Mobile Hochwasserschutzsysteme in urbanen Gebieten

Baumgartner, Christian

Mobile Hochwasserschutzsysteme in urbanen Gebieten

Ingenieurwissenschaften - Bauingenieurwesen

Zusammenfassung

Die in den letzten Jahren aufgetretenen Überflutungen in Graz haben die Notwendigkeit eines geeigneten Hochwasserschutzsystems unterstrichen. Besonders in urbanen Gebieten spielt die Anwendbarkeit und Flexibilität solcher Systeme eine wichtige Rolle. Im Vorfeld der Masterarbeit wurde eine umfangreiche Recherche zum Thema „Mobiler Hochwasserschutz in urbanen Gebieten“ durchgeführt. Auf den folgenden Seiten werden die Grundlagen zur Entstehung von Hochwasser in Gebieten mit hohem Versiegelungsgrad erläutert und eine Entscheidungshilfe für die Anwendung von mobilen Hochwasserschutzsystemen unter pluvialen Bedingungen ausgearbeitet. Der Fokus wird dabei auf die Anwendbarkeit der Systeme mit kurzen Vorwarnzeiten, wie sie in urbanen Gebieten ihre Anwendung finden, gelegt. Ein besonderes Augenmerk wird dabei den planmäßig mobilen und den notfallmäßigen Hochwasserschutzsystemen gewidmet. Praxisorientierte Maßnahmen bei Überflutungen sowie ein Maßnahmenplan der Stadt Graz werden als Beispiele angegeben.

Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

Baumgartner, Christian: Mobile Hochwasserschutzsysteme in urbanen Gebieten,

Hamburg, Diplomica Verlag GmbH 2014

PDF-eBook-ISBN: 978-3-8428-4714-9

Herstellung: Diplomica Verlag GmbH, Hamburg, 2014

Zugl. Technische Universität Graz, Graz, Österreich, Masterarbeit, 2012

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Danksagung

Hiermit möchte ich mich bei meiner Familie, vor allem meinen Eltern, für die Unter-

stützung während meines Studiums bedanken.

Besonderer Dank gilt meinem langjährigen Freund Thomas Hofer. Seine bedin-

gungslose Hilfsbereitschaft ließen mich in meinem Studium immer weiter kommen.

Ebenso möchte ich mich bei meiner Betreuerin Rosa Sulzbacher bedanken. Ihre vor-

bildliche Betreuung verbunden mit ihren motivierenden Worten, haben mich auch

noch die letzte Hürde schaffen lassen.

Zusammenfassung

Die in den letzten Jahren aufgetretenen Überflutungen in Graz haben die Notwendig-

keit eines geeigneten Hochwasserschutzsystems unterstrichen. Besonders in urba-

nen Gebieten spielt die Anwendbarkeit und Flexibilität solcher Systeme eine wichtige

Rolle.

Im Vorfeld der Masterarbeit wurde eine umfangreiche Recherche zum Thema ,,Mobi-

ler Hochwasserschutz in urbanen Gebieten" durchgeführt. Auf den folgenden Seiten

werden die Grundlagen zur Entstehung von Hochwasser in Gebieten mit hohem Ver-

siegelungsgrad erläutert und eine Entscheidungshilfe für die Anwendung von mobi-

len Hochwasserschutzsystemen unter pluvialen Bedingungen ausgearbeitet. Der Fo-

kus wird dabei auf die Anwendbarkeit der Systeme mit kurzen Vorwarnzeiten, wie sie

in urbanen Gebieten ihre Anwendung finden, gelegt. Ein besonderes Augenmerk

wird dabei den planmäßig mobilen und den notfallmäßigen Hochwasserschutzsyste-

men gewidmet.

Praxisorientierte Maßnahmen bei Überflutungen sowie ein Maßnahmenplan der

Stadt Graz werden als Beispiele angegeben.

Abstract

Due to recent floods in Graz the demand for suitable flood protection has been

strengthen. Especially in urban regions the usability and flexibility of such systems

play a major role.

Preliminary to this thesis a review about "Mobile flood protection in urban areas" has

been conducted. In the following the principles of floods in urbanized areas with high

degrees of imperviousness surface are explained and a decision guidance for the

usage of mobile flood protection systems under pluvial conditions is given. The focus

is set on the usability on systems with short prewarning times. Special consideration

is given on the one hand to systematic mobile flood protection systems and on the

other hand to emergency flood protection systems.

The usability of these systems and an action plan for Graz are elucidated in some

examples

Gleichheitsgrundsatz

Aus Gründen der Lesbarkeit wurde in dieser Arbeit darauf verzichtet, geschlechts-

spezifische Formulierungen zu verwenden. Jedoch möchte ich ausdrücklich festhal-

ten, dass die bei Personen verwendeten maskulinen Formen für beide Geschlechter

zu verstehen sind.

