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
Die Europäische Gemeinschaft hat die Hochwasserrichtlinie 2007/60 EC [1] eingeführt, welche vorsieht, dass alle Mitgliedsstaaten nachhaltige Hochwasserrisikopläne erstellen. Die schottische Regierung hat daher den Flood Risk Management (Scotland) Act 2009 [2] erlassen. Dieses Gesetz ergänzt den Reservoirs Act 1975 [3]. Betreiber von Talsperren, die mehr als 10000 m3 Kapazität haben, sollen in Zukunft stärker reguliert werden. In Deutschland hat man das Konzept von Risikobeurteilung schon wesentlich früher erkannt und in deutsche Maßstäbe eingearbeitet [4].
Die Benutzung des Begriffes Nachhaltiges Hochwasserrückhaltebecken (NHRB) ist relativ neu (2006) und lehnt sich an den englischen Begriff Sustainable Flood Retention Basin (SFRB) an, der von der Forschungsgruppe der Autoren [5,6] geprägt wurde, an. Ein NHRB ist als ein künstlicher oder natürlicher Wasserkörper (z.B. Talsperre oder Feuchtgebiet) definiert, welches eine direkte oder mögliche Rolle im Hochwasser- und Umweltschutz hat. Diese Schutzfunktionen können kostengünstig durch umweltfreundliche Unterhaltungspläne, welche nachhaltige Dränage, Verschmutzungsreduktion, Artenvielfaltsteigerung und Freizeitwertsteigerung fördern, erreicht werden. Dies ist eine neue und holistische Definition, die nicht mit den deutschen Definitionen für Begriffe wie Talsperre oder Hochwasserrückhaltebecken verwechselt werden sollte.
Die Europäische Gemeinschaft unterstützt Mitgliedsstaaten bei regionalen und länderübergreifenden Förderungsprogrammen wie der Strategic Alliance for Water Management Actions (SAWA) [7]. Ein wichtiges Ziel von SAWA ist es, neue und holistische Richtlinien für die Entwicklung von Maßnahmen und Konzepten wie die NHRB zu erstellen.
Mehr Regenfälle im Frühling und Sommer aufgrund des Klimawechsel werden zu mehr Abfluss in Teilen von Großbritannien und Deutschland führen. Höhere Wasserspiegel in Rückhaltebecken und daher mehr Druck auf die Dämme werden erwartet. Das unkontrollierte Brechen von Dämmen aufgrund von extremen Naturereignissen kann zu Überflutungen und Umweltverschmutzungen führen. Dies kann katastrophale Folgen wie Todesfälle und Infrastrukturschäden haben [7–9]. Es ist daher notwendig, eine schnelle Methode zur Beurteilung des Dammbruchrisikos für zahlreiche Wasserkörper zu entwickeln.
Der Hauptzweck dieses Forschungsartikels besteht darin, eine holistische, schnelle und kostengünstige Methode zur Beurteilung von Dammbruchrisiken bei NHRB vorzustellen. Die folgenden Punkte sind damit verbundene Nebenzwecke:
- 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.
Diese Arbeit beruht auf internationalen Erfahrungen und sollte als eine holistische Ergänzung zu der deutschen Sichtweise [10] von Hochwasser- und Umweltschutz angesehen werden. Die vorgestellte Methode beschränkt sich daher nicht auf hydrologische und hydraulische Parameter, deren genaue Ermittlung häufig sehr kostspielig und in der Praxis schwer ausführbar ist. Darüberhinaus schlagen die Autoren keinesfalls vor, nützliche Normen (zum Beispiel die DIN 4,048 für Hochwasserrückhaltebecken oder die DIN 19,700 für Stauanlagen) vollständig zu ersetzen.
