LINDSCHULTE-Kundenzeitung „Journal Planung“ 15/2018

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4 Infrastruktur Überflutungsnachweise Methoden zur Überflutungsbetrachtung GIS-Analyse Verantwortlichkeiten In Zeiten immer häufiger auftretender Starkregenereignisse gewinnt die Frage nach Verantwortlichkeiten für den Überflutungsschutz immer mehr an Bedeutung. In den einschlägigen Normen und Regelwerken sind die Zuständigkeiten definiert. Die Verantwortung für den Überflutungsschutz liegt dabei nicht alleinig bei den Kommunen respektive Kanalnetzbetreibern, vielmehr ist dies eine Gemeinschaftsaufgabe des Straßenbaulastträgers, des Kanalnetzbetreibers sowie der Anwohner, denn selbst der Anwohner hat nach DIN 1986-100 ab einer abflusswirksamen Fläche von 800 m² einen Überflutungsnachweis zu erbringen. Vereinfachter Überflutungsnachweis Für kleine Entwässerungssysteme ohne oberstrom gelegene Einzugsgebiete kann ein vereinfachter Überflutungsnachweis nach DIN 1986-100 erbracht werden. In Abhängigkeit von Starkregenzufluss, Bemessungsabfluss und der jeweiligen Dauerstufe wird für die maßgebende Wiederkehrzeit eine Regenwassermenge berechnet, welche schadlos auf dem entsprechenden Grundstück rückzuhalten ist. Die nachzuweisende Jährlichkeit hängt dabei im Wesentlichen von der Flächennutzung ab. Formel: Vereinfachte Berechnung des rückzuhaltenden Niederschlagswassers (DIN 1986-100) Überstauberechnung Die Überstauberechnung wird zum Nachweis der Leistungsfähigkeit des Entwässerungssystems verwendet. Mittels hydrodynamischer Simulationen des Kanalnetzes werden die Fließvorgänge innerhalb des Kanals sowie die an den Schächten austretenden Wassermengen berechnet. Die Fließvorgänge an der Oberfläche werden in diesem Verfahren nicht berücksichtigt und sind in der Örtlichkeit abzuschätzen. GIS-Analyse Mit dem Werkzeug der GIS-Analyse werden die Fließwege von Niederschlagswasser auf der Geländeoberfläche untersucht. Diese rein qualitative Betrachtungsweise wird ohne Kopplung mit dem Kanalnetz durchgeführt und unterliegt keinen Jährlichkeiten. Die GIS-Analyse ermöglicht bei vergleichsweise geringem Aufwand, die Fließwege und überflutungsgefährdeten Geländetiefpunkte zu identifizieren und eine vereinfachte (statische) Volumenberechnung der Senken durchzuführen. Aufbauend auf diesen Erkenntnissen sind die Geländetiefpunkte in der Örtlichkeit hinsichtlich der Überflutungssicherheit zu überprüfen. Straßenprofilmethode Die Straßenprofilmethode basiert darauf, dass Wasser, welches aus Schächten austritt bzw. nicht mehr der Kanalisation zufließen kann, oftmals schadfrei in der Straßenparzelle abgeführt werden kann. Diese Methode dient der Identifikation von Geländetiefpunkten und Senken unter Berücksichtigung der Abflusskapazität eines vereinfachten Straßenprofils. Hierzu werden im hydrodynamischen Modell die Straßenquerschnitte als zusätzliche Elemente oberhalb des Kanals abgebildet. Diese Erweiterung ermöglicht einen vereinfachten Nachweis der Überflutungssicherheit. Aufgrund der 1-dimensionalen Betrachtungsweise wird eine laterale Überflutungsausbreitung jedoch nicht berücksichtigt. Gekoppelte 1D-/2D-Abflusssimulation Die gekoppelte 1D-/2D-Abflusssimulation ermöglicht eine vollwertige modelltechnische Überflutungsberechnung. Durch die bidirektionale Kopplung und synchrone Berechnung werden nicht nur die Fließvorgänge im Kanalnetz und an der Oberfläche abgebildet, sondern auch die für eine realitätsnahe Überflutungsberechnung unbedingt zu berücksichtigenden Wechselwirkungen zwischen Oberflächenabfluss und Kanalisation simuliert. Das bedeutet, dass sowohl die Überflutung der Geländeoberflächen infolge einer Überlastung des Kanalnetzes als auch die Kanalüberlastung infolge einer Überflutung realitätsnah abgebildet werden können. Folglich können durch die gekoppelte 