Inhaltsverzeichnis

Inhaltsverzeichnis

Veranlassung und Ziel ... 1

Grundlagen ... 3

2.1

Hochwasser ... 3

2.1.1

Definition\Beschreibung ... 3

2.1.2

Kenngrößen und Einwirkungsparameter ... 4

2.1.3

Natürliche Einflussfaktoren ... 6

2.1.4

Anthropogene Einflussfaktoren ... 7

2.1.5

Arten von Hochwasserereignissen ... 11

2.2

Arten von Hochwasserschäden ... 12

2.2.1

Schäden infolge dynamischer Überschwemmung ... 12

2.2.2

Schäden infolge statischer Überschwemmung ... 13

2.2.3

Murenabgänge ... 13

2.2.4

Grundwasseranstieg ... 13

2.2.5

Ufererosion ... 13

2.3

Hochwasserwarnsysteme ... 17

2.4

Alarm- und Einsatzplan ... 19

2.4.1

Alarmplan ... 19

2.4.2

Einsatzplan ... 20

2.5

Systemlagerung ... 21

2.6

Hochwasserschutz ... 23

2.6.1

Allgemein ... 23

2.6.2

Aktiver Hochwasserschutz ... 23

2.7

Passiver Hochwasserschutz ... 24

Mobiler Hochwasserschutz ... 25

3.1

Definition ... 25

3.2

Rechtliche Grundlagen ... 25

3.3

Anwendungsbereiche ... 26

3.3.1

Schutz bestehender Gebäudekomplexe ... 26

3.3.2

Einzelobjektschutz ... 26

3.3.3

Schutz unbebauter Flächen ... 26

Inhaltsverzeichnis

VII

3.4

Vorwarnzeit - Bereitstellungszeit ... 27

3.5

Lastannahmen ... 32

3.6

Versagen ... 34

3.6.1

Schadensbilder ... 34

3.7

Planmäßige mobile HWS - Systeme ... 37

3.7.1

Einsatzbereiche ... 37

3.7.2

Auslegung und Freibord ... 38

3.7.3

Systeme ... 39

3.8

Notfallmäßige HWS - Systeme ... 59

3.8.1

Einsatzbereiche ... 59

3.8.2

Einsatzrandbedingungen ... 59

3.8.3

Auslegung und Freibord ... 60

3.8.4

Systeme ... 60

3.9

Systemvergleich notfallmäßiger HWS - Systeme ... 81

3.10

Vor- und Nachteile von notfallmäßig und planmäßige mobile HWS -

Systemen

...

3.10.1

Planmäßige mobile HWS - Systeme ... 82

3.10.2

Notfallmäßige HWS - Systeme ... 84

3.11

Einsatzrandbedingungen ... 86

Mobiler Hochwasserschutz in städtischen Gebieten ... 87

4.1

Gebäudeschutz vor eindringendem Kanalisationswasser ... 89

4.2

Städtebauliche Aspekte ... 91

4.3

Alternativen zu mobilem Hochwasserschutz ... 94

4.4

Mobiler Hochwasserschutz am Beispiel Graz ... 97

4.4.1

Mobile Hochwasserschutzsysteme der Stadt Graz ... 97

4.4.2

Alarm- und Einsatzplan - Ampelsystem ... 98

4.4.3

Maßnahmenplan der Stadt Graz ... 99

4.4.4

Grüne Phase Vorwarnstufe I ...100

4.4.1

Gelbe Phase Vorwarnstufe II ...101

4.4.2

Rote Phase ...102

Beurteilung der mobilen HWS - Systeme für urbane Gebiete ...103

5.1

Beurteilungskriterien...103

5.2

Kriterienmatrix ...107

Inhaltsverzeichnis

VIII

5.3

Vulnerabilitätskarte ...108

Zusammenfassung und Ausblick ...111

Tabellenverzeichnis...113

Abbildungsverzeichnis ...115

Literaturverzeichnis...121

Abkürzungsverzeichnis

Abkürzungsverzeichnis

ZAMG

Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik

LWZ

Landeswarnzentrale

BMLFUW

Bundesministerium für Land- und Forstwirtschaft,

Umwelt und Wasserwirtschaft

BLW

Bayrisches

Landesamt

für

Wasserwirtschaft

HWS - System

Hochwasserschutzsystem

1 Veranlassung und Ziel

1 Veranlassung

und

Ziel

Statistiken belegen, dass aufgrund klimatischer Veränderungen, Hochwasserereig-

nisse infolge von Starkregen in den nächsten Jahren zunehmen werden. Besonders

in Ballungsräumen, ist mit einer drastischen Verschärfung der Problematik zu rech-

nen. Die Unvorhersehbarkeit und mangelnde Vorsorge lassen zum einen Kosten

aufgrund von Sachwertsbeschädigung entstehen und zum anderen ist bei einer

Überschwemmung auch mit einer psychischen Belastungen der Betroffenen zu rech-

nen.

Überschwemmungen hat es schon immer gegeben, im Gegensatz zu früher haben

sich jedoch die Randbedingungen geändert. Flüsse wurden begradigt, was eine Zu-

nahme der Fließgeschwindigkeit zur Folge hat und somit die dynamisch wirkenden

Kräfte des Wassers erhöht. Retentionsräume wurden verkleinert um eine möglichst

große Fläche für Besiedelungen freigeben zu können. Flächen, wie Felder oder

Grünräume, welche vormals als Versickerungsflächen für den Niederschlag dienten,

werden zunehmend durch Bebauung versiegelt. Die Folge ist ein erhöhter Abfluss in

kürzerer Zeit. Bäche, welche in das Kanalsystem eingeleitet werden, verursachen bei

starken Regenereignissen möglicherweise eine Überlastung des Kanalsystems. Auf-

grund der vernetzten Kanalstränge und bedingt durch mangelnde Sicherungsmaß-

nahmen ist es möglich, dass auch Häuser, die nicht direkt dem Hochwasser ausge-

setzt sind, Schaden durch das Wasser im Kanalsystem nehmen können. Solche

Überflutungen müssen jedoch nicht nur auf einer Überlastung des Kanalsystems ba-

sieren. Einflussfaktoren wie Verstopfungen oder Engstellen können ebenso ein Aus-

löser für das Überlaufen von Sanitäranlagen, welche am Kanalsystem angeschlos-

sen sind, sein. Abgesehen von den dadurch entstehenden Sachschäden sind Ver-

schmutzung und hygienische Verunreinigung Faktoren, die zur Abwertung des Ob-

jekts beitragen und nicht unberücksichtigt bleiben dürfen.

