Novel Method to Assess the Risk of Dam Failure †
Abstract
:Zusammenfassung
Eine neue, flexible, schnelle und preisgünstige Methode zur Risokobeurteilung von Dämmen wurde entwickelt und getestet, die auf Fallbeispielen in Schottland (Vereinigtes Königreich) und der Region Baden (Deutschland) basiert. Eine Datenbank von sechs verschiedenen Typen nachhaltiger Hochwasserrückhaltebecken (NHRB) mit unterschiedlichem Hochwasserrückhaltevermögen wurde entwickelt. Eine relativ hohe Anzahl von gegenwärtigen und ehemaligen großen Trinkwassertalsperren, die zur Hochwasserschutzkontolle verwandt werden könnten, befinden sich in Schottland. Zweckmäßig gebaute und relativ kleine NHRB, die hauptsächlich für den Hochwasserschutz verwendet werden, dominieren hingegen die Landschaft in Baden. Darüber hinaus wurden 13 von 149 NHRB kürzlich renoviert und seit 2006 wurden 11 neue NHRB gebaut. Sowohl die geschätzte Gefahr als auch das Risiko sind im Vergleich zu den Parametern, die für die Hochwasserschutzinfrastruktur in Schottland gefunden worden sind, klein. Die Studie untersucht ein zeitsparendes Instrument zur Beurteilung des Dammzustandes, der Dammbruchgefahr und des Dammbruchrisikos. Die meisten NHRB in Baden haben relativ geringe Werte bezüglich des Dammzustandes, hohe Werte für Dammbruchgefahr und niedrige Werte bezüglich des Dammbruchrisikos im Vergleich zu NHRB in Schottland. Die Ergebnisse zeigen, dass Baden im Hochwasserschutz vorne liegt und daher dem Klimawechsel besser angepasst ist.1. Einführung
- Klassifizierung von NHRB mit Dämmen in sechs Gruppen (NHRB Typen);
- Entwicklung einer schnellen und kostengünstigen Methode zur Identifizierung von Dammbruchgefahr und Dammbruchrisiko;
- Unterscheidung von verschiedenen Gefahren- und Risikostufen für verschiedene NHRB-Typen;
- Gewährleistung der weiten Anwendbarkeit der Methode durch das Prüfen von möglichst vielen internationalen Fallstudien;
- Untersuchung von NHRB-Datenbanken, um zu ermitteln, wieviele NHRB dem Klimawechsel schon angepasst wurden; und
- Beurteilung der räumlichen Variabilität bezüglich des Quotienten Dammbruchrisiko über Dammbruchgefahr.
2. Methodik
3. Aufarbeitung der Ergebnisse
- Der schottische Wasserversorger scheint den praktischen Hochwasserschutz derzeit nicht vorrangig zu behandeln.
- Schottische Gemeinden erhalten normalerweise nur wenig Zuschüsse für Hochwasserschutzmaßnahmen.
- Es gibt in Schottland eine verhältnismäßig geringe Anzahl von zweckgebundenen NHRB (3% verglichen mit 62%).
- Kein NHRB ist dort in der Regel trocken (0% verglichen mit 99%). Die meissten NHRB sind immer voll, and haben daher nur ein beschränktes Hochwasserrückhaltevolumen.
- Viele NHRB in Schottland werden nur selten renoviert (1% verglichen mit 9% in Baden).