2. Methodik
In Schottland wurden 199 NHRB identifiziert (Abbildung 1). Im Vergleich dazu wurden 165 NHRB in Baden aufgenommen (Abbildung 2). Diese Abbildungen geben einen guten Überblick über die große räumliche Verteilung der Becken. Die Beurteilungen beruhten auf einer Literaturstudie und einer Ortsbegehung. Die Literaturstudie in Schottland beruft sich weitgehend auf die Quellen [11–15]. Informationen bezüglich der badischen Fallstudien wurden durch zahlreiche Gemeinden und Wasserverbände geliefert.
Abbildung 1.
Studiengebiet, administrative Grenzen und die 199 Nachhaltigen Hochwasserrückhaltebecken (NHRB) mit Dämmen im Großraum Zentral-Schottland (Vereinigtes Königreich).
Abbildung 2.
Studiengebiet, administrative Grenzen und die 165 Nachhaltigen Hochwasserrückhaltebecken (NHRB) mit Dämmen in Süd-Baden (Deutschland).
Die Definitionen der Autoren für die unterschiedlichen Typen von NHRB wurden in Tabelle 1 zusammengefasst. Diese Beschreibungen beruhen auf umfangreichen Literaturstudien und Expertenmeinungen [16]. Die Bestimmung der einzelnen Standardvariablen beruht auf einer ehemaligen Veröffentlichung [5] für NHRB in Baden. Eine ausführliche Beschreibung dieser Begriffe wäre für diese Zeitschrift zu umfangreich, kann jedoch von den Autoren angefordert werden [17].
Tabelle 1.
Definitionen für verschiedene Typen von nachhaltigen Hochwasserrückhaltebecken (NHRB).
Tabelle 2 beinhaltet eine Kurzbeschreibung der neuen Parameter Dammzustand, Dammbruchgefahr und Dammbruchrisiko bezüglich deren Komponenten und Gewichtungen. Eine Gefahr (zum Beispiel: unerwünschter Baumbewuchs und Nagetieraktivitäten auf einem Damm) kann entweder mit einem niedrigen (fast immer leeren Rückhaltebecken) oder hohem (fast immer vollen Becken) Risiko verknüpft sein. Beispielbeschreibungen für die Extremwerte bezüglich aller Komponenten sollen den Ingenieuren und Wissenschaftlern helfen, möglichst genaue Abschätzungen vorzunehmen. Alle Werte basieren auf Vergleichsabschätzungen und Expertenmeinungen. In dem Parameter Dammbruchrisiko werden unabhängigen Parameter wie das Versagensrisiko und das Schadenrisiko zusammengefasst. Dies kann zu Verzerrungen bei der Bewertung und wesentlichem Informationsverlust führen. Experten müssen daher die Gewichtungswerte für die einzelnen Parameter vorher der Region anpassen.
Tabelle 2.
Kurzbeschreibung der Summenparameter Dammzustand (%), Dammbruchgefahr (%) und Dammbruchrisiko (%) bezüglich deren Komponenten und Gewichtungen.
Weitere Informationen wie das NHRB Handbuch (56 Seiten [17]) zur Bestimmung der einzelnen Parameter können von den Autoren angefordert werden. Dieses Material ist für eine Veröffentlichung in dieser Zeitschrift jedoch zu umfangreich.
Um eine Gruppenanalyse (cluster analysis) der NHRB durchzuführen [18], wurde Matlab 7.1 [19] verwendet. Die Ergebnisse dieser Methode können graphisch in Form von Dendogramms gezeigt werden. Die NHRB-Daten wurden in sechs Gruppen sortiert (Tabelle 1), welche den einzelnen NHRB-Typen entsprechen.
3. Aufarbeitung der Ergebnisse
Abbildung 3 zeigt das Dendrogramm für die kombinierte Datenbank. Die Gruppen A, B and C repräsentieren fast ausschließlich die schottischen NHRB. Im Gegensatz dazu enthalten die Gruppen D, E und F fast nur badische NHRB. Wenig Übereinstimmung besteht zwischen den schottischen und badischen Daten auf Grund von geringen Ähnlichkeiten (Y-Achse) zwischen den NHRB Gruppen (X-Achse). Abbildung 3 ist auch notwendig, um verschiedene Typen von NHRB (Tabelle 1) in beiden Fallstudien zu bestimmen. Die NHRB des Typs 2 dominieren in Schottland. Typen 1 and 4 sind charakteristisch für Baden.