Maßnahmen wie Hochwasserrückhaltebecken, Dämme und Retentionsflächen sind

unabdingbare Werkzeuge zum Schutz gegen fluviale Überschwemmungen. Mithilfe

solcher Bauten ist es möglich, weitläufige Schutzzonen auf Dauer zu errichten. Die-

se, flächenmäßig meist sehr ausgedehnten

Maßnahmen, sind in der Regel in nicht

urbanen Gebieten wie Flussufern, Stadträndern usw. anzufinden. In urbanen Gebie-

ten, wo es vermehrt zu pluvialen Überschwemmungen kommt, ist es aufgrund von

beengten Platzverhältnissen oder aus ästhetischen Gründen oft nicht möglich, Objek-

te in solch großer Dimension zu errichten. In solchen Fällen kommen mobile Hoch-

wasserschutzsysteme zum Einsatz, deren Fokus je nach System auf Mobilität oder

Flexibilität liegen.

Ziel dieser Masterarbeit ist es, eine umfangreiche Recherche zum Thema ,,Mobile

Hochwasserschutzsysteme in urbanen Gebieten" durchzuführen, um Vor- und Nach-

teile mit Schwerpunkt auf Logistik, Anwendbarkeit und Sicherheit für jedes System

aufzuzeigen. Abschließend werden die Systeme nach unterschiedlichen Kriterien für

1 Veranlassung und Ziel

eine Anwendung bei pluvialen Hochwasserereignissen in urbanen Gebieten bewer-

tet.

Grundlagen

2 Grundlagen

2.1 Hochwasser

2.1.1 Definition\Beschreibung

Hochwasser ist ein natürliches Phänomen, das sich nicht verhindern lässt. Allerdings

tragen bestimmte menschliche Tätigkeiten (wie die Zunahme von Siedlungsflächen

und Vermögenswerten in Überschwemmungsgebieten sowie die Verringerung der

natürlichen Wasserrückhaltefähigkeit des Bodens durch Flächennutzung) und Klima-

änderungen dazu bei, die Wahrscheinlichkeit des Auftretens von Hochwasserereig-

nissen zu erhöhen und deren nachteilige Auswirkungen zu verstärken. EU - Hoch-

wasserrichtlinie, (Richtlinie 2007/60/EG).

Die DIN 4049-1: Hydrologie; Grundbegriffe (1992) definiert Hochwasser als einen

,,Zustand in einem oberirdischen Gewässer, bei dem der Wasserstand oder der

Durchfluß einen bestimmten Wert (Schwellenwert) erreicht oder überschritten hat."

Hochwasser sind wiederkehrende Ereignisse, deren Wahrscheinlichkeit durch die

HQ Zahl ausgedrückt wird. Zum Beispiel ist das 100jährliche Hochwasser mit der

Kennzahl HQ

100

ein Ereignis, das statistisch gesehen in 100 Jahren einmal auftritt.

Das heißt aber nicht, dass nach einem Jahrhunderthochwasser, hundert Jahre kein

Ereignis dieser Größe stattfindet. Ein solches Hochwasser kann einem vergleichba-

ren dieser Größe in einem kurzen zeitlichen Abstand folgen.

Laut Thuerkow (2008) begünstigen oder lösen folgende Einflussfaktoren ein Hoch-

wasser aus:

- Intensität des Niederschlages bzw. des Schneeschmelzprozesses

- Dauer des Niederschlages und somit die Niederschlagssumme

- zeitliche Verteilung des Niederschlages (anfangs-, endbetont)

- Räumliche Verteilung des Niederschlages

- Geländeform, Ausprägung des Reliefs

- Bodenbeschaffenheit

Wasseraufnahmefähigkeit des Bodens im Einzugsge-

biet (Vorfeuchte, Eisbedeckung, Verdichtungsgrad)

- Ausprägung

des

Gewässernetzes

Laut dem Bundesverband für Naturschutz (2004) können auch zusätzliche Faktoren

relevant sein:

- Versiegelungen durch verbaute Flächen

- erhöhter

Grundwasserdruck

- Rückstauungen aufgrund von Flussverengungen oder Einmündungen

- durch übermäßig bewachsene Ufer erzeugte Uferrauheit

Grundlagen

- Hangrutschungen

sowie:

- unterdimensionierte

Kanalsysteme

- verstopfte

Abwasserleitungen

- nicht mehr ausreichende Einleitungskapazität

Unter Betrachtung des natürlichen Wasserkreislaufes (Niederschlag Verdunstung

Versickerung Abfluss, siehe Abbildung 1) sind Hochwasser unter Änderung der

Ausprägung der Einflussfaktoren ein Teil des Wasserkreislaufes und somit gilt für

Hochwasserereignisse wie für den natürlichen Wasserkreislauf ebenso die Wasser-

haushaltsgleichung laut Patt et al. (2001):

Abbildung 1: Schematische Darstellung des Wasserkreislaufes (Hack, 2001)

2.1.2 Kenngrößen und Einwirkungsparameter

Durch eine Aufzeichnung des Wasserstandes während eines Hochwassers entsteht

eine sogenannte Hochwasserganglinie (Abbildung 2). Diese beschreibt den Pegel-

stand eines Flusses über einen bestimmten Zeitraum und hat eine spezifische Wel-

lenform. Den gesamten Prozess von Anstieg und Rückgang des Hochwassers nennt

man Hochwasserwelle (BLW, 2004).