1D/2D-Abflusssimulation für Starkregenereignisse sehr genaue Prognosen zu den Überflutungsbereichen einschließlich der Fließtiefen und -geschwindigkeiten aufgestellt werden. Straßenprofilmethode für die wirtschaftliche Planung von Sanierungs- und Objektschutzmaßnahmen. Besonders attraktiv ist dieses Verfahren, da an dem Modell direkt erkannt werden kann, welche Teile einer Infrastruktur gefährdet sind und neben der kostenintensiven Ertüchtigung der Kanalisation auch günstigere Möglichkeiten, wie z.B. der gefahrlose Regenrückhalt in geeigneten Flächen oder konkrete Objektschutzmaßnahmen, untersucht werden können. Zudem kann abgeschätzt werden, ob ein Überstau der Kanalisation tatsächlich zu einer schadenbringenden Überflutung führt. In der Realität können zum Teil auch große Überstauvolumina relativ gefahrlos gehandhabt werden, während im ungünstigen Fall auch kleine Volumina zu großen Schäden (z.B. Wohneinheiten im Souterrain) führen können. 1D-/2D- Abflusssimulation Diese Informationen sind die Grundlage für realitätsnahe Risikoanalysen und Gefahrenabwehrpläne sowie Dipl.-Ing. Sven Hörmann Projektleiter Wasserwirtschaft Neue Bemessungsregen KOSTRA-DWD-2010R Die 2016 veröffentlichte Fortschreibung der „Koordinierten Starkniederschlagsregionalisierung und -auswertung des Deutschen Wetterdienstes“ (KOSTRA-DWD- 2010) erhielt Anfang November 2017 eine Revision des Datensatzes. Die Version KOSTRA-DWD-2010R ist nun die amtliche Starkregenauswertung für Deutschland. Gerne zeigen Ihnen die Wasserwirtschafts-Experten aus Nordhorn die Änderungen der Bemessungsregen in Ihrer Region auf. Starkregenindex – Was ist das denn bitte? Die LINDSCHULTE-Mitarbeiter verfolgen durch die Teilnahme an vielen Weiterbildungsmaßnahmen sowie durch das Studium neuer Regelwerke stetig die neuesten Entwicklungen in der Wasserwirtschaft. An dieser Stelle berichten wir über eine Neuerung, die in nächster Zeit immer gängiger werden wird. Das DWA-Merkblatt M 119 „Risikomanagement in der kommunalen Überflutungsvorsorge für Entwässerungssysteme bei Starkregen“ sieht zur Kategorisierung von Regenereignissen einen neu eingeführten Starkregenindex vor. Bisher wurden die Niederschlagsereignisse unter Berücksichtigung der jeweiligen Regendauer einer statistischen Wiederkehrzeit zugeordnet. Erfahrungsgemäß ist diese Begrifflichkeit in der breiten Öffentlichkeit schwierig zu kommunizieren. Im Sinne der Aufklärung über Überflutungsrisiken muss den politisch Verantwortlichen, den verschiedenen Fachplanern und den betroffenen Bürgern das bestehende Risiko des Auftretens von Starkregen und daraus resultierender Überflutungen bewusstgemacht werden. Die Charakterisierung von Starkregen soll zukünftig mittels Starkregenindex mit folgender Sprachregelung zur Risikokommunikation erfolgen: In Abhängigkeit von der Örtlichkeit sind Entwässerungssysteme für die Starkregenindizes 1, 2 oder 3 zu bemessen. Der Überflutungsschutz wird in der Regel für die Starkregenindizes 4 bis 5 sowie sonderfallabhängig für die Starkregenindizes 6 bis 7 angestrebt. Darüber hinaus (Starkregenindex 8 bis 12) ist ein vollständiger Schutz vor Überflutungen weder technisch noch wirtschaftlich leistbar. Hier stehen Maßnahmen der vorsorgenden Schadensbegrenzung im Vordergrund. Tabelle: Zuordnung Starkregenindex SRI und Wiederkehrzeit T n (Quelle: Schmitt et al. 2018, modifiziert) Dr.-Ing. Klaus Koll Projektleiter Wasserwirtschaft