Abbildung 3.
Dendrogramm basierend auf 43 Parametern für die kombinierte Datenbank, welche 197 schottische und 160 badische Nachhaltige Hochwasserrückhaltebecken (NHRB; Einträge auf der X-Achse) enthält.
Tabelle 3 zeigt eine Übersicht der wichtigsten physikalischen Variablen, die für die Bestimmung der Risikosummenparameter relevant sind. Die Variablen wurden während Begehungen der Becken aufgenommen und durch Literaturstudien bestätigt. Die Dateninterpretation zeigt, dass wenig Übereinstimmung zwischen den schottischen und badischen Daten besteht. Tabelle 3 bestätigt daher Abbildung. 3. Das maximale Stauvolumen für schottische im Vergleich zu badischen NHRB ist zum Beispiel viel größer. Dies ist auch der Fall für ähnliche Einzugsgebiete. Schottische NHRB sind fast ausschließlich randvoll. Badische NHRB sind dagegen so gut wie immer leer.
Tabelle 3.
Statistische Informationen für die wichtigsten Variablen, die für die Bestimmung der risikorelevanten Parameter von nachhaltigen Hochwasserrückhaltebecken (NHRB) relevant sind.
Das Forschungsprojekt versuchte die oben beschriebenen Methoden zum Risikomanagement in einem zeitsparenden Instrument zur Risikobeurteilung zu vereinigen. Tabelle 4 zeigt die wichtigsten statistischen Parameter für die Variablen, welche Risikoszenarien beschreiben könnten. Die Variablen wurden mit der Hilfe von Tabelle 2 und dem mehr ausführlicheren NHRB Handbuch [17] bestimmt. Die individuellen Dammbruchrisikodaten helfen Entscheidungsträgern bei der schnellen Identifizierung von Dämmen für die Handlungsbedarf besteht.
Tabelle 4.
Statistische Informationen bezüglich der risikorelevanten Parameter für nachhaltige Hochwasserrückhaltebecken (NHRB).
Risikowerte sind im Allgemeinen viel kleiner als Gefahrenwerte. Dies kann mit direkten (z.B. stabiler Damm) und indirekten (z.B. dünne Besiedelung unterhalb des Dammes) Massnahmen zur Risikobeschränkung erklärt werden. Tabelle 4 bestätigt Tabelle 3 in der Behauptung, dass zwischen den schottischen und badischen Fallbeispieldaten wenig Überlappung zu erkennen ist.
Der Dammzustand für NHRB in Schottland ist normalerweise besser (73% verglichen mit 49%) als in Deutschland. Dies kann damit erklärt werden, dass Schottland viele Trinkwassertalsperren besitzt. Es ist daher interessant, daß die Dammbruchrisiken für Baden im Allgemeinen wesentlich geringer sind als für Schottland. Dies liegt daran, dass deutsche NHRB meistens leer sind (Tabelle 4). Die angeführten Werte sind relative Vergleichsgrößen und sollten daher nur im gültigen Zusammenhang miteinander verglichen und interpretiert werden. Ein hoher Wert (zum Beispiel für Dammbruchgefahr) bedeutet nicht, dass der jeweilige Damm kurz vor dem Zusammenbruch steht. Nur wenn der dazugehörige Wert für Dammbruchrisiko ebenfalls hoch ist, besteht Grund zur Besorgnis.
