Mobile Hochwasserschutzsysteme in urbanen Gebieten
©2012
Masterarbeit
133 Seiten
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.
IV
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
V
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
VI
Inhaltsverzeichnis
1
Veranlassung und Ziel ... 1
2
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
3
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
...
82
3.10.1
Planmäßige mobile HWS - Systeme ... 82
3.10.2
Notfallmäßige HWS - Systeme ... 84
3.11
Einsatzrandbedingungen ... 86
4
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
5
Beurteilung der mobilen HWS - Systeme für urbane Gebiete ...103
5.1
Beurteilungskriterien...103
5.2
Kriterienmatrix ...107
Inhaltsverzeichnis
VIII
5.3
Vulnerabilitätskarte ...108
6
Zusammenfassung und Ausblick ...111
Tabellenverzeichnis...113
Abbildungsverzeichnis ...115
Literaturverzeichnis...121
Abkürzungsverzeichnis
IX
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
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
2
eine Anwendung bei pluvialen Hochwasserereignissen in urbanen Gebieten bewer-
tet.
2
Grundlagen
3
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
2
Grundlagen
4
- 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.
2
Grundlagen
5
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).
2
Grundlagen
6
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
2
Grundlagen
7
(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)
2
Grundlagen
8
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.
2
Grundlagen
9
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).
2
Grundlagen
10
Der Gesamtwasserabfluss Q berechnet sich somit nach folgender Formel:
=
Formel 2
...
...
ä
...
...
ä
2
Grundlagen
11
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
2
Grundlagen
12
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.
2
Grundlagen
13
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.
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Grundlagen
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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)
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Grundlagen
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- 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.
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Abbildung 8: Naturkatastrophen in den Jahren 1950 bis 2004. Die Ordinate stellt die Anzahl der
Ereignisse dar, die Abszisse beschreibt eine Zeitachse von 1950 bis 2004. © 2005 NatCatSER-
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.
© 2005 NatCatSERVICE, Geo Risks Research, Munich Re (Höppe, 2005)
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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.
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Grundlagen
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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
- Erscheinungsjahr
- 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
- Produktsicherheit
- Diplom.de
