Starkregen, Niederschlags-Abfluss und Überflutungsprävention durch Digitalisierung und 4.0-Ausrüstung

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Einleitung

Niederschlag und Starkregen werden als Folgen der Erderwärmung immer häufiger. Somit kommt es öfter zu Hochwassern und einer Verschärfung der dadurch auftretenden Folgen. Daher muss jede Kommune mindestens auf dem Stand der Technik vorsorgen (DWA M-119, 42). Gegen Starkregenereignisse muss Überflutungsschutz gemäß eigener Gefahrenlage betrieben werden. Damit mögliche Schäden geringgehalten werden können, ist Überflutungsprävention durch Digitalisierung und 4.0-Ausrüstung notwendig.

Abbildung 1 Hochwasser

Niederschlag

Über Niederschlag und Starkregen

Unter Niederschlag versteht man in der Meteorologie Wasser, inklusive dessen Verunreinigungen, welches aus Wolken in flüssiger oder fester Form, Nebel oder Dunst oder wasserdampfhaltiger Luft (Luftfeuchtigkeit) stammt und das infolge der Schwerkraft in flüssiger oder fester Form auf die Erde fällt oder vom Wind aufgewirbelt wird. Es entsteht ein Wasserkreislauf bei dem das Wasser aus dem Ozean und über dem Land verdunstet und als Wasserdampf in die Atmosphäre gelangt. Hier kondensiert der Wasserdampf und fällt als Regen, Hagel oder Schnee wieder auf die Landoberflächen oder das Meer zurück.


Abbildung 2 Darstellung des Wasserkreislaufes. Quelle: https://abwasserverband-matheide.de/wasserkreislauf

Niederschläge sind vom Deutschen Wetterdienst (DWD) in Kategorien eingeteilt. Deren mögliche Folgen und Einschränkungen können regional in Warnungen umgesetzt werden. Der DWD warnt deswegen vor Starkregen in 3 Stufen, wenn voraussichtlich die Schwellenwerte in Tabelle 3 überschritten werden:

Der Starkregenindex wurde im Merkblatt DWA-M 119 als geeignetes Hilfsmittel zur Risikokommunikation vorgeschlagen. Nutzen Sie den von der DWA entwickelten Vorschlag anhand des Starkregenindex:

  1. Entwässerungsanlagen werden üblicherweise mit Bemessungsregen der Stärke 1-3 bemessen (entspricht Starkregenstufe 2 des DWD – Deutscher Wetterdienst)
  2. Ein Überflutungsschutz wird für Indizes von 4-5 angestrebt (entspricht den maximalen Starkregenstufen 3 bzw. 4 des DWD)
  3. Für Indizes von 6-12 ist ein vollständiger Schutz weder technisch noch wirtschaftlich leistbar – vorsorgende Schadensbegrenzung steht hier im Vordergrund (vgl. DWA-M 119, S. 44)

Abbildung 3 Tabelle Starkregeneinstufungen des DWD.
Definition Starkregen:

Starkregen entsteht durch Konvektion. Das bedeutet feuchte, warme Luft steigt auf und kühlt sich dabei ab. Je stärker die Auf- und Abwinde und die konvektive Wolkenbildung, desto höher wird die Wolke und desto größer werden die Wassertropfen. Es gewittert mit starkem Regen, oft verbunden mit Sturm oder Hagel. Eine Abgrenzung von Starkregenereignissen erfolgt oft nach der Nieder­schlagsintensität in Abhängigkeit von der Niederschlagsdauer.