Abbildung 4 zeigt die räumliche Verteilung des Quotienten Dammbruchrisiko über Dammbruchgefahr für Zentral-Schottland. Je höher dieser Quotient ist, desto grösser ist im Allgemeinen das Risiko eines Dammbruches mit hohen Sachschäden und gegebenenfalls auch mit Todesopfern. Niedrige Werte sind die Regel, da Risikowerte meisstens viel kleiner sind als Gefahrenwerte. Die vergleichbare Verteilung für Süd-Baden ist in Abbildung 5 zu sehen. Die Kartenwerte sind keine Modellierungswerte und basieren lediglich auf einem einfachen Interpolationsverfahren; sie dienen daher nur der generellen Übersicht. Es ist jedoch deutlich für Ortskundige, dass NHRB, die sich im Gebirge und oberhalb von Ortschaften befinden, einen hohen Risikoquotienten haben.
Abbildung 4.
Räumliche Verteilung des Verhältnisses von Dammbruchrisiko zu Dammbruchgefahr für 197 nachhaltige Hochwasserrückhaltebecken im Großraum Zentral-Schottland
Abbildung 5.
Räumliche Verteilung des Verhältnisses von Dammbruchrisiko zu Dammbruchgefahr für 160 nachhaltige Hochwasserrückhaltebecken in Süd-Baden
Abbildung 4 zeigt deutlich, daß der Quotient von Gefahr über Risiko für die schottischen Fallstudien zwischen 0 und 5 liegt. Fast 40% der Quotienten sind kleiner als 1. Vergleichbare Werte für Baden liegen jedoch nur zwischen 0 und 1 (Abbildung. 5). Ungefähr 80% der badischen NHRB haben Quotienten zwischen 0 und 0,3. Diese Erbebnisse deuten an, dass das Sicherheitskonzept in Baden viel erfolgreicher zu sein scheint. Die schottische Wasserfirma Scottish Water sollte also das Hochwasserschutzrisiko für ihre Anlagen besser kontrollieren.
Verschiedene NHRB Typen gehören unterschiedlichen Gefahren- und Risikokategorien an (Tabelle 4), welches in Tabelle 1 (letzte Spalte) angedeutet ist. Die größte Gefahr sollte für NHRB vom Typ 2 bestehen. Diese Wasserkörper werden zumeist von Scottish Water nach einem Betriebsplan betrieben, der nicht von den ursprünglichen Designingenieuren als Standardoperation vorgesehen war. Viele dieser manuell betriebenen und häufig kleineren Talsperren sind immer randvoll, und laufen ständig über. Aus Kostengründen wird auf einen aktiven Betrieb verzichtet. Diese unsachgemäße Praxis birgt ein zusätzliches Risiko für die Sicherheit dieser Bauwerke.
Ein Vergleich bezüglich der Nutzungskategorien der untersuchten NHRB zeigt, dass sich die deutschen Becken durch Vielseitigkeit und großes Hochwasserrückhaltevermögen (62%) auszeichnen. Die schottischen NHRB dienen derzeitig dem Hochwasserschutz nur zu 3%, da sie hauptsächlich für die Trinkwasserversorgung (40%) Verwendung finden. Scottish Water hat derzeit keine rechtliche Verpflichtung NHRB für den Hochwasserschutz zur Verfügung zu stellen. Die ausschließliche Verwendung für die Langzeitspeicherung von Wasser (13%) für die Trinkwasserversorgung und aus erholungsförderlichen Gründen ist relativ eindeutig. Die badischen Becken hingegen haben (abgesehen vom Hochwasserschutz) eher umweltschutzsteigernde (11%) und landschaftsbereichernde (8%) Nebenzwecke.
Ein Vergleich von wichtigen Parametern, die gezielt durch bauliche Maßnahmen verbessert worden sind, um der Anpassung an den Klimawechsel zu dienen, zeigt, dass Baden Schottland in dieser Hinsicht weit voraus ist: 24 deutsche NHRB im Vergleich zu nur einem schottischen NHRB wurden innerhalb von vier Jahren (Sommer 2006 bis Sommer 2010) entweder aufgerüstet (13 NHRB) oder neu gebaut (11 NHRB). Aufrüstungsmassnahmen schliessen die folgenden Arbeiten ein: Erhöhung des Dammes, Verbreitung des Dammes und Vergrösserung der Lehmschicht. Nur ein Überlauf in Zentral-Schottland wurde in diesem Zeitraum um einiges umgebaut. Diese Massnahmen führen zu höheren Stauvolumen und reduzieren die Gefahr von Dammbrüchen auf Grund von häufigeren und stärkeren Regenfällen.
