Einleitung

Starkregen hat in den vergangenen Wochen zu menschlichen und wirtschaftlichen Tragödien geführt. Im Gegensatz zu Fluss- und Küstenhochwasser, können Starkregenereignisse kurzer Dauer und daraus resultierende Überflutungen laut Deutschem Wetterdienst überall auftreten. Der Weltklimarat ging bereits 2014 davon aus, dass extreme Niederschlagsereignisse in Europa bis zum Ende des Jahrhunderts weiter zunehmen werden. Daher muss sich jeder daran anpassen und mindestens auf dem Stand der Technik vorsorgen. „Mit der Charakterisierung der Überflutungsvorsorge als kommunale Gemeinschaftsaufgabe liegt die Gesamtverantwortung für das „notwendige Handeln“ bei den Kommunen und ihren kommunalpolitischen Entscheidungsträgern (Bürgermeister, kommunale Parlamente)“ (DWA M-119, 42). Gegen Starkregenereignisse muss jede Kommune Hochwasserschutzmaßnahmen gemäß Risikobewertung und eigener Gefahrenlage vorsehen.
HST rüstet Bauwerke in unterschiedlichen wasserwirtschaftlichen Bereichen aus: Talsperren und Flusspegelmonitoring, Poldersysteme und Hochwasserrückhaltebecken sowie im Kanalbereich, von Einzelbauwerken bis zu Kanalsystemen. Durch lokale und regionale Verknüpfung der Lösungen mit 4.0-Netzbewirtschaftung wird der Hochwasserschutz erheblich gesteigert.

Abbildung 1
Abbildung 2
Abbildung 3
Abbildung 4

DWA-Starkregenindex

Die Überflutungsvorsorge ist Bestandteil der kommunalen Gemeinschaftsaufgabe und die Gesamtverantwortung bzw. eindeutige Zuordnung der Zuständigkeiten liegt bei den Kommunen. Ausgangspunkt für eine Risikokommunikation ist eine für alle relevanten Zielgruppen verständliche Beschreibung von Starkregen.

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 5 Entstehung von Hochwasser
Abbildung 6 Starkregenindex ortsunabhängige Darstellung des DWA.

„Für die Zuordnung in den Punkten 2 und 3 kann an besondere örtliche Gegebenheiten und Überflutungsrisiken angepasst werden (Siehe Abbildung 1). Für die Zahlenmäßige Bewertung des Überflutungsschutzes und die Bewertung von Maßnahmen zu dessen Verbesserung sind stets ortsbezogene Werte der Starkregenstatistik zu verwenden“ (DWA-M 119, S. 44). Treffen Starkregenniederschlagsmengen auf ortbezogene Begebenheiten wie starkes Gefälle können kleine Wassermengen zu Überflutung führen.
Für die Starkregenereignisse im Juli 2021 in Deutschland bewirken Maßnahmen graduell Schadensbegrenzung. Während der durchschnittliche Wert in Deutschland bei 90l/m2 im Monat Juli liegt – das sind durchschnittlich 3l/m2 am Tag – kamen örtlich in der 28. KW 2021 teilweise mehr als 150l/m2 an einem Tag zusammen. Das entspricht der 50fachen Regenmenge! Somit wurde der HQ1000 von dem Starkregen örtlich bei weitem übertroffen

Abbildung 7 Karte der Starkregenwarnungen in Deutschland Juli 2021.
Abbildung 8 Niederschlagsdaten aus NiRA.web zum Starkregen im Juli 2021
Abbildung 9 Starkregenindex beispielhaft an der Stadt Jena

Eine Starkregenwarnung ist immer eine Kombination aus einer Starkregenvorhersage und Anforderungen aus der Anwendung, für die die Warnung erstellt wird. Anwendungen können dabei vielfältig sein und reichen von Freiluftveranstaltungen über Kläranlagen- und Kanalnetzsteuerungen bis zu Überflutungswarnungen. Die Vorhersage ist eine meteorologische Berechnung, die dann für die Warnung mit den Anforderungen aus der Anwendung verknüpft wird. Die Anforderungen aus der Anwendung definieren auch, wie wichtig es ist, alle auftretenden Ereignisse zu bewarnen (eventuell zu häufig zu warnen), und wie viele Fehlalarme zulässig sind.