Die wichtigsten Kenngrößen eines Hochwassers sind Scheitel, Fülle und Dauer

(Bronstert, et al., 2001).

Je nach Literatur werden Scheitel und Fülle auch als Durchflussmaximum und Volu-

men bezeichnet.

Grundlagen

Abbildung 2: Darstellung einer Hochwasserganglinie (BLW, 2004)

Als Scheitel wird der höchste Wert einer Hochwasserganglinie bezeichnet. Die Über-

schwemmungstiefe bestimmt den vertikalen Einflussbereich über der Geländeober-

kante. Meist erfolgt der Anstieg kontinuierlich mit einem Maximum beim oder kurz

nach dem Hochwasserscheitel. Bei Ereignissen mit einer Wellenfront wie Hochwas-

ser im Gebirge, bei Dammbrüchen oder Flutwellen tritt die maximale Überschwem-

mungstiefe bei Ereignisbeginn auf. (Egli, 2002).

Als Fülle eines Hochwassers wird jenes Wasservolumen in m³ bezeichnet, welches

während des Ereignisses zum Abfluss kommt.

Die Überschwemmungsdauer beginnt zum Zeitpunkt der Benetzung mit Wasser und

endet zum Zeitpunkt des Trockenfallens (Egli, 2002).

Zusätzliche wichtige Parameter sind Fließgeschwindigkeit und Anstiegsge-

schwindigkeit.

Die Fließgeschwindigkeit erreicht in steilerem Gelände (5 10 % Neigung) etwa 3 bis

5 m/s wenn die Überschwemmung höher als 0,5 m ist. Derart hohe Geschwindigkei-

ten treten entlang kanalisierter Bereiche wie etwa bei Straßenzügen auf, da dort ein

schneller Abfluss erwünscht ist. Ferner treten bei Dammbrüchen in der Nähe einer

Bresche

(Lücke, Spalte) ebenso hohe Fließgeschwindigkeiten auf. In flachem Gelän-

de (kleiner 2 % Neigung) reduziert sich die Fließgeschwindigkeit im Allgemeinen

unter 2 m/s.

Die Anstiegsgeschwindigkeit beschreibt die Schnelligkeit des Wasseranstieges wäh-

rend der Überschwemmung. Dieser Parameter bestimmt unter anderem die Bedro-

hung von Personen in- und außerhalb von Gebäuden. Eine hohe Anstiegsgeschwin-

digkeit ist insbesondere bei Überschwemmungen infolge von Verklausungen (Gerin-

neverstopfung mit nachfolgender lokaler Ausuferung) oder einem Dammbruch zu

erwarten (Egli, 2002).

Grundlagen

2.1.3 Natürliche

Einflussfaktoren

Folgende natürliche Einflussfaktoren sind für die Bildung von Hochwasser entschei-

dend:

- Einzugsgebiet

Unter Einzugsgebiet wird jene Fläche verstanden, von der aus Niederschlag

aus einem Regenereignis zum Fließgewässer abfließt. Große Fließgewässer

können sich aus mehreren Flüssen aus verschiedenen Einzugsgebieten zu-

sammensetzen. Wesentlich für die Entstehung eines Hochwassers ist die

Form des Geländes im Einzugsgebiet. Bei flächenmäßig kleinem jedoch sehr

steilem Gelände, welches überregnet wird, fließt das Wasser schneller ab und

der Pegel im Fluss steigt dementsprechend schnell. Die Konzentrationszeit

vom Regenereignis bis zum Abfluss, ist in solchen Gebieten somit sehr kurz.

Ist flaches Gelände vorhanden bei dem die Abflusszeiten in den Fluss größer

sind, ist die Konzentrationszeit länger und der Abfluss dauert somit länger. Die

Konzentrationszeit wird durch die Parameter Einzugsgebietsgröße, -gefälle

und form bestimmt. (BLW, 2004)

In Abbildung 3 werden zwei verschieden Abflusswellen mit unterschiedlichen

Einzugsgebietsformen dargestellt.

Abbildung 3: Abfluss in Abhängigkeit von der Form des Einzugsgebietes. Im lang ge-

streckten Einzugsgebiet (A) verteilt sich das Wasser gleichmäßiger und bildet somit

eine flache und lange Abflusswelle. Beim kreisrunden Einzugsgebiet läuft das Wasser

aus allen Teilen gleichzeitig zusammen und bildet somit eine kurze und steile

Abflusswelle (BLW, 2004)

- Wetter-

und

Klimaverhältnisse

Verschiedene Wetter- und Klimafaktoren können ein Hochwasserereignis ver-

ursachen bzw. begünstigen.

