge zwischen vorhergesagten und antreibenden Größen werden allein aus den verfügbaren Beobachtungen abgeleitet.

Die Simulation oder Vorhersage extremer Ereignisse stellt im Allgemeinen ein Extrapolati-onsproblem dar, d. h. die Modelle werden mit Randbedingungen und/oder Anfangsbedingungen konfrontiert, die im Set bisheriger Beobachtungen sehr selten bzw. gar nicht auftraten. Die An-wendbarkeit eines streng physikalisch basierten Modells leidet hierunter nicht, sofern alle po-tentiell relevanten Prozesse abgebildet werden. Dagegen verlieren die allein auf Beobachtungen und Datenanalysen fußenden empirischen Modelle ihre Gültigkeit. Werden empirische Modelle dennoch zur Extrapolation genutzt, ist mit fehlerhaften wenn nicht gar physikalisch unplausiblen Resultaten zu rechnen. Strategien, welche es erlauben, die Vorzüge empirischer Modelle den-noch für die Berechnung von Extremereignissen zu nutzen, wurden in den RIMAX-Projekten Neuronale Netze (Kap. 6, [22]) sowie im HORIX-Projekt (Kap. 6, [11]) entwickelt.

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110 3 Umsetzungen des Kreislaufs des Hochwasser risikomanagements

Box 3.1: Unsicherheit von Parametern

Im Projekt HORIX wurden mit Hilfe des hydrologischen Modells WaSiM-ETH (Schulla 1997, Schulla & Jasper 2007) Hochwassersimulationen für verschiedene Flussgebiete des Erzgebirges durchgeführt. Dabei wurden drei verschieden Methoden zur Quantifi zierung der Parameterunsicher-heit angewendet. Die GLUE-Methode (Beven & Binley 1992), eine Methode, die aus der Spannweite der Ergebnisse aus Simulationen mit pareto-optimalen Parametersets Unsicherheiten ermittelt und die Methode der Bayes’schen Inferenz (Grundmann & Schmitz 2008).

Die im HORIX-Projekt erzielten Resultate bestätigen die Empfehlungen anderer Forschergrup-pen (Todini 2007). Danach ist die Methode der Bayes’sche Inferenz aufgrund ihrer Universalität, Objektivität und der möglichen Separation von Unsicherheitsquellen am ehesten geeignet, um die Unsicherheit von konzeptionellen Modellparametern und darauf basierenden Simulationsergebnis-sen zu bestimmen. Die Bayes’sche Inferenz fußt auf der Erkenntnis, dass die exakte Bestimmung eines einzigen optimalen Parametersets angesichts der begrenzten Menge und Qualität der Beob-achtungsdaten wenig sinnvoll ist. Folglich zielt die Bayes’sche Modellkalibrierung unmittelbar auf die Ermittlung einer Parameterverteilung (sog. „posterior“) ab, wobei sowohl der Informationsgehalt der Beobachtungsdaten als auch vorhandenes Vorwissen bzgl. der Parameterverteilung (sog. „prior“) ausgeschöpft werden. Ein wesentlicher Vorteil des Bayes’schen Ansatzes ist, dass die Parameterunsi-cherheit von Unsicherheiten aus Struktur und Eingangsdaten separiert werden kann.

Die nachfolgende Abbildung zeigt ein Anwendungsbeispiel, wobei ein Teil der Beobachtungen außerhalb des Unsicherheitsbandes liegt, welches die Parameterunsicherheit repräsentiert. Die Ab-weichungen zwischen Simulation und Beobachtung lassen sich in diesem Fall also nicht auf Parame-terunsicherheiten allein zurückführen.