Eine Vorhersage konnte bisher zum einen aus Radardaten durch Nowcasting (Vorhersage der Zugbahn von Niederschlagszellen unter Nutzung von Bilderkennungsmethoden) oder aus der numerischen Wettervorhersage (z.B.ICON-D2) erstellt werden. Die radarbasierten Nowcasts werden alle fünf Minuten mit neuen Messdaten aktualisiert und können dadurch die Niederschläge einer Starkregenzelle zeitnah wesentlich besser vorhersagen als numerische Wettervorhersagen, die alle drei Stunden aktualisiert werden. Andererseits liefern sie nur bis ungefähr drei Stunden in die Zukunft verwertbare Vorhersagen. Die optimale Vorhersage für die Starkregenwarnung kombiniert daher Nowcasts und numerische Wettervorhersagen.

Abbildung 10 Radarkomposit, Fehlalarmquote und Zuordnungsmatrix. Quelle: hydro & meteo GmbH & Co. KG
Abbildung 10.1 links: Radarkomposit für Norddeutschland aus den Radarstandorten Borkum, Boostedt, Rostock und Hannover
Abbildung 10.2 oben rechts: Trefferwahrscheinlichkeit (hit rate) und Fehlalarmquote (false alarm ratio) von altem Verfahren (schwarz) und neuem Ver- fahren (blau/rot)
Abbildung 10.3 unten rechts: Zuordnungsmatrix der Warnstufen des LSBG

Die Radarbasisdaten für das Nowcasting sind hier beispielsweise Radardaten der Standorte Borkum, Boostedt, Rostock und Hannover, die alle 5 Minuten vorliegen, korrigiert werden und auf ein 1 x 1 km-Raster als sogenanntes Komposit umgerechnet werden. Das Radarkomposit (siehe Abbildung 10.1 links oben) wird anschließend mit Hilfe der über 400 stündlichen Niederschlagsstationen des Deutschen Wetterdienstes angeeicht, so dass die resultierenden Radarmessdaten an den Standorten der Regenschreiber mit den Stationswerten übereinstimmen.

An neuraligischen Punkten sollten zur Präszision autarke, singuläre Starkregenmesssysteme wie 25square zum Einsatz kommen. Ein 25square® Messnetz besteht aus mindestens vier Messstellen im Umfeld eines zu überwachenden, neuralgischen Punkts, wie beispielsweise eines Regenrückhaltebeckens in einer Tallage. Die kostengünstige Intensitätsmessung des Niederschlags erlaubt es, derartige Ereignisse zeitnah auf lokaler Ebene zu erkennen und diese Information in ein SCADA-System einzubinden. Die Bauwerkssteuerung kann somit entsprechend angepasst werden.

Abbildung 11 25square zur kostengünstigen Intensitätsmessung von Niederschlag an neuralgischen Stellen

Als Ergebnis des BMBF-Projekts StucK (Förderkennzeichen 033W031) wird ein Ensemble von Radarnowcasts mit 10 Ensemblevorhersagen erstellt. Ein Ensemble (d.h. verschiedene, gleich wahrscheinliche Vorhersagen) entsteht dabei durch Variation der Parameter Zuggeschwindigkeit, Zugrichtung und Intensität (Tessendorf & Einfalt, 2012). Diese werden mit den 20 Ensembles von ICON-D2-EPS (Baldauf et al., 2018) kombiniert („blending“). So entstehen 20 neue Ensemble-Members, die den Vorhersagezeitraum von fünf Minuten bis 27 Stunden abdecken, und alle fünf Minuten aktualisiert werden. Bei richtiger Konfigurierung kann die zutreffende Situation vorhergesagt werden.

Die Nutzung dieser Ensemblevorhersagen wurde für die Warnung an den hamburgischen Binnengewässern untersucht, für die der Landesbetrieb Straßen, Brücken und Gewässer (LSBG) ein Warnsystem betreibt (www.wabiha.de). Für die Warnung für die hamburgischen Binnengewässer wurde festgelegt, dass diese sich an der höchsten Niederschlagsvorhersage aus allen Ensembles orientiert. Dieser Wert wird dann als maximal zu erwartender Niederschlag genutzt, um mit den aktuellen Pegelständen verglichen zu werden und daraus eine Gesamtwarnung je Pegel zu berechnen. Diese folgt einer Zuordnungsmatrix, die aus Erfahrungswerten des LSBG hergeleitet wurde (siehe Abbildung 10.3 unten rechts).

Die so erzeugte Warnung ist deutlich besser als die bisher verwendete Warnung, die allein auf ICON-D2 beruhte. Für den Sommer 2017 wurde eine Auswertung von Vorhersagen auf Basis der ICON-DE- Daten und ICON-DE-EPS in Kombination mit den Nowcast-Ensembles durchgeführt, die dieses bestätigte (Jasper-Tönnies et al., 2017).