Infrastruktur 5 Überflutungssimulation Fulda – zeitlicher Verlauf (1) Überflutungssimulation Dülmen (Wiederkehrzeit > 50 a) Überflutungssimulation Dülmen (Wiederkehrzeit > 50 a) Projektbeispiele Überflutungsnachweise Überflutungssimulation Fulda – zeitlicher Verlauf (2) Überflutungssimulation Fulda – zeitlicher Verlauf (3) Überflutungssimulation Fulda – zeitlicher Verlauf (4) Überflutungssimulation Fulda – zeitlicher Verlauf (5) Fulda Die in Hessen gelegene Stadt Fulda weist aufgrund ihrer Lage in der Senke des gleichnamigen Flusses, die Fuldaer Senke, ein relativ bewegtes Höhenprofil auf. Im Zuge bevorstehender Straßenbaumaßnahmen wurde die LINDSCHULTE Ingenieur gesellschaft mbH aus Nordhorn durch den Abwasserverband Fulda beauftragt, eine hydrodynamische Überflutungsbetrachtung für den betroffenen Bereich durchzuführen. Das vorwiegend wohnbaulich geprägte Gebiet ist im Mischsystem erschlossen. Das Kanalnetz verläuft der starken Geländeneigung folgend von Norden nach Süden in Richtung des Flusses Fulda. Für eine korrekte hydrodynamische Abbildung der Fließvorgänge im Kanal sowie an der Geländeoberfläche wurde nicht nur der Nahbereich der Überflutungsbetrachtung, sondern ebenso das gesamte oberstrom gelegene Einzugsgebiet einschließlich sämtlicher Entlastungsbauwerke in den Horasbach, der das Einzugsgebiet durchfließt, modelltechnisch erfasst. Der Bearbeitungsumfang beinhaltete den Modellaufbau /-übernahme einschließlich Plausibilitätsprüfung und Sensitivitätsanalyse, die Berechnung des IST-Zustandes für verschiedene Wiederkehrzeiten sowie das Erarbeiten von Handlungsempfehlungen für den Überflutungsschutz. Der ursprüngliche Generalentwässerungsplan wurde mittels eindimensionaler Kanalnetzberechnung erstellt. Dieser klassische Überstaunachweis simuliert die Fließvorgänge im Kanalnetz und gibt als Ergebnis die für den jeweiligen Bemessungsregen aus dem Kanalnetz entweichenden Überstauvolumina aus. Moderne Hydraulikprogramme bieten seit jüngster Zeit neben der eigentlichen Kanalnetzberechnung ebenso Module zur Simulation des Strömungsverhaltens auf der Oberfläche. Die Kopplung zwischen dem Kanalsystem und der Geländeoberfläche ermöglicht eine Aussage zu den Fließwegen und Wasserständen auf der Oberfläche. Diese moderne Berechnungsmethodik bildet somit eine solide Grundlage des modelltechnischen Überflutungsnachweises. In Fulda erfolgten im Zuge umfangreicher Sensitivitätsanalysen die ersten Berechnungen zunächst ausschließlich mit dem Kanalnetzmodell. Die Berechnungsergebnisse zeigten vergleichbare Ergebnisse wie der seinerzeit kalibrierte GEP Fulda. Darauf aufbauend wurde das Kanalnetz mit dem Geländemodell verknüpft, so dass für Fulda erstmalig eine modelltechnische Überflutungsbetrachtung durchgeführt werden konnte. Anhand der Simulationsergebnisse konnten die Fließwege auf der Geländeoberfläche sowie die sich einstellenden Wasserstände visualisiert und bewertet werden. In Teilbereichen ergaben die ersten Ergebnisse der Überflutungssimulation massive Überschwemmungen. Vor allem ein tiefer gelegener Straßenzug überflutete rechnerisch bereits bei häufiger auftretenden Regenereignissen sehr stark. Die Ausmaße der Überflutung erschienen selbst für die langjährig beim Abwasserverband Fulda tätigen Mitarbeiter als absolut nicht nachvollziehbar, da in diesem Bereich noch nie Beschwerden auftraten. Daraufhin veranlasste LINDSCHULTE, die dort vorhandene Kanalisation zu untersuchen. Es stellte sich heraus, dass die Mehrzahl der dort vorhandenen Straßeneinläufe nicht am Kanalnetz, sondern an der Verrohrung eines Vorfluters angeschlossen sind. Die Straßenentwässerung funktioniert folglich trotz Überlastung des Kanalnetzes, da diese in ein anderes System einleitet. Die Berechnungsergebnisse des daraufhin angepassten Berechnungsmodells zeigen, dass das überstauende Wasser größtenteils schadfrei im Straßenraum abgeführt werden kann. Potenzielle Gefahrenpunkte sind im Planwerk ausgewiesen und sollten in der Örtlichkeit überprüft werden. Die Überflutungssimulationen unterstreichen zudem die Relevanz ausreichend leistungsfähiger Straßenquerschnitte, da diese bei Starkregenereignissen eine nicht unerhebliche Entwässerungsfunktion übernehmen. Ebenso wurden für Tiefpunkte, an denen sich das Wasser