4. Fazit und Vorschläge für weitere Forschungen
Typ | Name | Definition von NHRB Typ | Typische Beispiele | Gefahr/Risiko |
---|---|---|---|---|
1 | Hydraulisches Hochwasserrückhaltebecken (HHRB) | Bewirtschaftetes NHRB, welches hydraulisch (oder sogar automatisch) optimiert ist, und Sedimente kontrolliert anhäuft | Einige Trinkwassertalsperren; große zweckmäßige Hochwasserrückhaltebecken | Hohe Gefahr und niedriges Risiko |
2 | Traditionelles Hochwasserrückhaltebecken (THRB) | Ästhetisches Rückhaltebecken, welches für Hochwasserrückhaltung benötigt wird; nachhaltige Dränage ist möglich | Ehemalige Trinkwassertalsperre; traditionelles Hochwasserrückhaltebecken | Moderate Gefahr und moderates Risiko |
3 | Nachhaltiges Hochwasserrückhaltefeuchtgebiet (NHRF) | Ästhetisches Rückhaltebecken und Behandlungsfeuchtgebiet, welches für einen passiven Hochwasserschutz verwendet wird; nachhaltige Dränage ist möglich | Nachhaltige Dränageanlage (zum Beispiel ein Rückhaltebecken, Einstaubecken, großer Teich oder Feuchtgebiet) | Niedrige Gefahr und niedriges Risiko |
4 | Ästhetisches Hochwasserbehandlungsfeuchtgebiet (ÄHBF) | Behandlungsfeuchtgebiet für die Rückhaltung von verschmutztem Ablauf, welches ästhetisch in die Landschaft integriert ist; einige soziale Vorteile; Freizeitswertsteigerung | Einige moderne künstliche und integrierte Feuchtgebiete | Hohe Gefahr und niedriges Risiko |
5 | Integriertes Hochwasserrückhaltefeuchtgebiet (IHRF) | Integrierte Hochwasserrückhaltefeuchtgebiete für passive Behandlung von Ablauf; Förderung von Freizeitwerten | Künstliche Gewässer innerhalb von Parks oder in der Nähe von Straßen, welche klare Mehrzwecke haben (zum Beispiel: Wassersport und Angeln) | Hohe Gefahr und niedriges Risiko |
6 | Natürliches Hochwasserrückhaltefeuchtgebiet (NHRF) | Passive und natürliche Hochwasserrüchhaltebecken, welche möglicherweise Naturschutzgebiete werden könnten | Seen und Teiche (möglicherweise mit Zugangseinschränkung) | Moderate Gefahr und niedriges Risiko |
Dammzustand (%) | Dammbruchgefahr (%) | Dammbruchrisiko (%) | ||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Komponente | Obere Gewichtungsbeschreibung (Beispiel) | Untere Gewichtungsbeschreibung (Beispiel) | Komponente | Obere Gewichtungsbeschreibung (Beispiel) | Untere Gewichtungsbeschreibung (Beispiel) | Komponente | Obere Gewichtungsbeschreibung (Beispiel) | Untere Gewichtungsbeschreibung (Beispiel) |
Dammaufbau (30%) | Sehr guter Dammaufbau; sehr ordentlich; wahrscheinlich gute Bewirtschaftung durch einen Wasserverband oder eine Gemeinde (>80%) | Sehr schlechter Dammaufbau; Oberflächenriss e möglich; Sickerwasser gesichtet; Damm ist wahrscheinlich nicht mehr in Betrieb (<20%) | Kraft auf den Damm (30%) | Dammhöhe größer als 35 m; hohe permanente Wasserkraft; schlechte Konstruktion bezüglich des mineralischen Kernes, der Uferböschung oder der Grundabdichtung; Wasserwellenschaden; Verstopfung der