Während der Anteil der Fehlalarme (false alarm ratio) etwa gleich hoch ausfällt wie bei den mit ICON-D2 erzeugten Warnungen, kann die Trefferwahrscheinlichkeit (hit rate) erhöht und für einen längeren Vorhersagezeitraum auf einem hohen Niveau gehalten werden (siehe Abbildung 10.2 rechts oben): Während vorher die Schwelle von 50% Trefferwahrscheinlichkeit nach vier Stunden unterschritten wurde, sind es mit dem neuen Verfahren über 12 Stunden.

Das neue Warnsystem befand sich seit Sommer 2018 operationell im Testbetrieb und wurde 2019 in den Standardbetrieb des LSBG Hamburg überführt. Die Vorhersagedaten stehen aktuell für ganz Norddeutschland zur Verfügung. Die vorgestellten Verfahren sind auf alle Standorte in Deutschland übertragbar. Diese Verfahren werden in dem Portal NiRA.web®  verknüpft. Für Einzugsgebiete der Kunden von HST wird so das verbesserte Starkregenvorhersagemodell ebenfalls verfügbar. Eine einfache Erklärung wie NiRA.web Daten bezieht und verarbeitet, wird in DIESEM VIDEO dargestellt.

Bemessung hydrologischer Extreme

Als Erweiterung zum KOSTRA erlaubt es Taranis® Bemessungen besser auf hydrologische Extreme, wie Starkregen und Dürre, anzupassen. Somit wird eine verbesserte Datenlage sowie die vom HKC empfohlene statistische Grundlage auf Basis einer cGEV Verteilung erreicht. Die Integration von Taranis® in NiRA.web®ist somit eine perfekte Ergänzung für extreme Wetterdaten

4.0-Ausrüstung

HST hat in den letzten Jahren eine größere Anzahl von Hochwasserrückhaltebecken (HRB) wie zum Beispiel in Görisried, Röthenbach, Waibstadt, Burlauer, Eldern, Dirlewang, Engetried usw. komplett mit Wehranlagen für die Hochwasser-Entlastung, Schützen für den Grundablass und Betriebsauslass und der zugehörigen EMSR mit Automatisierungstechnik und Kameras, SCADA für die Anlagenüberwachung und dem elektronischen Talsperrenbuch KANiO gem. DIN 19700 für den späteren Betrieb ausgerüstet und faktisch einen Standard für die technische Ausrüstung geschaffen.

Abbildung 15 Görisried PLS

In Dirlewang wurde dieser Standard für die technische Ausrüstung von Querbauwerken ebenfalls umgesetzt: Die HRBs wurden komplett mit Wehranlagen, Schützen und der zugehörigen EMSR mit Automatisierungstechnik und SCADA ausgerüstet.

Vorweg erfolgte eine umfangreiche und erfolgreiche Sicherheitsprüfung gem. Risikoanalyse nach DIN 19700-11 gemeinsam mit den zuständigen Behörden. Als Ergebnis der Risiko-Betrachtung wurde letztlich festgestellt, dass das schon mehrfach bewährte HST-Hochwasserentlastungsset bei HRB-Hochwasserentlastungen kein Risiko beinhaltet und dem Stand der Technik sowie der Sicherheit entspricht, wiedergibt und zukunftssicher angelegt ist.

Das kompakte 2-strassige System im Querbauwerk besteht aus:

  • den Schützen für den Grundablass und den Betriebsauslass
  • den schwimmergesteuerten Klappen-Wehren (ASK-Wehre Abbildung 17 und 18) für die Hochwasserentlastung Notentlastung
  • der EMSR-Technik (Abbildung 19), einschl. Automatisierung und den Entlastungsmessungen EMA- α(Bild)
  • der Prozessleittechnik SCADA V10 zur Anlagenüberwachung und Dokumentation (Abbildung 20)
  • dem elektronischen Talsperrenbuch KANiO (Abbildung 21 und 22) gem. DIN 19700 für die Organisation und die Dokumentation des späteren Betriebs.

Bei aktuellen Planungen von Hochwasserrückhaltebecken, kurz HRBs, müssen diese Erfahrungen von verantwortlichen Planern berücksichtigt werden, um Funktionssicherheit und Wirtschaftlichkeit auf höchstem Niveau umzusetzen

Abbildung 16 Grundriss Damm und Wehrklappen Dirlewang

Neben Hochwasserrückhaltebecken dienen weitere Bauwerke, die seit Jahren mit HST-Technologie ausgestattet werden dem Überflutungsschutz. Dazu zählen

  • Polderanlagen an großen Flüssen
  • Pegelkontrollsysteme
  • Talsperren
  • Kanalnetze

Den wesentlichen Ausschlag gibt die intelligente Netzbewirtschaftung.