Unsicherheit der Simulationsergebnisse für drei Hochwasserereignisse am Pegel Zöblitz (Schwar-ze Pockau, Erzgebirge). Jene drei Ereignisse wurden auch für die Parameterschätzung herangezo-gen. Das dunklere Unsicherheitsband zeigt, mit welcher Genauigkeit der Abfl uss angegeben werden kann, wenn die mittels Bayes’scher Inferenz bestimmte Parameterunsicherheit berücksichtigt wird. Das hellgraue Band stellt die mittels eines statistischen Fehlermodells geschätzte Gesamtunsicher-heit dar (jeweils 90%-Vertrauensbereiche). Quelle: Grundmann (2009).

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3.3 Risikobasierte Bemessungs-, Bewirtschaftungs- und Steuerungsstrategien 129

mit fundierter Kenntnis des natürlichen Systems einerseits und Verständnis für die Schwach-punkte von Modellen und Messsystemen andererseits ist deshalb, gerade im operationellen Be-trieb, unverzichtbar.

3.3 Risikobasierte Bemessungs-, Bewirtschaftungs- und Steuerungsstrategien für Anlagen des technischen Hochwasserschutzes

Auch bei der Bemessung von Anlagen des technischen Hochwasserschutzes spielt der Umgang mit Unsicherheiten und Extremen eine bedeutende Rolle. Hier muss der Weg von der Quantifi -zierung von Risiken zur Entscheidung vor Ort gegangen werden. Viele RIMAX-Projekte haben sich diesem Thema gewidmet. Nachfolgend werden Strategien zur Steuerung, Bemessung und Bewirtschaftung von Anlagen des technischen Hochwasserschutzes vorgelegt (Kap. 3.3). An-schließend wird in Kapitel 3.4 das wesentliche Element des technischen Hochwasserschutzes in Deutschland – die Deiche – behandelt. Die RIMAX-Projekte beschäftigen sich insbesondere mit der Anwendung neuer Technologien zur Deicherkundung und Deichsicherheitsbeurteilung. In-tensiv diskutiert wurde in den letzten Jahren immer wieder das Thema des dezentralen Rückhalts und die Bedeutung dezentraler Maßnahmen im Kontext der Hochwasserminderung (Kap. 3.5). Obwohl dieses Thema im Rahmen der RIMAX-Förderung einen eher geringen Anteil ausmachte, haben wir diese Betrachtungen als Teil des Kreislaufes des Hochwasserrisikomanagements in das Buch aufgenommen, um seine Möglichkeiten und Grenzen auf Basis der neusten Forschungs-ergebnisse aufzeigen.

Das Hochwasser im Einzugsgebiet der Elbe vom August 2002 aber auch andere Hochwasserer-eignisse haben gezeigt, dass die Schutzwirkung von Einrichtungen des technischen Hochwasser-schutzes begrenzt ist. Dies ergibt sich aus der Bemessung für ein bestimmtes Ereignis mit dem daraus folgenden Schutzgrad und aus dem mit sehr geringen Wahrscheinlichkeiten belegbaren möglichen Versagen von Anlagen des technischen Hochwasserschutzes. Gleichzeitig wurde in den vergangenen Jahren von verschiedener Seite die Frage gestellt, welche Steuerstrategien für Rückhalteräume am wirksamsten sind, um Personen- und Sachschäden im potentiellen Über-schwemmungsgebiet zu vermeiden oder zu reduzieren. Die in diesem Kapitel behandelten The-men stellen hierzu einen Bezug her und geben Hinweise, die über die bisherigen allgemein anerkannten Regeln der Technik hinausgehen.

3.3.1 Überblick zu risikobasierten Methoden

In Fachkreisen besteht seit langem die Erkenntnis, dass ein vollkommener Schutz gegenüber Naturereignissen wie Hochwasser nicht möglich ist. Es ist zu hoffen, dass sich durch die nati-onal und international aufgetretenen extremen Hochwasserereignisse der letzten 15 Jahre und durch die konsequente Überzeugungsarbeit der mit der Hochwasservorsorge befassten Fachleute mehr und mehr auch im öffentlichen Bewusstsein diese Erkenntnis verbreitet. Dies schließt die Akzeptanz der Tatsache ein, dass bei allen technischen Bauwerken, Vorgängen und Prozessen, insbesondere wenn sie wie bei Hochwasser oder Erdbeben auf natürlichen Einwirkungen be-ruhen, Restrisiken verbleiben. Ihre Eintrittswahrscheinlichkeit P ist in der Regel gering. Bei großen Schadenspotenzialen S, die im Versagensfall aktiviert werden, können die Risiken RI = P*S dennoch beträchtlich sein (Kap. 2.4).

