KLIMZUG-NORD Projekt des Monats Juni 2012

Anpassungsprozesse im Regenwassermanagement und Binnenhochwasserschutz (Teilprojekt T2.2)

In Städten wird das anfallende Regenwasser durch Kanalsysteme und Gewässernetze gesammelt und abgeleitet. Diese Systeme werden zur Ableitung bestimmter Wassermengen ausgelegt, um das Risiko von Überschwemmungen öffentlicher oder privater Grundstücke sowie Straßen zu reduzieren. Treten Niederschlagsereignisse auf, bei denen eine größere Wassermenge in kurzer Zeit fällt oder bei länger andauernden starken Niederschlagsereignisse, können die Wassermengen nicht mehr vollständig von den Systemen aufgenommen werden oder es kommt zum Austritt des zum Teil verunreinigten Wassers aus den Systemen. Dies kann zu einem unkontrollierten Abfluss des Wassers auf der Oberfläche und zu Überflutungen führen (vgl. Abb 1.), wodurch an überfluteten Grundstücken und deren Gebäuden erhebliche Schäden verursacht werden können. 

Abbildung 1: Hamburg Starkregenereignis Juni, 2011 (U. Stritzel)

Durch die Folgen des Klimawandels und einer möglichen zukünftigen Bauverdichtung könnte die Überschwemmungsgefahr für städtische Gebiete erhöht werden. Im Teilprojekt 2.2 werden Untersuchungen zu den Auswirkungen des Klimawandels  für das Flusseinzugsgebiet der Wandse durchgeführt.  Das Flusseinzugsgebiet wurde definiert durch die Fläche, die in den Fluss und dessen Nebengewässer entwässert. Die Quelle der Wandse liegt nordöstlich von Hamburg im ländlich geprägten Kreis Stormarn in Schleswig-Holstein. Das Gewässerfließt im Hamburger Stadtgebiet über den Eilbekkanal in die Außenalster (siehe Abb. 2). Der Flusslauf der Wandse hat eine Länge von ca. 20km und wird von der Quelle bis zur Mündung von verschiedenen Nebenflüssen (z.B.  die Stellau, die Berner Au und die Rahlau) gespeist. Das Gebiet umfasst damit die Stadtteile Höltigbaum, Rahlstedt, Tonndorf, Farmsen und Wandsbek.

Abbildung 2: Flusseinzugsgebiet der Wandse mit Nebenflüssen (Golder Associates, 2009)

Als Grundlage für die Untersuchungen des zukünftigen Niederschlagsgeschehens wurden die Daten des Klimamodells REMO verwendet. Das Computermodell REMO wurde am Hamburger Max Planck Institut entwickelt und berechnet Daten für eine räumliche Auflösung von ca. 10km x 10km mit einer zeitlichen Auflösung von 1 Stunde. Für die Ermittlung zukünftiger Niederschlagsänderungen wurden drei Datensätze aus REMO ausgewertet:

• Klimaszenario A1B der ersten und zweiten Realisierung von REMO
• Klimaszenario B1 der ersten Realisierung von REMO

Die Daten wurden zunächst anhand gemessener Niederschlagsdaten für den Zeitraum 1971-2000 validiert. Es wurden dabei insbesondere Analysen für seltene, starke Regenereignisse auf Basis von Stundenwerten durchgeführt. Obwohl einige Abweichungen zu beobachten sind, zeigen die Daten insgesamt eine ausreichend gute Übereinstimmung, um sie für die weitere Analyse zu verwenden. Anschließend wurden die Änderungen im Niederschlagsverhalten für die Zeiträume 2035-2065 und 2071-2100 analysiert. Abb. 3 zeigt exemplarisch die Erhöhung von Niederschlagssummen verschiedener Dauern für die Wiederkehrzeiten von ein Mal in zwei Jahren (T_N = 2 a) bzw. ein Mal in zehn Jahren (T_N = 10 a). Für den Zeitraum 2035-2065 wurden geringe Niederschlagserhöhungen berechnet, die für den Zeitraum 2071-2100 bis zu einer Erhöhung von 30% bis 50% des Niederschlagsvolumens zunehmen.

Abbildung 3: Niederschlagshöhen verschiedener Dauerstufen nach REMO für die Wiederkehrzeiten von ein Mal in zwei Jahren (links) und ein Mal in zehn Jahren (rechts)

Um die Auswirkungen des veränderten Niederschlagsverhaltens auf das Kanalnetz und auf die Gewässerabflüsse zu untersuchen, wurden Modellsimulationen durchgeführt.  Die Änderungen des Überlauf- und Überstauverhaltens des Kanals wurden mit dem hydrodynamischen Kanalnetzmodell Hystem-Extran berechnet.  Der obere Teil des Hamburger Einzugsgebiets (s. Abbildung 4) wird vorwiegend im Trennsystem entwässert (rund 23 km²) und weist ca. 200 Regenwasser-Auslässe auf. Im unteren Teil hingegen besteht vornehmlich Mischsystem (ca. 10 km²), welches bei starken Regenereignissen über insgesamt 12 Mischwasserüberläufe in die Wandse entlastet.

Abbildung 4: Einzugsgebiet der Wandse mit vorhandenen Entwässerungsformen der Kanalisation

Ein Anstieg der Niederschlagshöhen würde sich durch erhöhte Zuflüsse zum Kanalnetz auf Überlauf- und Überstauhäufigkeiten auswirken. Basierend auf den Niederschlagsdaten von REMO ergibt sich sowohl im Mischsystem als auch im Trennsystem ein Anstieg im Laufe des 21. Jahrhunderts. Abb. 5 zeigt exemplarisch die Anzahl der Tage mit einem Überlauf- bzw. Überstauereignis. Wie auch in den Niederschlagshöhen zeigt sich eine Erhöhung insbesondere ab Mitte des Jahrhunderts. Die Folgen einer solchen Entwicklung wären eine Erhöhung der Gewässerbelastung durch häufigere Mischwassereinleitungen sowie ein erhöhtes Risiko für Überflutungen durch Kanalnetzüberstau. Die Schwankungsbreite zwischen den Realisierungen des Szenarios A1B verdeutlicht den Einfluss der natürlichen Variabilität des Klimas.

