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KLIMZUG-NORD Projekt des Monats September 2013

Anpassungsbedarf für den Küstenschutz an der Elbe infolge klimatischer Veränderungen (T1.3)

Deichbruch_d_web.jpg

Einleitung

Die Unterelbe ist der tidebeeinflusste Bereich der Elbe und erstreckt sich auf einer Länge von 142 km zwischen dem Wehr in Geesthacht (km 586) und der Kugelbake in Cuxhaven (km 728) (siehe Abbildung 1). Zum System der Tideelbe gehören das Hamburger Stromspaltungsgebiet mit der Elbinsel Wilhelmsburg, Nebenelben und weitere Nebenflüsse wie beispielsweise die Este und die Krückau. Die Tidewelle läuft von der Nordsee aus in die Elbe ein. Im direkten Hinterland liegen viele Flächen auf Höhe und teilweise auch unter dem Wasserspiegel der Elbe und sind nur durch Deiche und andere Hochwasserschutzanlangen vor täglichen Überflutungen durch das Tidehochwasser sowie vor Sturmfluten geschützt. Die heutige Deichlinie ist das Resultat eines jahrhundertelangen Kampfes gegen Überflutungen, bei dem immer wieder verheerende Sturmfluten für Rückschläge und große Zerstörungen sorgten. Durch tiefgreifende Baumaßnahmen, insbesondere im 20. Jahrhundert wie z.B. die Verkürzung der Deichlinie, die Abschottung der Nebenflüsse durch Sturmflutsperrwerke und Fahrrinnenanpassungen hat sich das System der Tideelbe verändert. Diese Veränderungen machen sich u.a. durch einen größeren Tidehub merkbar. Des Weiteren laufen Sturmfluten heutzutage schneller und höher auf.

Bild01_Tideelbe.jpgAbbildung 1: Tideelbe mit angrenzendem Umland und Darstellung der heutigen Deichlinie

Klimafolgen

Der Meeresspiegel unterliegt seit jeher Schwankungen und Veränderungen. Aktuelle Forschungsergebnisse zum Anstieg des mittleren Meeresspiegels kommen zu dem Ergebnis, dass dieser bis zum Ende des 21. Jahrhunderts global in einer Größenordnung zwischen wenigen Dezimetern und bis zu rd. 1 bis 2 Metern steigen wird (z.B. IPCC 2007 bzw. Nicholls 2011). Lokale Änderungen des mittleren Meeresspiegels werden in der überwiegenden Zahl der Untersuchungen mit Werten zwischen 40 cm und 80 cm angegeben (GÖNNERT 2009). Dementsprechend umfasst die im Rahmen von KLIMZUG Nord szenarienmäßig betrachtete Spanne des Anstiegs des Meeresspiegels der Nordsee einen Bereich von 25 cm bis 200 cm bis zum Ende des 21. Jahrhunderts. Diese breite Spanne macht bereits deutlich, dass die Unsicherheiten bezüglich des real zu erwartenden Meeresspiegelanstiegs derzeit noch recht hoch sind.

Im Rahmen von Sensitivitätsstudien auf der Grundlage eines hydrodynamischen Modells der Tideelbe wurden die Auswirkungen des Klimawandels abgeschätzt. Hierzu wurden der mittlere Meeresspiegel der Nordsee, der Oberwasserzufluss der Elbe und der örtliche Wind variiert. Ein Anstieg des mittleren Meeresspiegels in der Nordsee führt im Elbeästuar zu einer stärkeren Anhebung des mittleren Tidehochwassers als des mittleren Tideniedrigwassers. Der Tidehub nimmt folglich zu und die charakteristische Form der Tidekurve verändert sich. In den meisten Bereichen nehmen die Flutstromgeschwindigkeiten stärker zu als die Ebbestromgeschwindigkeiten. Durch die verstärkte Flutstromdominanz erhöht sich der stromaufgerichtete Sedimenttransport, der eine Verschiebung der Trübungszone stromauf zur Folge hat. Die Brackwasserzone (Mischungszone zwischen Süßwasser von Oberstrom und Salzwasser aus der Nordsee) wird ebenfalls stromauf verschoben. Lang anhaltend niedrige Oberwasserzuflüsse bedingt durch geringere Niederschläge im Einzugsgebiet der Elbe haben eine größere Bedeutung auf die Verschiebung der Brackwasserzone nach stromauf als der Meeresspiegelanstieg. Die Verschiebung der Brackwasserzone durch den Meeresspiegelanstieg wird zukünftig stetig und dauerhaft sein, während sie durch die variierenden Oberwasserzuflüsse einen unstetigen und kurzfristigen Charakter aufweisen wird.