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130 3 Umsetzungen des Kreislaufs des Hochwasser risikomanagements

Um im Sinne des Risikomanagements mit diesen Risiken umzugehen, bedarf es zunächst einer Identifi kation möglicher Schadens- oder Versagensfälle, um dann eine Analyse von de-ren Eintrittswahrscheinlichkeit und die möglichen Konsequenzen (z. B. Schadensfunktionen für Sach- oder Personenschäden, Kap. 2.3) durchzuführen.

Wenn die Restrisiken ermittelt sind, stellt sich die Frage, wie mit diesen umgegangen wird und welche Schutzziele zu formulieren sind. Bei geringen Risiken ist häufi g eine Akzeptanz derselben ohne besonderen Schutz möglich. Bei größeren Risiken wird ein Schutz (z. B. Hoch-wasserschutzanlage) bis zu einem bestimmten Schutzziel vorzusehen sein. Auch eine veränderte Betriebsweise (z. B. Steuerung von Stauanlagen oder Poldern) kann zur Risikoverminderung beitragen. Darüber hinaus bleibt die Möglichkeit, sich durch entsprechende Notfallpläne auf Ex-tremereignisse vorzubereiten. Um die Auswahl einer optimalen Strategie vornehmen zu können, werden Zielfunktionen (z. B. Kostenminimum der Hochwasservorsorgemaßnahmen und Schä-den) formuliert und die günstigste Lösung teilweise mit (Mehrziel-)Optimierungsrechnungen ausgewählt (Box 3.5).

Box 3.5: Mehrzieloptimierung

Größen gleicher MaßeinheitenKriterium der Nutzensumme: addierbare Nutzengrößen

Aus der Addition der verschiedenen Zielgrößen (z. B. Bau- und Betriebskosten) ergibt sich die optimale Lösung als Minimum der Gesamtkosten.

Größen unterschiedlicher MaßeinheitenBei der Suche nach optimalen Lösungen sind häufi g Ziel-größen zu betrachten, die in unterschiedlichen (nicht ad-dierbaren) Maßeinheiten vorliegen. Dann bietet sich der Einsatz der Pareto-Optimierung an.

Kriterium der Nutzensumme: nicht addierbare Bewer-tungen

Pareto-Optimum (Vilfredo Pareto, 1848–1923, Öko-nom und Soziologe): ein Zustand, in dem es nicht möglich ist, ein Individuum besser zu stellen, ohne zugleich ein an-deres Individuum schlechter zu stellen.

Im dargestellten Beispiel mit den beiden Zielkriterien Sicherheit der Trinkwasserversorgung und Verhinderung von Hochwasserschäden stellen alle Punkte an der Pareto-Front Verbesserungen im Lösungsraum dar.

BaukostenBetriebskosten

Ges

amtk

oste

n Optimum

Lösungsraum

Paretofront

Verbesserung

verhinderter HW-Schaden

Trin

kwas

serv

erso

rgun

gssi

cher

heit

Um die entsprechenden Anforderungen im Hinblick auf risikobasierte Steuerungs-, Bemes-sungs- und Bewirtschaftungsstrategien erfüllen zu können, sind verschiedene Verfahren und Werkzeuge entwickelt und einzeln oder in Kombinationen im Rahmen der verschiedenen RI-MAX-Projekte angewendet worden. Stärker als bisher spielten dabei ganzheitliche, einzugsge-bietsbezogene Ansätze eine Rolle, die mehrere Elemente des Risikomanagements vereinen. Ein Beispiel hierfür ist das RIMAX-Projekt REISE (Kap. 6, [27]), in welchem die Entwicklung ei-nes Entscheidungshilfesystems mit Bewertung ökonomischer, ökologischer und psychosozialer Folgen von Extremereignissen im Mittelpunkt stand. Mit einer in sich geschlossenen Methodik