sammelt, Handempfehlungen formuliert und modelltechnisch nachgewiesen. Dülmen Im Jahr 2013 traten in der Stadt Dülmen in NRW massive Niederschläge auf, die in ihrer Intensität über einem 200-jährlichen Regenereignis lagen. Diese führten zu großflächigen Überflutungen und Schäden, obwohl die Kanalisation gemessen am Überstaunachweis einen überdurchschnittlich guten Zustand aufweist. Veranlasst durch dieses und vorangegangene Regenereignisse entschied sich das Abwasserwerk der Stadt Dülmen dazu, die Bemessung und die Planung der Entwässerung um den moderneren Überflutungsnachweis mittels der gekoppelten 1D-/2D- Simulation zu ergänzen. Die LINDSCHULTE Ingenieurgesellschaft Nordhorn wurde beauftragt, für das Kanalnetz Dülmen-Stadt – mit rund 28.000 Einwohnern und 175 km Kanallänge das größte Teilnetz im Stadtgebiet – einen Überflutungsnachweis zu führen. Hierbei wurde die Oberfläche des gesamten Stadtgebiets detailliert durch ein Geländemodell abgebildet und mit dem bereits vorliegenden Kanalnetzmodell gekoppelt berechnet. Hierbei wurden nicht nur die üblichen Wiederkehrzeiten von 20 und 30 Jahren, sondern auch das 50- und 100-jährliche Regenereignis simuliert. Neben der Möglichkeit, eine DIN-konforme Dimensionierung der Stadtentwässerung unter Ausnutzung des Optimierungspotenzials in der Kanalisation und an der Oberfläche vorzunehmen, stehen der Stadt Dülmen nun auch die Informationen für Alarmpläne oder die konkrete Information von betroffenen Grundstückseignern zur Verfügung. Damit werden das Abwasserwerk, die Bauleitplanung, der Straßenbaulastträger und nicht zuletzt die Bürgerinnen und Bürger in die Lage versetzt, der Gemeinschaftsaufgabe „Überflutungsschutz“ nachzukommen. Weiterhin wurden bereits während der Bearbeitung des Überflutungsnachweises die Modelldaten für ein größeres Bauvorhaben im Stadtgebiet zur Verfügung gestellt. Hierdurch war bereits während der Planungsphase eine umfassende Berücksichtigung des vorhandenen Gefährdungspotenzials möglich, so dass hierauf in der Planung reagiert und zeitgleich der erforderliche Nachweis nach DIN 1986-100 mit modernsten Methoden geführt werden konnte. MURIEL – Multifunktionale urbane Retentionsräume: von der Idee zur Realisierung Im Nachgang lokaler Starkregenereignisse stellt sich oft die Frage, ob und wie die aufgetretenen Schäden hätten vermieden oder zumindest abgemildert werden können. Die über einen kurzen Zeitraum anfallenden Starkregenmengen können häufig nicht von der Kanalisation abgeführt werden. Eine Ertüchtigung der unterirdischen Infrastruktur für Starkregenereignisse erweist sich aus wirtschaftlichen Gründen als nicht zielführend. Mit dem Forschungprojekt MURIEL wurden Arbeitshilfen für multifunktionale urbane Retentionsräume zur Überflutungsvorsorge erarbeitet, die LINDSCHULTE in ihre wasserwirtschaftliche Arbeit integriert hat. Das Prinzip solcher Räume sieht vor, dass vor allem öffentliche Freiflächen wie Plätze, Parkflächen, Grünanlagen oder Straßen neben ihrer eigentlichen Funktion bei seltenem Starkregen temporär als (Not-) Speicherraum genutzt und somit Überflutungsschäden an anderer Stelle gemindert oder ganz vermieden werden können. Dabei wird bewusst in Kauf genommen, dass die nicht-wasserwirtschaftliche Hauptnutzung einer Retentionsfläche (z.B. Platz oder Straße) in seltenen Fällen vorübergehend eingeschränkt oder nicht möglich ist und der betroffene Bereich nach dem Ereignis ggf. gereinigt oder wieder in den Ausgangszustand versetzt werden muss. Dem ist jedoch der Vorzug gegenüber wesentlich umfangreicheren Sach- oder gar Personenschäden zu geben, die unter Umständen ohne das Vorhandensein dieser multifunktionalen Retentionsräume entstanden wären. Die Anordnung dieser Retentionsräume ist Teil der Gemeinschaftsaufgabe „Überflutungsschutz“.
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