Schneeschmelze im Winter und Frühjahr liefert in alpinen Gebieten nach dem

Regen den größten Beitrag zur Entstehung von Hochwasserereignissen

Grundlagen

(BLW, 2004). Das Abflussverhalten wird durch verschiedene Faktoren wie

steigender Lufttemperatur (Schneeschmelze) oder auftretendem Niederschlag

bzw. durch deren Zusammenspiel stark beeinflusst. Bilden sich im Fließge-

wässer Eisschollen bzw. Treibeis, sind beim Herausbrechen dieser Verklau-

sungen und ein dadurch verursachter Anstieg des Wasserspiegels möglich.

2.1.4 Anthropogene

Einflussfaktoren

Unter anthropogenen Einflussfaktoren versteht man die Veränderung der Umwelt

durch den Menschen.

In vielen Jahrhunderten haben die Menschen aus der Naturlandschaft Mitteleuropas

großflächig eine Kulturlandschaft gemacht. Die Wälder wurden abgeholzt. Die Sümp-

fe und Feuchtwiesen wurden weiträumig trockengelegt. Acker- und Weiden wurden

angelegt (Graw, 2003).

Besonders in Stadtnähe nimmt der Landschaftsverbrauch durch den Neubau von

Objekten wie beispielsweise Häuser oder Straßen immer mehr zu.

Das Abflussverhalten unterschiedlich genutzter Einzugsgebiete ist nach

Pelikan (2006) in Abbildung 4 dargestellt.

Abbildung 4: Unterschied des Abflussverhaltens zwischen antropogen und unbeeinflusstem

Einzugsgebiet. Die Ordinate beschreibt die Wassermenge, die Abszisse die Zeitdauer

(Pelikan, 2006)

Grundlagen

Anthropogene Einflussfaktoren werden unterschieden in:

- Landnutzung und Bodenbewirtschaftung

Durch eine landwirtschaftliche Nutzung verändern sich die Bodeneigenschaf-

ten und der Bewuchs. Umwandlungen von Grün- zu Ackerland sowie Waldro-

dungen haben einen vermindernden Einfluss auf den natürlichen Bewuchs-

speicher. Die Sickereigenschaften des Bodens werden durch Bodenverdich-

tungen beeinflusst, was zur Folge hat, dass der natürliche Bodenspeicher

nicht mehr zur Gänze funktioniert und eine Beschleunigung des Oberflächen-

abflusses erfolgt. (Bronstert, et al., 2001)

- Versiegelung und Bebauung

Versiegelung wird als Überbegriff für eine Abdichtung der Bodenoberfläche in

Zusammenhang mit Baumaßnahmen wie Straßen, Gehwegen, Parkplätzen

oder Häusern verwendet. Die Auswirkungen der Versiegelung der Bodenober-

flächen und des Ausbaus der Entwässerungssysteme werden auch als Urba-

nisierungseffekt bezeichnet (Bronstert, et al., 2001).

Eine Erhöhung der versiegelten Fläche bedeutet eine Erhöhung der Nieder-

schlagswasser, welche nicht mehr in den Boden versickert werden können

und infolgedessen in das Entwässerungssystem gelangen. Die Zahl der ver-

bauten Flächen ist in Österreich zwischen 1979 und 1986 täglich um 10 ha

gewachsen. Dagegen ist die landwirtschaftliche genutzte Fläche täglich um

ca. 28 ha zurückgegangen (Vogel, 1990).

Versiegelungen und Bebauungen werden tendenziell als hochwasserver-

schärfend angesehen. Aufgrund des schnellen Abflusses und der kaum mögli-

chen Speicherung auf versiegelten Oberflächen, erhöhen sich die Scheitelab-

flüsse von Hochwassern bei kleineren und mittleren Jährlichkeiten. Der Wel-

lenscheitel wird zeitlich vorgelagert, was auf die nachfolgenden zwei Gründe

zurückzuführen ist. Erstens kommt es durch das Vorhandensein von Flächen

mit einer geringen Oberflächenrauigkeit zu schneller ablaufenden oberirdi-

schen Fließprozessen. Zweitens erfolgt durch eine hohe Anschlussdichte an

das kommunale Kanalnetz eine raschere Ableitung des anfallenden Nieder-

schlagswassers (Bronstert, et al., 2001).

Abbildung 5 zeigt unterschiedlich große Abflüsse (engl. runoff) bei verschie-

den hoher Bebauungsdichte und Versiegelung. Es ist ersichtlich, dass umso

größer der Versiegelungs- und Bebauungsgrad ist, desto größer ist der Ab-

fluss. Gleichzeitig gehen Verdunstungsrate (engl. evapotranspiration) sowie

Oberflächenversickerung und Grundwasseranreicherung (engl. shallow infiltra-

tion, deep infiltration) zurück.

Grundlagen

Abbildung 5: Einfluss unterschiedlicher Urbanisierungsgrade auf

den Wasserhaushalt (www.city.kamloops.bc.ca, Zugriff am 25.10.2012)

Um eine Aussage zwischen Niederschlag und Abfluss tätigen zu können, wird

nach Vogel in ,,Handbuch zur Umweltschonenden Beschaffung in Österreich"

(1990) der Abflussbeiwert wie folgt definiert: Der Abflussbeiwert (siehe For-

mel 1) ergibt sich durch (ChB) ,,die Verhältniszahl zwischen dem Regenwas-

serabfluß und dem Regenwasseranfall einer Fläche. Die Regenabflußmenge

wird durch das in Bodenvertiefungen zurückgehaltene oder durch Versickern

und Verdunsten verlorengegangene sowie von Pflanzen aufgenommene

Wasser reduziert. Der Abflußbeiwert wird u. a. durch die Bebauungsdichte be-

einflusst."