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247

7 Stichwortverzeichnis

Altunterlagen 15, 16, 19, 27Anfangsbedingung 39, 42, 43, 108, 109, 112, 113,

136, 156Anfangswertproblem 42, 112, Ausfalleffektanalyse 83Bauvorsorge 6, 11, 69, 195, 196Bemessungshochwasser 41, 51, 141, 191, Bemessungshochwasserstand 142, 145, 156Bemessungsniederschlag 37, 38Bewusstseinsbildung 190Bodenfeuchte 123, 124Bürgerinformation 198Datenbank 49, 66, 69, 71, 77, 79, 80, 106, Deicherkundung 141, 149, 150, 151, 152Deichinformationssystem 159, 160Deichlinien 183, 184, 187, 192Deichmonitoring 141, 152, 153Deichquerschnitt 143, 145Deichsicherheit 142, 155, 156Deichverteidigung 147Denkschriften 17Dezentrale Maßnahmen 160, 161Downscaling 21, 40, 41, 45, 47, 51, 101, 104, 115Dränelemente 158, 159Dry-Proofi ng 192Durchfeuchten 147, 156, 158Eintrittswahrscheinlichkeit 1, 2, 9, 15, 25, 52, 83,

84, 113, 129, 131, 135, 199Ensemblevorhersage 92, 100, 101, 102, 112, 113,

116, 138Entscheidungsunterstützungssystem 76, 77, 82Evakuierungsmodell 193Extremniederschlag 39, 42, 105, 120Extremwertverteilung 33, 45Flussgebietsmodell 38Flusskarten 19Flutbox 190Flutkammersystem 183, 184Flutsäulen 190Fotografi en 16, 18, 19, 159Fuzzy-Regeln 41, 104, 105Gebäudeschäden 67, 78, 82Gebietsniederschlag 25, 39, 100, 104, 117, 128Gefahr 6, 12, 199Gefährdung 2, 35, 45, 82, 135Gefahrenanalyse 83Geophysikalische Methoden 150, 151, 152, 160

Gewässerkarten 16, 18Gewässerrenaturierung 160Globaler Wandel 10Grenzwasserstand 29Grundhochwasser 50, 77, 79, 81Grundwasser 51, 77Handlungsempfehlungen LAWA 11Handschriftliche Quellen 16historische Hochwasser 23, 333, 34historische Informationen 15, 25, 31, 34Hochwasseranimationszentrum 190Hochwasserbewältigung 6, 179Hochwasserchronologien 20Hochwasserereignis 44Hochwassergefährdung 9, 10, 35, 37, 45, 51, 61,

96, 134, 163, 204Hochwassergefahrenbewusstsein 201Hochwasserinformation 15, 25, 94, 96, 97, 98,

205Hochwassermanagementsystem 107, 116, 137Hochwasserminderung 162, 176Hochwasserpartnerschaft 207, 208, 209Hochwasserrisiko 3, 4, 8, 41, 64 ,82Hochwasserrisikoanalyse 7, 84, 85Hochwasserrisikokonzept 135, 137Hochwasserrisikomanagement 3, 5, 6, 10, 11, 82,

83, 89, 191, 202, 203Hochwasserschäden 61, 63, 65, 70, 76, 81Hochwasservorhersage 89, 90, 92, 93, 95, 97, 98,

102, 103Hochwasservorsorge 3, 5, 10, 11, 35, 82, 129,

130, 131, 153, 200, 206Hochwasserwahrscheinlichkeit 25Hochwasserwarndienst 89Hochwasserwarnung 89, 101Hochwasserrisikomanagementrichtlinie 12, 34,