Abbildung 22 SCADA V10 zur Anlagenüberwachung

4.0-Netzbewirtschaftung zur optimalen Stauraumnutzung

Hochwasserereignisse infolge von Starkregen werden in Deutschland immer häufiger. Verschlimmert wird die Situation auch deshalb, weil die Kanalisation auch bei mittleren Starkniederschlagsmengen (1-5 Mal pro Jahr) die auftretenden Abflüsse nicht mehr aufnehmen kann. Im kommunalen Kanalnetz ist wesentlicher Stauraum vorhanden, der durch intelligente Netzbewirtschaftung aktiviert werden kann. Schäden, die in den Starkregenindexstufen größer 3 entstehen können, werden so abgewehrt bzw. minimiert. 

Im Zentrum zukünftiger Maßnahmen steht daher die optimale Nutzung des bestehenden Kanalnetzvolumens durch eine intelligente Datenerfassung und Kanalnetzsteuerung. Hierzu gehen aus dem Arbeitsblatt DWA-A 102-1/BWK-A 3-1 ausdrückliche Empfehlungen für Grundsätze zur Bewirtschaftung und Behandlung von Regenwetterabflüssen zur Einleitung in Oberflächengewässer hervor.

Abbildung 23 Idealzustand des kanalnahen Gewässers, auch nach einem Starkregen.

Viele Städte und Kommunen wurden in den letzten Jahren von außergewöhnlichen Starkregenereignissen heimgesucht. Oft mussten ganze Straßenzüge gesperrt werden, da die Kanäle die Wassermassen nicht mehr fassen konnten. Auch Gullis wurden von dem Wasser hochgedrückt und es kam zu Überflutungen.

Aus diesen Anlässen überprüfen Kommunen und Städte zunehmend die bestehenden Kanalnetze auf ihre Rückhaltekapazitäten. Mehr und mehr stellt sich heraus, dass neben der Erweiterung der Kanaldurchmesser oder dem Bau neuer Speicherbecken insbesondere der Einsatz intelligenter Kanalnetzsteuerungen wirksame Maßnahmen darstellen, um das Rückhaltevolumen optimal auszunutzen und damit negative Auswirkungen von Starkregenereignissen zu reduzieren.

Abbildung 24 Pegelstände aus SCADA.web
Maßnahmenstart an neuralgischer Stelle

Am Beispiel einer betroffenen Großstadt lassen sich die Ausmaße und die damit verbundenen Maßnahmen aufzeigen. Es handelt sich um ein Einzugsgebiet von rd. 52 km2 Größe mit einer Kanalnetzlänge von rd.. 550 km und rd. 14.500 Haltungen. Besonders von Starkregen betroffen war in den letzten Jahren der Mischwassernetzabschnitt mit einer Einzugsgebietsgröße von ca. 192 ha. Wasser aus überlaufenden Schächten hat infolge des Abflusses über die Straße beispielsweise in tiefer gelegenen bebauten Bereichen zu Schäden an städtischen Bauwerken geführt. Daher entschieden sich die Wirtschaftsbetriebe, in diesem Stadtteil eine intelligente Kanalnetzsteuerung vorzusehen.

Kombination aus intelligenter Verfahrenstechnik und innovativer Steuerung erhöhen das Rückhaltevolumen

Geeignete Maßnahmen aus intelligenter Verfahrenstechnik und innovativer Steuerung führen dazu, dass jetzt fast das gesamte Rückstauvolumen ausgenutzt wird, bevor ein Überstau im Hauptsammler auftritt. An fünf Stellen des Netzes sollen spezielle Drosselsysteme installiert werden und mittels Messung des Wasserstandes und des Durchflusses im Kanal so geregelt, dass die oben genannte Zielsetzung bestmöglich erreicht wird. Insbesondere ist dabei auch das zentrale Abflusshindernis, der Wasserstand des Hauptkanals, zu erfassen und in der Gesamtsteuerung als Stellgröße zu berücksichtigen.

Wichtig: Verbundregelung

Simulationsrechnungen machen deutlich, dass vergleichbare historische Niederschläge mit gering abweichenden Niederschlagskennwerten wie höhere Niederschlagsintensitäten, längeren Niederschlagsdauern und auch größeren Ereignissummen zu überstauenden Schächten an den Schwachstellen des Netzes führen. Die Analyse eines statischen Drosselsystems mit den hydraulischen Verhältnissen zeigt bereits eine nicht gleichmäßige Ausnutzung der vorhandenen Rückhalteräume. Somit kann die Grundannahme bestätigt werden, dass nur eine (dynamische) Verbundregelung intelligenter Stellorgane auf Basis von Messwerten die unterschiedlichen hydraulischen Gegebenheiten des Netzes ausreichend zur Zielerfüllung berücksichtigt werden kann.