Abbildung 5: Überlauf- und Überstauverhalten nach REMO pro Dekade: Anzahl der Tage pro Jahr mit Mischwasserüberlauf (links) und Überstau im Trennsystem (rechts)

Mit dem hydrologischen Modell KalypsoHydrology (http://kalypso.bjoernsen.de) wurden die Änderungen von Gewässerabflüssen untersucht. Entsprechend der Entwässerung der Flächen und der topographischen Gegebenheiten wird das Einzugsgebiet in mehrere Teileinzugsgebiete geteilt, in denen der Niederschlagsabfluss sowohl über Gräben als auch über Kanäle abgeleitet wird. In der Abbildung 6 ist die Aufteilung der Teileinzugsgebiete dargestellt.

Abbildung 6: Teileinzugsgebietsflächen des hydrologischen Gewässermodells mit Angabe der Gewässerabschnitte der Fokusgebiete

Das hydrologische Modell basiert auf der Berechnung des effektiven Niederschlags, des Oberflächenabflusses entsprechend der Landnutzung, der Infiltration des Wassers in die unterschiedlichen Bodenschichten, des horizontalen Abflusses in den jeweiligen Bodenschichten, der Grundwasserneubildung und des Abflusses in dem Gewässer bis zum Auslass. Je Gewässerabschnitt wurden bisher Berechnungsläufe des IPCC-Szenarios A1B simuliert. Es wurde hier eine Bandbreite von Simulationen durchgeführt, die sich unterscheiden in der Annahme von unterschiedlichen Niederschlagsverhältnissen (mit und ohne Einfluss von Wind), durch die zwei A1B-Realisierungsläufe des Klimamodells und durch die Verwendung unterschiedlicher statischer Auswertungsverfahren. Hierdurch erlangen wir eine Bandbreite von Ergebnissen, die die mögliche zukünftige Entwicklung der Hochwasserstatistik für den Zeitraum 2035 - 2065 aufzeigt (Abb. 7).

Abbildung 7: Bandbreite der Ergebnisse der Hochwasserstatistiken für den Gewässerabschnitt Wandse 3 im Unterlauf

Es wurde jeweils die Höhe der Abflüsse bestimmter Ereignisse berechnet, die eine häufigere oder seltenere Eintretenswahrscheinlichkeit von einmal in 100 Jahren ( T = 100a) haben. Die Abflussänderung wurde jeweils berechnet aus der Differenz zwischen dem Zukunftsrechenlauf und dem Rechenlauf der Vergangenheit. Für häufigere Ereignisse umfasst die Bandbreite der Ergebnisse eine maximale Erhöhung der Abflüsse von über 25% bzw. in zwei Simulationsläufen werden keine Änderungen für den Zeitraum 2035 - 2065 berechnet. Für seltenere Ereignisse wird eine maximale Erhöhung der Abflüsse von bis zu 20% berechnet, wobei in einigen Simulationsläufen auch eine Verringerung der Hochwasserabflüsse von bis zu 30% berechnet wurde. Für die Erarbeitung von Anpassungsstrategien wird insbesondere eine mögliche Erhöhung der Hochwasserabflüsse von Bedeutung sein. Hierbei wird auf der Grundlage der hier aufgezeigten Ergebnisse von einer möglichen maximalen Erhöhung der Abflüsse von 20% und einer mittleren Erhöhung der Abflüsse von 10% ausgegangen (vgl. Abb. 7).

Obwohl basierend auf den aktuellen REMO-Daten zukünftig mehr Überstau und Überlauf der Kanalnetze sowie eine Veränderung der Gewässerabflüsse berechnet werden, unterliegen die Ergebnisse gewissen Unsicherheiten. Diese liegen zum Einen in der Anwendung der Klimamodelldaten für Kanalnetz- und Niederschlagsabfluss-Simulationen, ergeben sich aber zum Anderen auch aus den Unsicherheiten des Klimamodells und der zukünftigen Entwicklung der Treibhausgasemissionen. Trotz der hier aufgezeigten unsicheren Datengrundlage muss bereits heute über mögliche Anpassungen an zukünftige klimatische Änderungen nachgedacht werden, da die städtischen Entwässerungssysteme eine hohe Lebensdauer aufweisen. Eine Anpassung durch größere Dimensionierung der Systeme wäre z.T. mit erheblichen Kosten verbunden und ist in innerstädtischen Gebieten bautechnisch oftmals schwer umzusetzen. Ein nachhaltiges Anpassungskonzept muss daher auch eine Strategie zur Entlastung der Kanalnetze und der Gewässer durch dezentrale Regenwasserbewirtschaftung umfassen sowie eine geeignete Risikovorsorge durch Maßnahmen des Überflutungs- und Hochwasserschutzes berücksichtigen. In den folgenden Arbeitsschritten werden daher mögliche Kombinationen der verschiedenen Anpassungsmaßnahmen untersucht.

Kontakt:

M.Sc. Sandra Hellmers
Institut für Wasserbau
Technische Universität Hamburg Harburg
E-Mail: s.hellmers@tu-harburg.de

Dr. Nina Hüffmeyer
Hamburger Stadtentwässerung AöR
HAMBURG WASSER
E-Mail: nina.hueffmeyer@hamburgwasser.de