Formel 1

...

Abflussbeiwerte liegen, außer in Sonderfällen wie der Schneeschmelze oder

unter Talsperreneinfluss, zwischen 0 und 1. Ein Abflussbeiwert mit einem Wert

von 0 bedeutet, dass der gesamte Niederschlag im Einzugsgebiet zurückge-

halten wird. Ein Abflussbeiwert mit einem Wert von 1 bedeutet, dass der ge-

samte Niederschlag, der gefallen ist, zum Abfluss kommt (Patt, et al., 2001).

Grundlagen

Der Gesamtwasserabfluss Q berechnet sich somit nach folgender Formel:

Formel 2

...

Grundlagen

2.1.5 Arten von Hochwasserereignissen

Im anglo-amerikanischen Raum wird zwischen pluvialem und fluvialem Hochwasser-

ereignissen unterschieden.

x Pluviales Hochwasser

Pluviale Hochwasser treten meist infolge von Starkregenereignissen wie z.B.

Sommergewitter, Schneeschmelze und infolge einer Überlastung des Kanal-

systems auf. Nach solchen Starkregenereignissen fließt das Wasser durch

urbanes Gebiet in ein Kanalsystem oder in Fließgewässer. Dabei entstehen

Überflutungen meist aufgrund zu hoher Versiegelung oder mangelnder Bo-

dendurchlässigkeit. Die Vorwarnzeit ist bei dieser Art von Hochwasser sehr

kurz (Jha, et al., 2012).

x Fluviales Hochwasser

Fluviale Hochwasser entstehen wenn Oberflächenwasser in ein Fließgewäs-

ser mündet und dieses bei einem Starkregenereignis aufgrund von Überbelas-

tung über die Uferränder tritt. Durch Messung der Pegelstände im Fließge-

wässer ist eine lange Vorwarnzeit möglich (Jha, et al., 2012).

Laut Patt et al. (2001) können Hochwasser aufgrund ihrer zeitlichen Dauer, Größe

und der Art ihres Einzugsgebietes in folgende Ereignisse unterteilt werden:

x Sturzfluten

Sturzfluten sind lokale, plötzliche auftretende und sehr dynamische Hochwas-

serereignisse, welche in kleinen Einzugsgebieten durch lokale Starkregener-

eignisse verursacht werden. Findet der Niederschlag in einem sehr steilen Ge-

lände und in einem sehr kurzen Zeitraum statt, bildet sich die Hochwasserwel-

le sehr plötzlich. Durch die hohe Energie und Dynamik solcher Wellen, werden

auf dem Weg ins Tal Bäume, Sträucher, große Felsbrocken oder sogar ganze

Talflanken mitgerissen. Wenn ein kleines Einzugsgebiet welches nur wenige

Hektar groß ist, von einem Starkregen betroffen wird, dann können innerhalb

kürzester Zeit extreme Oberflächenabflüsse entstehen. Diese Abflüsse sind

räumlich begrenzt. Aufgrund ihrer hohen Intensität und Energie, sind solche

Ereignisse sehr gefährlich (in Anlehnung an Sowa, 2010).

x Lokale Überschwemmungen aus Starkniederschlägen

Lokale Überschwemmungen aus Starkniederschlägen entstehen wie Sturzflu-

ten in kleinen Einzugsgebieten aber in ebenem Gelände. Verursacht werden

Grundlagen

sie durch Starkregenereignisse bzw. Unwetter, die zu lokalen Überflutungen

führen.

Im Unterschied dazu unterteilt Pagenkopf (2003) Hochwasserereignisse nach ihren

Auslösern:

- Regenhochwasser - lang anhaltende Niederschläge (zyklonal, orographisch)

- Flashfloods - Schauer

- Schmelzhochwässer - Schnee, Gletscher

- Sturmfluten - Meeresflut

- Stauhochwasser - Eisstau, Verklausung, Rückstau an Einmündungen, Windstau

- Katastrophenhochwasser - Dammbruch, Erdbeben, Bergsturz

- Kombinationen

2.2 Arten

von

Hochwasserschäden

In Anlehnung an die 1997 verfasste Empfehlung ,,Berücksichtigung der Hochwasser-

gefahren bei raumwirksamen Tätigkeiten" der Bundesämter der Schweiz, wird zwi-

schen statischer und dynamischer Überschwemmung unterschieden. Zusätzlich kön-

nen noch Murenabgänge, Ufererosion und Grundwasseranstieg für Beschädigungen

an Nutzungsobjekten verantwortlich sein.

2.2.1 Schäden infolge dynamischer Überschwemmung

Schäden aus dynamischen Überschwemmungen sind durch hohe Fließgeschwindig-

keiten (größer 1 m/s) gekennzeichnet. Diese treten meist bei Wildbächen, Gebirgs-

flüssen und in geneigtem Gelände auf. In flachem Gelände treten hohe Geschwin-

digkeiten an Engstellen wie z.B. bei Toren, Durchbrüchen und Durchlässen auf.

Die primäre Gefährdung erfolgt durch den Strömungsdruck. Der maßgebende Scha-

densparameter ist als Produkt aus mittlerer Fließgeschwindigkeit und Wassertiefe

festgelegt (Loat, et al., 1997). Weiters können durch die hohe Fließgeschwindigkeit

Erosionsschäden entstehen. Diese treten meist in Nahbereichen von Hindernissen

wie Gebäude oder Pfeiler auf. Aufgrund der hohen Fließgeschwindigkeit bei Engstel-

len, sind diese besonders auf Erosion beansprucht.