Digitalisierung erhöht Bewirtschaftungsflexibilität, die Sicherheit und spart Baukosten

Die Berechnungsergebnisse zeigten bereits, dass alle fünf vorhandenen Rückhalteräume zum bestmöglichen Schutz vor Überflutung bei Starkregenereignissen benötigt werden. Ziel der neuen Steuerung ist es nun, den Abfluss in den oben liegenden Kanalabschnitten zu einem möglichst frühen Zeitpunkt durch entsprechende Schieberstellungen deutlich zu vermindern. Eine sich sonst aufbauende und durchlaufende Welle der Spitzen des Kanalabflusses muss dadurch gebrochen bzw. zwischengespeichert werden. Entsprechende Sensoren und Aktoren liefern dazu die benötigten Informationen und die daraus abgeleiteten Aktionen zum Öffnen und Schließen der Drosselaggregate. So wird eine deutliche Verbesserung der Niederschlagsbelastung erreicht.

Die Ergebnisse stützen sich auf historische Niederschlagsdaten. Da über eine hohe Anzahl an digitalen Messpunkten des Niederschlagsportals NiRA.web® verfügt wird, und damit eine verlässliche Niederschlagserfassung vorliegt, kann die im Portal NiRA.web® integrierte 72-h-Niederschlagsprognosefunktion auch für eine vorausschauende Kanalnetzbewirtschaftung eingesetzt werden. 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. Diese Schieberstellung kann zu einem Wasseraustritt an weniger kritischen Stellen des Kanalnetzes führen, um Kapazitäten in den Speicherräumen des Kanalnetzes für das zukünftige vorhergesagte Niederschlagsereignis zu schaffen und gleichzeitig Wasseraustritte an kritischen Stellen zu verhindern. Zudem kann mit der Vernetzung der Vorhersage durch NiRA.web®und den Informationen des Leitsystems ein Warnsystem basierend auf dem Starregenindex aufgebaut werden. Die Warnung kann zum Beispiel zum automatisierten Schließen von Dammtoren vor Tiefgaragen genutzt werden und bedeutet bei extremen Wetterereignissen eine besondere Sicherheit zum Schutz vor auftretendem Starkregen. Die Kommunikationssysteme zum Bevölkerungsschutz (Sirenen, Lautsprecherdurchsagen, Cell-Broadcasting) bei Starkregenereignissen ab Stufe 6 können ebenfalls aktiviert werden.

Abbildung 25 Darstellung der Talsperren, Stauweiher und HRBs mit KANiO
4.0-Netzbewirtschaftung zur Stauraumoptimierung

Um die vorhandenen Stauräume besser auszunutzen, bedarf es Informationen zum Niederschlagsabflussgeschehen. Diese liefern SCADA-Systeme durch aufgezeichneten Füllstands- und Durchflussdaten. Für ein ganzheitliches Bewirtschaften sind zusätzlich Niederschlagsdaten erforderlich, welche durch das Niederschlagsportal NiRA.web zur Verfügung gestellt werden. Die historischen, aktuellen und prognostischen Füllstands-, Abfluss- und Niederschlagsdaten werden dann im Bewirtschaftungs-System IntelliNet verarbeitet. Das ermöglicht eine situativ einstellbare Abfluss-, Steuer- und Regeleinrichtung. Ziel ist, vorhandene Stauräume bei unterschiedlichen Ereignissen optimal auszunutzen und Einleitungen in Gewässer damit zu reduzieren.

Abbildung 26 NiRA.web Übersicht
Weiterführende Informationen

Literatur: Baldauf, M., Gebhardt, C., Theis, S., Ritter, B. & Schraff, C. (2018). Beschreibung des operationellen Kurzfristvorhersagemodell   ICON-D2 und ICON-D2-EPS und seiner Ausgabe in die Datenbanken des DWD.

Jasper-Tönnies, A., Hellmers, S., Einfalt, T., Strehz, A. & Fröhle, P. (2017). Ensembles of radar nowcasts and ICON-DE-EPS for urban flood ma- nagement. Water Science and Technology, 2017(1), 27–35. Tessendorf, A. & Einfalt, T. (2012). Ensemble radar nowcasts-a multi-method approach. Inter- national Association of Hydrological Sciences Publications, 351, 305–310.

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