Die Untersuchungen zeigen, dass Deutschland im Vergleich zum Vereinigten Königreich Hochwasserschutz in der Praxis ernster nimmt. Dies wird deutlich auf Grund der folgenden Beobachtungen bezüglich der schottischen Fallstudien:
- 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
Die drei NHRB Typen 1, 4 und 6 wurden mit einer Gruppenanalyse für Baden identifiziert. Diese NHRB sind vornehmlich Hochwasserrückhaltebecken, die jedoch auch weitere Funktionen wie Umwelterhaltung und Landschaftsbereicherung haben können. Die schottischen NHRB sind jedoch überwiegend vom Typ 2, 3 and 5. Die Überlappung zwischen schottischen und badischen NHRB ist ausgesprochen gering. Traditionelle Hochwasserrückhaltebecken (Typ 2) sind im Wesentlichen ehemalige Trinkwasserspeicher, die die schottische Landschaft bestimmen. Diese Anlagen könnten einem kostengünstigen Hochwasserschutz dienen. Ihr Wasserstand ist jedoch derzeit nicht optimal reguliert.
Im Vergleich zu Schottland haben NHRB in Baden schlechtere Dammzustände und daher hohe Dammbruchgefahrenwerte, aber niedrige Dammbruchrisikowerte. Dies kann damit erklärt werden, dass schottische NHRB vergleichsweise hohe Dämme und große Wasservolumen haben. Badische NHRB sind hingegen meistens leer. Darüber hinaus sind in Schottland viele Anlagen in städtischen Räumen zu finden. Auf Grund von räumlichen Einschränkungen haben viele NHRB in verbauten Gegenden hohe Quotienten von Dammbruchrisiko über Dammbruchgefahr. Ungefähr 9% aller deutschen NHRB wurden zwischen 2006 und 2010 renoviert. Darüber hinaus wurden viele neue NHRB in Baden gebaut. Schottland hingegen ist noch nicht auf den Klimawechsel vorbereitet.
Das vorgestellte Verfahren zur Beurteilung von Dämmen ist schnell, kostengünstig und kann hohe Dammbruchrisiken effizient bestimmen. Die hohe potenzielle Ungenauigkeit der Expertenmethode ist jedoch ein Nachteil.
Die Wirkung von Dammbrüchen bezüglich des Schadenspotenzials weit unterhalb der Becken wurde in diesem Artikel nicht berücksichtigt. Es ist davon eventuell auszugehen, dass ein Dammbruch mit Hochwasserwellen anderer Gewässer unterhalb des Beckens zusammentrifft. Dies bedeutet, dass ein Dammversagen, je nach Größe des Damms, sich sehr weit unterhalb noch auswirken kann. Weitere Forschungen zu dieser Problematik sind erwünscht.
Acknowledgments
Das ‘Europäische Regionale Entwicklungsprojekt IVB 2007-2013 Nordsee Region Programm’ unterstützt finanziell das Forschungsprojekt ‘Nachhaltige Hochwasserrückhaltebecken zur Kontrolle von Überflutungen und diffusen Einträgen’, welches Teil der Gruppe ‘Strategische Allianz für Wasserunterhaltungsaktionen’ ist. Die Alexander von Humboldt Stiftung förderte Miklas Scholz in den Jahren 2006 und 2010 mit einem Forschungsaufenthalt an der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg. Die Autoren danken Ihren Gastgebern, insbesondere Herrn Werner Konold und Herrn Reiner Dietrich.
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- †The full text of this article is in German.
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