In Einzelfällen ist die Stoßwirkung (siehe 3.5)

von mitgeführten Objekten (Steine,

Schwemmholz etc.) zu berücksichtigen. In der Schutzwasserwirtschaft werden des-

halb vor Hochwasserrückhaltebecken sogenannte Grobrechen angeordnet um eine

Verklausung (vollständiger Verschluss eines Fließgewässerquerschnitts infolge einer

Ablagerung von Treibgut oder Totholz) zu verhindern.

Grundlagen

2.2.2 Schäden infolge statischer Überschwemmung

Bei einer statischen Überschwemmung ist die Fließgeschwindigkeit kleiner 1 m/s

(Egli, 2002). Der Anstieg der Wassertiefe außerhalb des Gerinnes ist meist relativ

langsam. Die statische Überschwemmung tritt in flachem Gelände und entlang von

Seen auf. Der maßgebende Schadensparameter ist die maximale Überschwem-

mungstiefe. Das Ausmaß der Schäden wird durch die Anstiegsgeschwindigkeit des

Wassers, die Mächtigkeit der Feststoffablagerungen und die Überschwemmungs-

dauer beeinflusst (Loat, et al., 1997)

2.2.3 Murenabgänge

Murenabgänge oder auch Mure, Schlammstrom, Schlammlawine oder Geröll-Lawine

genannt, treten im Zusammenhang mit Hochwasser in steilen Wildbachgebieten mit

meist über 15 % Bachgefälle auf (Loat, et al., 1997).

Im Falle eines im Gebirge auftretenden Hochwassers, kann Gesteinsmaterial aus

Hangrutschungen, Geschiebe und Geröllmassen sowie Schutthalden in Bewegung

geraten und in Wildbächen talabwärts fliesen. Der Fluss kann durch Hangrutsche,

Bergschlipfe oder nach Felsstürzen aufgestaut werden, weil sein ursprünglicher

Fließweg versperrt wurde (BLW, 2004).

2.2.4 Grundwasseranstieg

Lang andauernde Regenfälle sowie Unwetter mit starken Niederschlägen können zu

einem Grundwasseranstieg führen. Ebenso kann der Grundwasserspiegel in der Nä-

he von Sohl- und Uferbereichen von hochwasserführenden Oberflächengewässern

ansteigen. Dieser Anstieg erfolgt meist unbemerkt von unten aus dem Erdreich. Be-

sonders betroffen sind dabei unterkellerte Gebäude, da ein Eindringen des Grund-

wassers aufgrund des Grundwasserdrucks möglich ist. (BLW, 2004)

Verunreinigungen des Wassers in Brunnen sowie Feldvernässungen sind mögliche

Folgen eines Grundwasseranstiegs.

2.2.5 Ufererosion

Als Ufererosion wird das Nachbrechen der Uferböschung infolge Tiefen- und Seiten-

erosion verstanden. Durch schnell fließendes Wasser werden Lockermaterial und

Gesteine, welches der Erosionskraft nicht standhält, mitgerissen. Man unterscheidet

zwischen Ufererosion und Sohlerosion. In vielen Fällen ist die Ufererosion, wie in

Abbildung 6 zu sehen, die schadensreichste Art, da Gebäude und Brücken nahe am

Gewässer beschädigt werden können.

Grundlagen

Abbildung 6: Ufererosion - Unterspülte Straße nahe einem Oberflächengewässer

(www.bundesheer.gv.at, Zugriff am 1.10.2012)

Das entscheidende Sicherheitskriterium für Bauten und Anlagen ist somit ihre Funda-

tionstiefe. Ist diese unzureichend, das heißt geringer als die Erosionstiefe, so ist ein

Einsturz unvermeidlich (Loat, et al., 1997).

Die internationale Kommission zum Schutz des Rheins unterscheidet bei Hochwas-

serereignissen zwischen direkten und indirekten Schäden:

- Direkte

Schäden

Der Schaden tritt durch die direkte Einwirkung des Wassers und seiner mitge-

führten Stoffe ein. Vernässung und Schmutzeinlagerung führen zu teilweisem

bis vollständigem Wertverlust an Gebäudestruktur (Böden, Wände, Decken),

Installationen und am Gebäudeinhalt. In Einzelfällen kann auch die Statik be-

troffen sein (Auftrieb, Erosion, etc.). Mit zunehmender Überschwemmungs-

dauer breitet sich die Feuchtigkeit auch oberhalb der maximalen Einstauhöhe

aus. Dieser Umstand ist insbesondere bei längeren Einstauzeiten zu berück-

sichtigen. Mit Öl oder Fäkalien kontaminiertes Wasser kann bei Objekten al-

lein durch eingelagerte Geruchsstoffe zu einem Totalschaden führen. Eingela-

gerte Feststoffe in elektrischen oder mechanischen Apparaten führen zu Be-

triebsstörungen und können oftmals nicht mit verhältnismäßigem Aufwand ent-

fernt werden. Insbesondere sind auch EDV bzw. EDV gesteuerte Anlagen

gefährdet. (Sowa, 2010)

Grundlagen

- Indirekte

Schäden

Als indirekte Schäden ökonomischer Art werden laut Egli (2002) bezeichnet:

o Betriebsunterbrechungen

o unterbrochene Infrastruktur (Ver- und Entsorgung)

o Kosten für Provisorien

o sowie der erlittene Marktverlust

Diese können insbesondere im Gewerbe- und Industriebereich die direkten

Schäden übersteigen.