82, 201hydraulischer Grundbruch 147indirekte Schäden 61, 72instationäre Effekte 8Instationarität 7, 9, 37intangible Schäden 74, 86Katastrophenmanagement 61, 153, 179, 181, 185,

192Katastrophenschutz 73, 179, 180, 187, 193, 205kleine Einzugsgebiete 96, 100, 101, 117Kreislauf 5, 6, 89, 202

RIMAX-Buch.indb 247 01.03.11 08:20

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248 Stichwortverzeichnis

Makroskala 36, 65Mehrzieloptimierung 130, 139Mehrzweckspeicher 137, 138Mesoskala 36, 65Meteorologische Daten 91, 92Mikroskala 36, 65Mobile Hochwasserschutzanlagen 187Modellensembles 111, 116Modellfehler 109Modellkette 90Modellkopplung 115, 183Modellparameter 97, 101, 107, 108, 110, 115, 121Modellstruktur 109, 111Multikriterielle Bewertung 76multivariate Statistik 44N-A-Modell 35, 38, 41, 42, 43, 45, 104, 105N-A-Modellierung 42, 43Neuronale Netze 102Niederschlag 37, 40, 42, 105Niederschlagsereignis 38Niederschlagserfassung 117Niederschlagsschätzung 117, 121, 122Niederschlagsschreiber 99, 117Niederschlagssummen 24Niederschlagsvorhersage 92, 98, 100, 102, 104,

105, 107, 114, 118, 137, 138, 180Partizipation 200, 202, 206Pegel Dresden 27, 28, 31, 34, 51Porenwasserdruck 154, 156Radar 99, 118, 119, 120, 122, 185, 186Randbedingung 114, 128Retentionspotential 173, 174Retentionsraum 74Retentionsvermögen 164, 173, 174, 175Risikoanalyse 4, 9, 42, 49, 52, 64, 80, 83, 84, 85,

86, 200, 201Risikobewertung 52, 76, 85, 86, 139, 201Risikobewusstsein 190, 191, 202, 203, 205Risikoermittlung 9, 82Risikokarten 7, 61, 64Risikokommunikation 198, 199, 200, 202, 204Risikokurve 47, 85Risikotyp 1, 25Risikoumgang 201Risikowahrnehmung 86Rückhaltebecken 75Satellitendaten 99Schäden 61, 63, 66, 68, 69Schadensdatenbank 71, 81Schadensereignis 83Schadensfunktion 66Schadensminderung 178Schadensmodell 68

Schadensmodellierung 62, 65Schadensreduzierung 195, 197Schadensszenario 83, 84Schadensverteilung 47Schadstoffe 74, 75, 76, 135Schutzanlagen 187Schutzklassen 148Standsicherheit 155Starkregen 78, 80Steuerung 41, 43, 49 ,75 96, 113, 129, 130, 134,

138, 179, 183, Strömungsmodell 180, 181, 182, 195Sturzfl ut 49, 77, 78, 80TDR 154Trockenbecken 62, 71, 82, 134, 135, 136, 137Überfl utungskarten 185Überschwemmungsfl äche 104Überschwemmungsfl äche 46, 49, 52Überschwemmungsgebiet 6, 11, 12, 20, 36, 48,

49, 75, 129, 173, 181, 185, 186Überschwemmungskarten 106, 180Überströmen 146, 157Unsicherheit 7, 51, 90Unsicherheiten 107, 110, 113, 115, 117, 126, 127Unterströmen 157, 160Versagen 129, 131, 132, 134, 146Versagensmechanismen 131, 134, 140, 142, 146,

155, 159, 200Versagenswahrscheinlichkeit 131, 132Versicherungswirtschaft 36, 47, 61, 64, 66Versickerung 80, 161, 163, 164Vorhersagekette 93, 95Vorhersagezentrale 94Vorsorge 5, 6, 10, 77, 196Vulnerabilität 2, 3, 8, 9, 21, 52, 82, 135, 192, 193,