Eine Niederschlagsmenge wird dabei definiert als eine bestimmte Niederschlagssumme, die in einem gewissen Zeitraum gefallen ist. [z.B. l/min]. Eine Niederschlagshöhe in mm wiederum ist definiert als Niederschlagssumme pro Flächeneinheit [mm = l/m²]. Demnach entsprechen 10 mm Niederschlag 10 Litern pro m². Die Messung bezieht sich dabei auf eine ebene Fläche, da dort das Niederschlagswasser nicht versickern, verdunsten oder abfließen, kann. In Deutschland spricht man von Starkregen, wenn in 5 Minuten mehr als 5 Liter/m², in 10 Minuten mehr als 10 Liter/m² oder in einer Stunde mehr als 15 Liter/m² fallen. (siehe Tabelle 3). 

Der aktuelle Weltklimabericht warnt vor mehr Starkregen!

Nachrichten über eine nicht menschengemachte Erderwärmung gelten heute eher als wissenschaftliche Randmeldungen. Auswertungen des DWD zeigen, dass die Intensität von Niederschlagsereignissen im Winter um ca. 25 % zugenommen haben. Es deutet sich insgesamt eine stärkere Intensivierung der stärksten Ereignisse an. Mit hoher Wahrscheinlichkeit wird es in Zukunft häufigere und intensivere Starkregen geben.

1 Grad Erwärmung bedeutet 7 % mehr Starkregen!


Abbildung 4 Temperaturanomalie in Deutschland 1981-2019

Abbildung 5 Radarstatus Deutschland des DWD.
Erfassung von Niederschlag

Über mittlerweile 17 Radarstationen in ganz Deutschland kann Niederschlag genau erfasst werden. Moderne Verfahren über Niederschlagsradar von geostationären Satelliten aus, bringen genaue Werte und auch Prognosen. Gerade Prognosen sind nur über die Satellitenauswertungen möglich.


Abbildung 6 Regenmesser
Lösungen von HST

Eine Besonderheit stellt die Kombination und Vernetzung mit Niederschlagsdaten aus dem Niederschlagsportal NiRA.web dar. NiRA.web liefert aktuelle Informationen zum Niederschlag und der Niederschlagsprognose online über eine OPC UA-Schnittstelle direkt an andere Softwaresysteme. Smarte Maschinen wie HST-Wehre und –Drosseln agieren dann autonom und sorgen für den ersten Schutz. Die Prognosedaten dienen der vorbereitenden Entleerung von Wasserspeichern und der rechtzeitigen Entlastung z.B. in Poldern. NiRA.web verfügt über eine hohe Anzahl an digitalen Messpunkten und liefert damit verlässliche Daten zur Niederschlagserfassung. Im Portal NiRA.web kann eine integrierte 72-h-Niederschlagsprognosefunktion dazu eingesetzt werden, die Kanalnetzbewirtschaftung vorausschauend zu planen. Werden nun die Prognosedaten aus dem Portal NiRA.web mit historischen Daten kombiniert, kann auf Basis ermittelter Lastfallanalysen abgeschätzt werden, welche Drosseleinstellungen den optimalen Volumenrückhalt je nach erwarteter Niederschlagssituation sicherstellt. Mit der Auswertung dieser Information kann z. B. im Fall einer momentan drohenden Überlastung des Netzes ein besonders ausgerichtetes Szenario von Schieberstellungen empfohlen und durchgeführt werden. Darüber hinaus lässt sich der Starkregenindex im Webportal NiRA.web zu dokumentarischen Zwecken direkt integrieren. Eine Erklärung zu Datenbezug und -verarbeitung durch NiRA.web finden Sie HIER.


NiRA.web – Niederschlagsportal

Abbildung 9 In Oberhausen wurde eine intensive Bewirtschaftung mit NiRA.web erreicht.
Abbildung 9 In Oberhausen wurde eine intensive Bewirtschaftung mit NiRA.web erreicht.

Abbildung 8 NiRA.web arbeitet mit Radarmessung und Regenmessern in einem Netzwerk.
Abbildung 8 NiRA.web arbeitet mit Radarmessung und Regenmessern in einem Netzwerk.

Abbildung 7 NiRA.web liefert aktuelle Niederschlagsdaten und Prognosen.
Abbildung 7 NiRA.web liefert aktuelle Niederschlagsdaten und Prognosen.