In Abbildung 7 sind mögliche direkte und indirekte Schäden bei verschiedenen

Nutzungsarten dargestellt.

Abbildung 7: Direkte und indirekte Schäden bei verschiedenen Nutzungsarten

(Egli, 2002)

Nachfolgende Grafik (Abbildung 8) aus dem Jahr 2005 zeigt global gesehen die An-

zahl und Aufteilung der Naturkatastrophen im Zeitraum von 1950 bis 2004. Es ist er-

sichtlich, dass Überschwemmungen relativ gesehen einen großen Teil der jährlichen

Katastrophen ausmachen.

Grundlagen

Abbildung 8: Naturkatastrophen in den Jahren 1950 bis 2004. Die Ordinate stellt die Anzahl der

VICE, Geo Risks Research, Munich Re (Höppe, 2005)

Anhand der Steigung der schwarz-strichlierten Linie ist erkennbar, dass Naturkatas-

trophen einen steigenden Trend aufweisen. Aus der Grafik lässt sich ableiten, dass

der Anstieg zum überwiegenden Teil auf die beiden Faktoren Überschwemmungen

und Stürme zurückzuführen ist. In welchem Maße diese beiden Faktoren zusam-

menhängen, wird in dieser Masterarbeit nicht behandelt.

Drückt man diese Werte in US-Dollar aus, so ergibt sich laut Höppe (2005) folgende

Grafik (Abbildung 9).

Abbildung 9: Naturkatastrophen und ihre Schäden in US-Dollar dargestellt. Die Ordinate stellt

den Schaden in Mrd. US-Dollar dar, die Abszisse beschreibt eine Zeitachse von 1950 bis 2004.

Grundlagen

Anhand dieser Grafik lässt sich ableiten, dass sich aufgrund des Trends die volks-

wirtschaftlichen Schäden in den nächsten Jahren erhöhen werden (rote Linie).

Diese Zunahme der Schadenszahlen lässt sich laut Höppe (2005) auf immer größere

Wertschöpfung (Anm. d. Autors: Wertzunahme eines Objektes) und einer zuneh-

menden Bebauungsdichte zurückführen. In gleichem Maß erhöht eine zunehmende

Empfindlichkeit das Schadensausmaß, da Gebäude im Vertrauen auf eine Erhöhung

der Sicherheit durch Schutzbauten nicht an die Umgebung angepasst, gebaut und

genutzt werden.

2.3 Hochwasserwarnsysteme

Ziel eines Hochwasserwarnsystem ist es, bei Gefahr die zuständigen Organe sowie

Betroffene frühzeitig zu informieren.

Laut einer Studie zum Thema ,,Hochwasserschutz mit Mobilelementen" vom

BMLFUW aus dem Jahr 2000, stehen Hochwasserdienste derzeit in Tirol, Vorarlberg

und der Steiermark zu Verfügung. Hochwasservorhersagesysteme werden in Salz-

burg, Kärnten, Oberösterreich, Niederösterreich und in Wien betrieben.

Um ein möglichst engmaschiges Netz an Daten zu erhalten, bedient man sich diver-

ser Quellen wie z.B. der Verbund AG (österr. Kraftwerksbetreiber). Diese erstellen

Abflussprognosen für bestimmte Einzugsgebiete welche teilweise in die Berechnun-

gen für Hochwasserwarnungen der Länder herangezogen werden. Das Prognose-

modell der Verbund AG ermittelt das Abflussgeschehen an rund 30 Pegelständen in

Österreich bis zu 4 Tage im Voraus. Um solch lange Vorhersagemodelle generieren

zu können, werden Daten von folgenden Wetterdiensten herangezogen: Reading

(UK)

European Centre for Medium-Range Weather Forecast (ECMWF) und der

ZAMG, bei der die Daten räumlich besser aufgelöst sind (Praxl-Abel, 2011).

Bei Hochwasserwarnsystemen unterscheidet man zwischen Hochwasserwarnungen

für Unterläufe größerer Gewässer, bei denen relevante Daten mittels Oberliegerpe-

gelmessungen und Wellenablaufmodelle abgerufen werden, und Oberläufen in alpi-

nen Lagen.

Sind nur kleine Einzugsgebiete betroffen, werden Niederschlagsprognosen sowie

Radarbilder als Frühwarnsystem herangezogen.

Abbildung 10 zeigt eine Übersicht aller Messstellen in Österreich welche Daten zu

den hydrografischen Landesdienststellen übertragen.

Grundlagen

Abbildung 10: Übersicht aller fernübertragenden Messstellen welche zu den hydrografischen

Landesdienststellen übertragen (www.wasserwirtschaft.steiermark.at, Zugriff am 26.4.2000)

Details

Seiten
Erscheinungsform: Originalausgabe
Jahr: 2012
ISBN (eBook): 9783842847149
ISBN (Paperback): 9783842897144
Dateigröße: 16.5 MB
Sprache: Deutsch
Institution / Hochschule: Technische Universität Graz – Siedlungswasserwirtschaft und Landschaftswasserbau
Erscheinungsdatum: 2014 (April)
Note: 1,0

Autor

Christian Baumgartner (Autor:in)

Mobile Hochwasserschutzsysteme in urbanen Gebieten

Zusammenfassung

Leseprobe

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Autor

Christian Baumgartner (Autor:in)