Auswirkungen

Die Klimafolgen werden eine Vielzahl von Auswirkungen auf das System der Tideelbe und die zukünftige Entwicklung der Elbe sowie des Hinterlands haben.

Hochwasserschutz

Die Küstenschutzelemente wie beispielsweise Deiche, Hochwasserschutzmauern und Sperrwerke, werden durch höhere Wasserstände und länger andauernde Sturmfluten stärkeren Belastungen ausgesetzt sein. Die Vergangenheit hat gezeigt, dass ein Versagen von Deichen nicht mit hundertprozentiger Sicherheit ausgeschlossen werden kann. Zu den maßgeblichen Versagensmechanismen zählen die Überflutung infolge des Wellenüberlaufs sowie die kontinuierliche Überströmung, die bis hin zu einem globalen Versagen in Form eines Deichbruchs führen kann.

Bild02_Haseldorf_Deichbruch_1976.jpgAbbildung 2: Deichbruch Haseldorfer Marsch 1976 [Quelle: www.schleswig-holstein.de]

Gemäß der Europäischen Richtlinie 2007/60/EG (Amtsblatt der Europäischen Union 2007) über die Bewertung und das Management von Hochwasserrisiken sind von den zuständigen Behörden Gebiete zu ermitteln, die im Falle des Eintritts von Sturmfluten potentiell überflutet werden können (Hochwasserrisikogebiete). Abbildung 3 zeigt die Hochwasserrisikokarte der Tideelbe für Schleswig-Holstein für ein Hochwasserereignis mit geringer Wahrscheinlichkeit.

Bild03_Hochwasserrisikokarte_LKN.jpgAbbildung 3: Hochwasserrisikokarte Tideelbe Schleswig-Holstein; hier: Küstenhochwasser mit geringer Wahrscheinlichkeit (HW200) [Quelle: LKN]

Auf Basis derartiger Hochwasserrisikokarten (siehe Abbildung 3) wurde im Rahmen von KLIMZUG Nord, exemplarisch für ausgewählte Standorte/ Fokusgebiete, die Hinterland-Überflutung infolge eines angenommenen Deichbruches simuliert. Hierzu wurde das Modellsystem Kalypso (http://www.tuhh.de/wb/forschung/software-entwicklung.html) mit dem Rechenkern Telemac (http://www.opentelemac.org/) erweitert und eingesetzt. So wurde beispielsweise für ein Sturmflutszenario ein Deichbruch am Elbdeichabschnitt zur Krückauabdämmung angenommen und die Überflutungsausbreitung mit einem hydrodynamischen Teilmodell der Elbe samt Hinterland simulier. (Bei dem gewählten Deichbruch handelt es sich um eine Annahme. Es wird lediglich die allgemeine Methodik und Durchführung einer Deichbruchsimulation und die damit verbundene Hinterland-Überflutung dargestellt.) Abbildung 4a zeigt die angenommen Deichbruchstelle am Elbdeich. Für die Durchführung einer Deichbruchsimulation müssen u.a. Breschenbreite, Deichbruchtiefe und Höhe angegeben werden. Die Ergebnisse der Überflutungsausbreitung werden in den Abbildungen 5c bis 5h in Form von Fließtiefen und Strömungsvektoren dargestellt. Mit dieser Methodik könnten für weitere Risikogebiete Überflutungssimulationen durchgeführt werden.

Bild04_Modellgebiet_Deichbruch_web.jpgAbbildung 4: Modellgebiet Deichbruchszenario Krückauabdämmung: a) Übersichtsdarstellung; b) Ausschnitt im Bereich des Deichbruchs, hier: Vor dem Deichbruch (Wasserstand kurz unter Kronenhöhe)

Bild05_Überflutung_Deichbruch_web.jpgAbbildung 5: Ergebnis der Überflutungsausbreitung infolge eines Deichbruchs (c-h)

Lösungswege

Für die aufgezeigten Probleme, welche die Klimafolgen mit sich bringen, müssen Lösungswege gefunden werden, die sowohl kurzfristig als auch langfristig sein können. So kennt man den kurzfristigen Betrag des Anstiegs besser, während der langfristige Betrag mit einer größeren Unsicherheit behaftet ist. Aus diesem Grund ist eine Planung detaillierter Maßnahmen für den kurzfristigen Anstieg möglich. Allerding ist zu beachten, dass diese im Sinne der langfristigen Anpassung sind.