Überlaufabdeckung wahrscheinlich (>80%) | Dammhöhe häufig kleiner als 18 m; sehr selten Druck auf den Damm (zum Beispiel: leere Talsperre); sehr gute Konstruktion (<20%) | Statisches Dammbruchrisiko (20%) | Sehr hoher Dammdruck; schlechte Unterhaltung; risikoreicher Betrieb; sehr dünner, hoher und langer Damm mit vielen potentiellen Schwachstellen (>80%) | Niedriger Druck auf den Damm; sehr gute Unterhaltung; sichere Struktur durch sehr weiten, flachen und kurzen Damm (<10%) |
Überlaufzustand (30%) | Normalerweise eine Hochwasserentlastungsanlage; verstärkte Grasssoden möglich; keine ungewollte Vegetation; gut gepflegt und unterhalten (>80%) | Kein kontrollierter Überlauf; fehlende Bausteine; Bauelement sollte repariert werden (<5%) | Mögliche Tote durch Sperrenbruch (35%) | Sehr großer Wasserkörper; sehr hohe permanente Bevölkerungsdichte im Einzugsbebiet unterhalb des Dammes; Personen kommen höchst wahrscheinlich ums Leben (>80%) | Sehr kleiner Wasserkörper; ländlicher Raum; nur wenige Menschen leben unterhalb des Dammes (<10%) | Risiko bezüglich Tote durch Sperrenbruch (50%) | Sehr hohe Bevölkerungsdichte; permanente Wohneinheiten; kein Sicherheits- und Evakuationsplan vorhanden (>80%) | Dünn besiedelt; niedriger Anteil an dauerhafter Bevölkerung; kleiner Damm; kein Sicherheitskonzept notwendig (<10%) |
Zustand der Wellenabfangmauer (20%) | Gut unterhaltene Wellenabfangmauer; Betonmauer, Steinmauer oder große Findlinge; keine ungewollte Vegetation (>90%) | Stellenweise Erosion des Erd-dammes; keine regelmäßige Unterhaltung; fehlende Bausteine (<10%) | Wichtigkeit der Infrastruktur unter Einfluβ eines Dammversagens (25%) | Wichtige Flugplätze, Bahnstrecken, Straßen und Brücken, Gasleitungen, Industriegebiete und Elektrizitätsversorgungsstationen sind sehr beinträchtigt; hoher Wasserverlust (>80%) | Signifikante ländliche Gebiete; keine wichtige Infrastruktur; nur einspurige Straßen sind beinflusst (<5%) | Infrastrukturschädigungsrisiko (20%) | Sehr dürftiger Hochwasserschutz; niedrige Seitenbefestigungen; nahe eines Wasserkörpers; sehr hohe Überflutungstiefe; keine Anpassung an den Klimawechsel offensichtlich (>80%) | Sehr gut vor Überflutung geschützt; Damm befindet sich im Gebirge; hohe Dammseiten; fern von anderen Gewässern; Niedrigwasser; voll an den Klimawechsel angepasst (<15%) |
Einfluss des Operationsvolumens (10%) | Stau- und Betriebsraumvolumen größer als 20 km3; großer Einfluß auf den Damm durch hohe und lang anhaltende Wasserkraft im Falle eines Dammdurchbruches (>80%) | Stau- und Betriebsraumvol u-men häufig kleiner als 0.5 km3; sehr selten mit Wasser gefüllt; wenig Druck auf den Damm (<20%) | Andere Faktoren, welche die Dammbruchgefahr beeinflussen könnten (10%) | Ernsthafte Erosion and Dammschäden; trübes Sickerwasser in Bohrlöchern; Bäume und Sträucher wachsen auf dem Damm (Gefahr auf Grund von interner Erosion); verstopfter oder beschädigter Überlauf (Gefahr des Überströmens); Schäden durch Nagetiere und Krustentiere; wichtiges Naturschutzgebiet unterhalb des Dammes (>80%) | Naturnaher Wasserkörper ohne offensichtliche Gefahrenquellen; öffentlicher Park (<10%) | Andere Faktoren, welche das Dammbruchrisiko beeinflussen könnten (10%) | Damm- und Seitenbefestigungsschäden besonders in feuchten Jahren wahrscheinlich; Risiko von schadstoffhaltigen Sedimentationsablagerungen in bevölkerungsreichen Gebieten; Kettenefekt bezüglich Dammbrüchen; Klimawechsel sorgt für unvorhersehbare meteorologische Ereignisse; hohes Zerstörungsrisiko durch Terrorismus, Sabotage und Erbeben (>80%) | Gute und sichere Unterhaltung; kein Risiko identifiziert (<10%) |
Andere Faktoren, welche den Dammzustand beeinflussen (10%) | Becken werden derzeit von einem Wasserverband verwaltet; Trinkwasserversorgungszweck und/oder Hochwasserschutznutzung (>85%) | Naturnaher Wasserkörper (See oder Feuchtgebiet); keine regelmäßige Unterhaltung (<10%) |
Land | Gruppe (NHRB Typ) | Statistische Parameter | Dammhöhe | Dammlänge | Speicherlängs-gefälle | Maximales Rückhaltevolumen | Jährlicher Regenfall | Einzugsgebietsgröβe | Mittlere Beckentiefe |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
m | m | % | Million m3 | mm/a | km2 | m | |||
Schottische Becken | Gruppe A (51 Becken; Typ 3) | Durchschnitt | 2,91 | 127,82 | 0,02 | 0,32 | 949,4 | 3,08 | 2,70 |
Mittlere Abweichung | 2,62 | 133,13 | 0,01 | 0,51 | 236,21 | 3,59 | 1,08 | ||
Zuversichtswert | 80,8 | 82,8 | 67,5 | 66,4 | 75,1 | 80,7 | 61,3 | ||
Gruppe B (130 Becken; Typ 2) | Durchschnitt | 9,64 | 259,62 | 0,02 | 1,96 | 1.102,8 | 8,16 | 5,70 | |
Mittlere Abweichung | 2,27 | 199,74 | 0,02 | 2,84 | 289,26 | 14,45 | 2,70 | ||
Zuversichtswert | 78,7 | 84,6 | 72,3 | 71,0 | 76,9 | 84,1 | 64,70 | ||
Gruppe C (15 Becken; Typ 5) | Durchschnitt | 30,16 | 318,50 | 0,08 | 20,57 | 1.039,30 | 38,58 | 15,10 | |
Mittlere Abweichung | 16,33 | 169,30 | 0,25 | 18,38 | 350,52 | 40,12 | 6,69 | ||
Zuversichtswert | 86,9 | 90,2 | 68,3 | 81,0 | 79,0 | 85,6 | 73,3 | ||
Gruppe D (1 Becken; Typ 6) | Durchschnitt | 32,1 | 240,0 | 1,0 | 5,1 | 900,0 | 74,0 | 25,0 | |
Zuversichtswert | 99,0 | 99,0 | 60,0 | 99,0 | 60,0 | 60,0 | 70,0 | ||
Total (197 Becken) | Durchschnitt | 9,4 | 229,4 | 0,0 | 3,0 | 1.057,8 | 11,4 | 5,5 | |
Mittlere Abweichung | 9,57 | 192,48 | 0,02 | 7,68 | 288,42 | 38,70 | 4,02 | ||
Zuversichtswert | 79,8 | 84,6 | 70,7 | 70,6 | 76,6 | 83,3 | 64,6 | ||
Badische Becken | Gruppe D (18 Becken; Typ 6) | Durchschnitt | 3,53 | 1.862,32 | 1,42 | 0,87 | 764,20 | 95,42 | 2,50 |
Mittlere Abweichung | 2,34 | 1801,12 | 2,43 | 1,34 | 78,55 | 130,14 | 1,94 | ||
Zuversichtswert | 74,3 | 74,7 | 56,1 | 66,5 | 68,3 | 50,8 | 51,7 | ||
Gruppe E (54 Becken; Typ 1) | Durchschnitt | 5,66 | 451,48 | 1,67 | 0,20 | 808,30 | 8,72 | 3,30 | |
Mittlere Abweichung | 3,23 | 852,50 | 1,16 | 0,39 | 80,61 | 12,72 | 1,83 | ||