199, 201Wasserstand-Schadensbeziehung 64, 66, 67, 81,

195Wasserstand-Schadensfunktion 64, 65, 66, 195Web-GIS 104, 106Wellenablauf 46, 48, 94, 95, 103, 108, 132, 164Wellenablaufberechnung 103Wellenablaufmodell 94, 95, 108Wellenüberlagerung 164Wet-Proofi ng 193, 195Wettergenerator 39, 51Wetterlagen 20, 21, 22, 23, 41, 98, 104, 120W-Q-Beziehung 28, 29, 31Zeitreihen 7, 15, 25, 34, 36, 39, 41, 42, 43, 51,

114Zirkulationsmuster 21, 22, 23Zustandsklassen 148

RIMAX-Buch.indb 248 01.03.11 08:20

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Dieses Buch hilft bei der praktischen Planung und konkreten Umsetzung/Imple-mentation von Maßnahmen des Hochwasserrisikomanagements.

Eingangs machen die Autoren den Leser mit Begriffen, Zielen und Methoden des Hochwasserrisikomanagements vertraut und vermitteln einen Überblick über die gegenwärtig in Deutschland und Europa üblichen Vorgehensweisen des Hoch-wassermanagements.

Im Kapitel „Methoden der Analyse des Hochwasserrisikos“ werden verfügbare Me-thoden der Risikoermittlung vorgestellt und u.a. die Möglichkeiten der Prognose und der Verknüpfung unterschiedlicher Ansätze, die Risikoermittlung, sowie die Bewer-tung dieser Risiken (risikobasierte Entscheidungen) diskutiert.Der überwiegende Teil (Kapitel 3) des Buches ist der Umsetzung von Maßnahmen des Hochwassermanagements gewidmet (u.a. Vorhersage- und Meldedienste, nutzbare Systeme, verfügbare Datenquellen, Vorgehen beim Aussprechen von Hochwasser-warnungen, Unsicherheiten und zu berücksichtigende Randbedingungen, technischer Hochwasserschutz, Deichinventar, Deichmonitoring off- u. online, Standsicherheit). Dezentrale Maßnahmen werden erläutert, ebenso wie lokale Schutzmaßnahmen, mobile Schutzanlagen, Führung der Einsatzkräfte sowie die notwendigen Kommu-nikationsmaßnahmen und viele andere Aspekte.

Ein umfangreiches, aktuelles Literaturverzeichnis rundet den Band ab.Das Werk fasst die praktischen Ergebnisse des Forschungsprogramms „Risiko-management extremer Hochwasserereignisse (RIMAX)“ zusammen, das Ex-

tremereignisse, also seltene Hochwasser, die hohe wirtschaftliche Schäden verursachen, untersucht, um in enger Kooperation mit Praktikern Ansätze

für die Risikobewertung und Schadensminimierung zu entwickeln.Es richtet sich in erster Linie an Praktiker in Verwaltung, Ingenieurbüros

und Forschungseinrichtungen.

Schweizerbart Science PublishersJohannesstr. 3A, 70176 Stuttgart, Germany., Tel. +49 (0)711 351456-0, Fax +49 (0)711 351456-99, order@schweizerbart.de, www.schweizerbart.deE

2011. XII, 248 S., 75 teils farb. Abbildungen, 8 Tabellen, 18 Infoboxen, broschiert, 24 x 17 cm.ISBN 978-3-510-65268-6 € 39,90Bestellen Sie online: www.schweizerbart.de/9783510652686