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NiRA.web – Anwendungsgebiete
  • Hochwasserschutz
  • Kanalnetzbewirtschaftung
  • Kläranlagensteuerung
  • Talsperren Bewirtschaftung
  • Landwirtschaft
  • Katastrophenschutz
  • mobile Einsatzplanung
  • Kanalisationsbemessung

Abfluss aus Niederschlag

Über den Abfluss

In Gewässern:

Bei Gewässern, Mulden und Gräben spricht man von Oberflächenabfluss über Geländeflächen. Die Abflussmessungen und Abflusssteuerung in offenen Gerinnen erfolgen meist über die Pegel und die W-Q-Beziehung. Rückhalte- und Speicherbauwerke für Gewässerabfluss sind Regenrückhaltebecken (RRB), Hochwasserrückhaltebecken (HRB), Polder, Mulden-Rigolen und Sickerwasserspeicher.

Im Kanalnetz:

Im Kanalnetz erfolgt der Oberflächenabfluss über Dachflächen und Straßeneinläufe ins Kanalisationsnetz (Trenn-/Mischsystem). Abflussmessungen und -steuerungen erfolgen in teil- und vollgefüllten meist runden Rohrquerschnitten. Hier sind die Rückhalte- und Speicherbauwerke die Regenklärbecken (RKB) und Regenüberlaufbecken (RÜB´s).

Messung/Erfassung von Abflüssen

In offenen Gerinnen und Vorflutern

Die Messung von Abflüssen ist in offenen Gerinnen und Vorflutern eine Frage der hydraulischen Rahmenbedingungen und des Querschnitts. In Gewässern erfolgt die Messung über Pegel und durch Druckmessung, Ultraschall oder Radar. Geschwindigkeitsmessungen zur Durchflussbestimmung erfordern besondere Kompetenzen.

Abbildung 10-Messung von Abflüssen in offenen Gerinnen.
In teil- und vollgefüllten Rohrprofilen

In vollgefüllten Rohrprofilen ist eine Messung des Abflusses meist präzise möglich. Bei einer Teilfüllung des Rohrprofils erfordert eine Messung besonderes Knowhow und Kalibration.

Abbildung 11 Darstellung der Abflussmessung.

Lösungen von HST

Das System EMA (Elektronische-Mengen-Auswertung) bietet eine optimale Lösung zur exakten Erfassung und Auswertung von Überfallmengen, welche über feste Wehrschwellen entlasten. Für Abwasser und Abflüsse aus oder in Trenn- und Mischwasser und der Kanalisationen kann EMA an Überläufen und Wehrschwellen und Voll- und Teilfüllungsmessgeräten auf der Basis von MID, Radar oder Ultraschall genutzt werden.

Zur exakten Kalibrierung des Messsignals kann unter anderem ein digitaler Höhenbolzen genutzt werden. So ist eine genaue Überfallmessung möglich.

Abbildung 12 Anaconda
Abbildung 12 Anaconda
Abbildung 13 Hydormat HQ
Abbildung 13 Hydormat HQ
Abbildung 14 EMA
Abbildung 14 EMA
Abbildung 15 EMA für Voll- und Teilfüllungs Messgeräte.
Abbildung 15 EMA für Voll- und Teilfüllungs Messgeräte.
Abbildung 16 Digitaler Höhenbolzen
Abbildung 16 Digitaler Höhenbolzen

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Abbildung 17 SCADA.web Einsatz im Kanalsystem

Prävention

Information

Zur Prävention von Hochwasser muss in Baumaßnahmen und entsprechende Ausrüstung investiert werden. Dies kann beispielsweise der Bau von Rückhalte- und Speicherräumen in Form von Hochwasserrückhaltebecken oder Regenbecken sein. Niederschlagsdaten können zudem für Prognose und Warnungen vor Hochwasser genutzt werden.