Zuversichtswert | 70,7 | 71,8 | 56,5 | 66,7 | 74,3 | 61,6 | 53,6 | ||
Gruppe F (87 Becken; Typ 4) | Durchschnitt | 4,29 | 147,93 | 2,22 | 0,04 | 739,80 | 2,44 | 2,80 | |
Mittlere Abweichung | 2,60 | 251,56 | 2,22 | 0,14 | 74,47 | 3,77 | 1,52 | ||
Zuversichtswert | 74,9 | 74,0 | 62,3 | 64,6 | 79,7 | 61,8 | 60,6 | ||
Gruppe C (1 Becken; Typ 5) | Durchschnitt | 8,0 | 65,0 | 0,1 | 0,3 | 870,0 | 490,0 | 3,0 | |
Zuversichtswert | 80,0 | 98,0 | 70,0 | 70,0 | 80,0 | 80,0 | 75,0 | ||
Total (160 Becken) | Durchschnitt | 4,8 | 455,1 | 1,9 | 0,2 | 766,0 | 13,0 | 3,1 | |
Mittlere Abweichung | 3,60 | 965,05 | 1,97 | 0,69 | 83,03 | 38,08 | 2,43 | ||
Zuversichtswert | 73,5 | 73,5 | 59,6 | 65,7 | 76,4 | 60,2 | 57,3 |
Land | Gruppe (NHRB Typ) | Statistische Parameter | Dammzustand % | Dammbruchgefahr % | Dammbruchrisiko % |
---|---|---|---|---|---|
Schottische Becken | Gruppe A (51 Becken; Typ 3) | Durchschnitt | 55,4 | 2,6 | 4,4 |
Mittlere Abweichung | 17,47 | 3,48 | 3,35 | ||
Zuversichtswert | 62,2 | 71,1 | 63,3 | ||
Gruppe B (130 Becken; Typ 2) | Durchschnitt | 77,7 | 8,6 | 6,3 | |
Mittlere Abweichung | 7,40 | 11,67 | 3,80 | ||
Zuversichtswert | 66,0 | 67,2 | 60,3 | ||
Gruppe C (15 Becken; Typ 5) | Durchschnitt | 88,7 | 21,6 | 4,9 | |
Mittlere Abweichung | 8,44 | 16,70 | 3,43 | ||
Zuversichtswert | 76,9 | 67,0 | 66,3 | ||
Gruppe D (1 Becken; Typ 6) | Durchschnitt | 85,9 | 1,8 | 8,5 | |
Zuversichtswert | 61,8 | 60,0 | 55,6 | ||
Total (197 Becken) | Durchschnitt | 72,8 | 8,0 | 5,7 | |
Mittlere Abweichung | 15,35 | 11,57 | 3,74 | ||
Zuversichtswert | 68,3 | 68,3 | 63,1 | ||
Badische Becken | Gruppe D (18 Becken; Typ 6) | Durchschnitt | 51,7 | 11,9 | 2,6 |
Mittlere Abweichung | 16,38 | 12,15 | 2,55 | ||
Zuversichtswert | 64,2 | 56,4 | 61,1 | ||
Gruppe E (54 Becken; Typ 1) | Durchschnitt | 52,3 | 18,3 | 2,4 | |
Mittlere Abweichung | 11,64 | 11,87 | 1,46 | ||
Zuversichtswert | 63,2 | 56,1 | 59,4 | ||
Gruppe F (87 Becken; Typ 4) | Durchschnitt | 46,7 | 12,7 | 2,5 | |
Mittlere Abweichung | 11,46 | 9,93 | 2,06 | ||
Zuversichtswert | 66,4 | 59,7 | 63,7 | ||
Gruppe C (1 Becken; Typ 5) | Durchschnitt | 78,0 | 26,1 | 2,4 | |
Zuversichtswert | 65,0 | 60,0 | 70,0 | ||
Total (160 Becken) | Durchschnitt | 49,1 | 14,6 | 2,4 | |
Mittlere Abweichung | 12,28 | 11,15 | 1,87 | ||
Zuversichtswert | 64,6 | 57,5 | 61,3 |
Acknowledgments
Literatur
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- †The full text of this article is in German.
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Scholz, M.; Yang, Q. Novel Method to Assess the Risk of Dam Failure. Sustainability 2011, 3, 2200-2216. https://doi.org/10.3390/su3112200
Scholz M, Yang Q. Novel Method to Assess the Risk of Dam Failure. Sustainability. 2011; 3(11):2200-2216. https://doi.org/10.3390/su3112200
Chicago/Turabian StyleScholz, Miklas, and Qinli Yang. 2011. "Novel Method to Assess the Risk of Dam Failure" Sustainability 3, no. 11: 2200-2216. https://doi.org/10.3390/su3112200