Management von Hochwasserrisiken mit Beiträgen aus den RIMAX-Forschungsprojekten

Herausgeber: Bruno Merz, Ruth Bittner, Uwe Grünewald, Klaus Piroth

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InhaltsverzeichnisVorwort . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . VIIZusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . IX1. Einführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.1 Begriffsbestimmungen: Hochwasser, Risiko, Hochwasser-

risiko . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.2 Hochwasserrisikomanagement: Ziele und Interaktionen . . 31.3 Hochwasserrisikomanagement als Kreislauf von Hoch-

wasservorsorge und -bewältigung . . . . . . . . . . . . . 51.4 Hochwasserrisiko: Datenanforderungen, Unsicherheiten

und Instationarität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71.5 Hochwasserrisikomanagement in Zeiten des globalen

Wandels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101.6 Zum Stand des Hochwasserrisikomanagements in

Deutschland und Europa . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

2. Methoden zur Analyse des Hochwasserrisikos . . . . 152.1 Aus historischen Hochwassern lernen . . . . . . . . . . . 15

Methodische Grundlagen · Analyse und Rekonstruktion von Wetterla-gen und Hochwassern · Verbesserte Aussagen zur Hochwasserwahr-scheinlichkeit durch Verwendung historischer Beobachtungen · Haupt-ergebnisse

2.2 Analyse und Simulation der Hochwassergefährdung . . . . 35Methoden zur Analyse und Prognose der Gefährdung · Analyse und Simu-lation des Niederschlags · Ermittlung von Bemessungshochwässern · Ermittlung von Überschwemmungs� ächen · Hauptergebnisse

2.3 Analyse der Hochwasserschadwirkung . . . . . . . . . . . 52Methoden zur Analyse und Prognose von Hochwasserschäden · Erfas-sung und Modellierung direkter Schäden · Berücksichtigung indirekter Schäden · Besonderheiten intangibler Schäden · Verknüpfung verschie-dener Kriterien – Multikriterielle Bewertung · Schäden durch Sturz� uten und Grundwasser in urbanen Ballungsräumen · Hauptergebnisse

2.4 Hochwasserrisiko als Verknüpfung von Gefährdung und Schaden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82Risikoermittlung · Risikobewertung und risikobasiertes Entscheiden

3. Umsetzungen des Kreislaufs des Hochwasserrisiko managements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89

3.1 Hochwasservorhersage und -warnung – Überblick . . . . . 89Bausteine operationeller Hochwasservorhersagesysteme · Operationelle

Hochwasservorhersagesysteme an Rhein, Elbe und Donau · Hochwas-serfrühwarnung für kleine Einzugsgebiete · Unsicherheiten und Veröf-fentlichung von Hochwasservorhersagen · Hochwasservorhersage in der RIMAX-Forschung · Hauptergebnisse

3.2 Hochwasservorhersage und -warnung – Umgang mit Un-sicherheiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107Quellen von Unsicherheiten und deren Berücksichtigung bei der Mo-dellierung · Unsicherheit der Niederschlagsschätzung für die Hochwas-sersimulation in kleinen Einzugsgebieten · Die Bedeutung der Einzugs-gebietsbedingungen vor dem Hochwasserereignis: Unsicheres Wissen über die Bodenfeuchte · Hauptergebnisse

3.3 Risikobasierte Bemessungs-, Bewirtschaftungs- und Steuerungsstrategien für Anlagen des technischen Hoch-wasserschutzes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129Überblick zu risikobasierten Methoden · Risikobasierte Bemessung · Risikobasierte Bewirtschaftung und Steuerung · Hauptergebnisse

3.4 Technischer Hochwasserschutz: Deiche an Fließgewäs-sern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141Einführung und Hintergrund · Historische Entwicklung von Altdeichen· Stand des Wissens und der Technik · Deicherkundung · Monitoring von Deichen und Entwicklung von Prognosemodellen · Sicherung von Dei-chen bei Extremszenarien · Hauptergebnisse

3.5 Erhöhung des Wasserrückhalts durch dezentrale Maß-nahmen zur Hochwasserminderung . . . . . . . . . . . 160Maßnahmenübersicht und Wirkungen · Erhöhung der Retentionsfä-higkeit von Gewässernetz und Aue · Mögliche Scheitelabminderungen durch dezentrale Maßnahmen · Maßnahmen zur Schadensminderung in urbanen Gebieten · Hauptergebnisse