Die Fließpfadkarte zeigt, wie der Fluss bei Starkregen über die Ufer tritt und die umliegenden Gebäude beschädigt. Solche Bilder können durch die Veränderung von Bewirtschaftung von Flussgebieten vermieden werden.

Abbildung 18 Fließpfadkarte eines Flusses bei dem übertreten der Ufer
Abbildung 18 Fließpfadkarte eines Flusses bei dem übertreten der Ufer
Abbildung 19 Starkregengefahrenkarte
Abbildung 19 Starkregengefahrenkarte

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Rückhaltung/Steuerung von Abflüssen

Ausrüstung für Hochwasserrückhaltebecken und Regenbecken

Hochwasserrückhaltebecken können unter anderem mit einem ASK-Wehr ausgerüstet werden. Das ASK-Wehr wird eingesetzt, um den Wasserspiegel ohne Fremdenergie und auch bei Rückstau exakt konstant zu halten. So ist es möglich, bei Überläufen von Stauanlagen auf Überströmungshöhen zu verzichten und Stauvolumen zuverlässig zu aktivieren. Aber auch Talsperren und Regenbecken können Einsatzgebiete des ASK-Wehrs sein.

Die Segmentwehre werden überall dort eingesetzt, wo es gilt, bei hohen Staudrücken Wassermengen genauer zu regulieren. Um den Abfluss aus Gewässern zu steuern können des weiteren auch die Torsions-Stauklappe oder das Stemmtor eingesetzt werden.

Bei der Ausrüstung von Regenbecken können ASA-Wehre, RSK/P-Klappen oder auch RSK-Twin Klappen von HST verwendet werden.

ASA-Wehre beispielsweise dienen vorwiegend als Kaskadenstau-, Spül- und Entlastungswehre. Sie aktivieren Speichervolumen, erzeugen Schwall und Sunk zur Kanalreinigung und stellen eine variable Überlaufkante an Trennbauwerken und Entlastungen bereit.

Abbildung 20 ASK-Wehr
Abbildung 20 ASK-Wehr
Abbildung 21 Segmentwehr
Abbildung 21 Segmentwehr
Abbildung 22 ASA-Wehr
Abbildung 22 ASA-Wehr

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Anwendungsbeispiel an Gewässern

In Bergisch Gladbach wurde als Maßnahme zum Schutz vor Hochwasser ein HRB errichtet. Das HRB wurde mit zwei ASK-Wehren, einem AWS-Rollenschütz, einem Segmentwehr und einem EMA-System ausgestattet.

Anwendungsbeispiel Kanalisation

Beim Hochwasserschutz in der Kanalisation geht es darum die zwei entscheidenden Faktoren

  • Kanalnetz in die Vorflut entleeren
  • Kanalnetz vor Rückstau aus der Vorflut sichern

zu kontrollieren und zu steuern. In Neuburg an der Donau wurde ein Hochwasser Pumpwerk mit einer RSK-Twin Klappe und einem ASK-Wehr ausgestattet.

Abbildung 24 Technische Zeichnung HRB Bergisch Gladbach
Abbildung 24 Technische Zeichnung HRB Bergisch Gladbach
Abbildung 25 ASK-Wehre in Bergisch Gladbach
Abbildung 25 ASK-Wehre in Bergisch Gladbach
Abbildung 26 HRB Bergisch Gladbach
Abbildung 26 HRB Bergisch Gladbach
Abbildung 27 HRB Bergisch Gladbach
Abbildung 27 HRB Bergisch Gladbach
Abbildung 23Technische Zeichnung HRB Bergisch Gladbach
Abbildung 23Technische Zeichnung HRB Bergisch Gladbach
Abbildung 28 Technische Zeichnung Hochwasser Pumpwerk Neuburg an der Donau
Abbildung 28 Technische Zeichnung Hochwasser Pumpwerk Neuburg an der Donau

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