Starkregen nach Dürre, Niederschlag-Abfluss und Überflutungsprävention durch Digitalisierung und 4.0-Ausrüstung
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.
Niederschlag
Über Niederschlag und 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:
- Entwässerungsanlagen werden üblicherweise mit Bemessungsregen der Stärke 1-3 bemessen (entspricht Starkregenstufe 2 des DWD – Deutscher Wetterdienst)
- Ein Überflutungsschutz wird für Indizes von 4-5 angestrebt (entspricht den maximalen Starkregenstufen 3 bzw. 4 des DWD)
- 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)
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!
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.
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 – 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 hingegen wird die Abflussmessung und -steuerung über teil- und vollgefüllte Rohrquerschnitte durchgeführt. Diese werden für die optimale Stauraumnutzung mit elektrisch betriebenen Maschinen wie dem Alligator oder der Anaconda automatisch gemessen, gesteuert und geregelt. 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.
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.
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. An Überläufen im Kanalnetz werden durch Elektronische-Mengen-Auswertung (EMA) Daten in der Regel mit Radar, Ultraschall oder hydrostatisch erfasst und automatisch in erforderliche Dokumentationen und Berichte übertragen.
Zur exakten Kalibrierung des Messsignals kann unter anderem ein digitaler Höhenbolzen genutzt werden. So ist eine genaue Überfallmessung möglich.
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.
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.
Anwendungsbeispiel an Gewässern
Zum Schutz vor Hochwasser wurde als Maßnahme 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.