3.6 Katastrophenschutz und Hochwasserbewältigung . . . . 179Methodik eines integrativen operationellen Katastrophenschutzes · Neue Werkzeuge zur modellgestützten Prognose von Über� utungen · Erstellung von Über� utungskarten mittels Radarsatellitendaten · tech-nische Maßnahmen zur Eindämmung einer Über� utung · Maßnahmen zur Bewusstseinsbildung · Hauptergebnisse

3.7 Maßnahmen zur lokalen Sicherung von Schutzgütern und Bauvorsorge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192Neue Techniken zur lokalen Sicherung von Schutz gütern · Schadensre-duzierung durch Bauvorsorge · Hauptergebnisse · Risikokommunikation · De� zite: Vom Schutzversprechen zum sachlichen Umgang mit dem Hochwasserrisiko · Herausforderungen· Resultate: Netzwerke entlang der Flüsse

4. Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2115. Autorinnen und Autoren . . . . . . . . . . . . . . . 2336. Leitfaden zu den Projekten / Projektergebnissen . . 2377. Index / Stichwortverzeichnis . . . . . . . . . . . . . 247Farbabbildungen, Teil 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53Farbabbildungen, Teil 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165

Detailliertes Inhaltsverzeichnis unter:www.schweizerbart.de/9783510652686

BestellscheinIch (wir) bestelle(n) bei E. Schweizerbart’sche Verlagsbuchhandlung (Nägele u. Obermiller), Johannesstr. 3A, 70176 StuttgartTel. +49 (0) 711/351456-0 Fax +49 (0) 711/351456-99 mail@schweizerbart.de www.schweizerbart.de

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Management von HochwasserrisikenDieses Buch hilft bei der praktischen Planung und konkreten Umsetzung/Imple-mentation von Maßnahmen des Hochwasserrisikomanagements. Eingangs machen die Autoren den Leser mit Begriffen, Zielen und Methoden des Hochwasserrisikomanagements vertraut und vermitteln einen Überblick über die gegenwärtig in Deutschland und Europa üblichen Vorgehensweisen des Hoch-wassermanagements.Im Kapitel „Methoden der Analyse des Hochwasserrisikos“ werden verfügbare Me-thoden der Risikoermittlung vorgestellt und u.a. die Möglichkeiten der Prognose und der Verknüpfung unterschiedlicher Ansätze, die Risikoermittlung, sowie die Bewertung dieser Risiken (risikobasierte Entscheidungen) diskutiert.Der überwiegende Teil (Kapitel 3) des Buches ist der Umsetzung von Maßnah-men des Hochwassermanagements gewidmet (u.a. Vorhersage- und Meldediens-te, nutzbare Systeme, verfügbare Datenquellen, Vorgehen beim Aussprechen von Hochwasserwarnungen, Unsicherheiten und zu berücksichtigende Randbedin-gungen, technischer Hochwasserschutz, Deichinventar, Deichmonitoring off- und online, Standsicherheit). Dezentrale Maßnahmen werden erläutert, ebenso wie lo-kale Schutzmaßnahmen, mobile Schutzanlagen, Führung der Einsatzkräfte sowie die notwendigen Kommunikationsmaßnahmen und viele andere Aspekte.Ein umfangreiches, aktuelles Literaturverzeichnis rundet den Band ab.Das Werk fasst die praktischen Ergebnisse des Forschungsprogramms „Risiko-management extremer Hochwasserereignisse (RIMAX)“ zusammen, das Extrem-ereignisse, also seltene Hochwasser, die hohe wirtschaftliche Schäden anrichten, untersucht, um in enger Kooperation mit Praktikern Ansätze für die Risikobewertung und Schadensmi-nimierung zu entwickeln.Es richtet sich in erster Linie an Praktiker in Verwaltung, Inge-nieurbüros und Forschungseinrichtungen.

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