Kurzfristig

Die langfristigen Veränderungen des säkularen Meeresspiegelanstiegs werden bereits seit ca. 50 Jahren mit etwa 25 cm/100 Jahre bei Planungen von Anlagen an der Küste berücksichtigt. Bei aktuellen Planungen ist zudem ein Klimazuschlag berücksichtigt. Beispielsweise hat das Land Schleswig-Holstein entschieden, durch einen Klimazuschlag bei der Ermittlung der Bemessungswerte eine Baureserve von 50 cm bei Neubau oder bei Verstärkung von Hochwasserschutzanlagen zu berücksichtigen (MELUR 2012). Dieser Wert entspricht in etwa dem Mittelwert der vom IPCC in 2007 veröffentlichten globalen Meeresspiegelprojektionen.

Für die Bemessung von Landesschutzdeichen in Schleswig-Holstein wird auf der Grundlage des gültigen Referenzhochwasserstandes (RHW), der eine jährliche Eintrittswahrscheinlichkeit von p=0,005 (Wiederkehrintervall 200 Jahre) hat, ein Klimazuschlag von 0,5 m bis zum Jahre 2100 festgelegt. Um gegebenenfalls höheren Meeresspiegelanstiegen Rechnung zu tragen, wurde in Schleswig-Holstein ein innovatives Konzept für Deichverstärkungen entwickelt, welches bereits jetzt durch eine spezielle Bauform zusätzliche Baureserven für spätere Nachverstärkungen schaffen (siehe Abbildung 6). Dies ermöglicht, dass mit geringem technischem und finanziellem Aufwand auch höheren Meeresspiegelanstiegen begegnet werden kann. Zudem werden vielfach sogenannte No-Regret-Maßnahmen umgesetzt, d.h. Maßnahmen, die auch im Falle von höheren oder geringeren Meeresspiegelanstiegsraten - als vorerst angenommen - eine insgesamt positive Wirkung haben und gezielte Anpassungen auch zukünftig erlauben.

Bild06_LKN_Deichprofil.jpgAbbildung 6: Konzept Baureserve für Landesschutzdeiche Schleswig-Holstein

Langfristig

Bei langfristigen Lösungswegen ist ein längerer Planungshorizont vorhanden, wodurch auch Anpassungsmaßnahmen in Betracht kommen, die eine längere Umsetzungsdauer (Planung und Bau) haben. Die alleinige Wirksamkeit einzelner Maßnahmen bei langfristigen Lösungen ist meist gering, während aber die Akkumulation der (geringen) Einzelwirkungen mehrerer Maßnahmen eine signifikante Verbesserung der Situation erreicht (z.B. Verlängerung der Deichlinie im Spadenlander Busch / Kreetsand, Wilhelmsburg). Auch muss die Wirksamkeit der langfristigen Anpassungsmaßnahme nicht zwangsläufig an der Stelle sichtbar werden, an der die Maßnahme platziert wird (z.B. lokale Deicherhöhung). Es wird angestrebt, dass eine solche Maßnahme möglichst positive Auswirkungen auf das gesamte System (Tideelbe) hat. Deswegen ist eine gesamtheitliche Betrachtung des Wirkungsgefüges zwangsläufig erforderlich.

Direkt wirkende Maßnahmen

Als Schutz vor Sturmfluten wurden u.a. einengende Maßnahmen im Mündungsbereich untersucht, die die Scheitelwasserstände dämpfen sollen. Bei dieser Änderung am System ist der Grad der Dämpfung abhängig von dem Grad der Einengung des hydraulisch wirksamen Fließquerschnitts und der Lage dieser Maßnahme. So ist der Grad der Einengung im inneren Mündungsgebiet einer Maßnahme größer als im äußeren Bereich. Bedingt durch die Verringerung des wirksamen Fließquerschnitts steigen die Strömungsgeschwindigkeiten im Bereich der Maßnahme deutlich an. Der Einfluss dieser Maßnahme auf die durch einen Meeresspiegelanstieg veränderten Sturmflutscheitelwasserstände ist nur bedingt wirksam, während Sperrwerke Sturmfluten vollständig kehren können.

Indirekt wirkende Maßnahmen

Parallel zu direkt wirkenden Maßnahmen kann eine Anpassung auch indirekt erfolgen, z.B. durch Aufklärung und Förderung der Bewusstseinsbildung bei den Stakeholdern. So können z.B. Deichgefahrenkarten mögliche Schwachstellen entlang einer Deichlinie lokalisieren. Aufbauend auf verschiedenen Sturmflutszenarien wurde die Belastung und das Stabilitätsverhalten exemplarisch für die Deiche entlang der Deichlinie der Tideelbe in Schleswig-Holstein analysiert und mit probabilistischen Ansätzen deren Versagenswahrscheinlichkeiten infolge von Wellenüberlauf und Überströmen bestimmt. Diese Versagenswahrscheinlichkeiten können in Form von Deichgefahrenkarten visualisiert und sowohl zur Aufklärung als auch zur Identifizierung von Deichabschnitten in denen Anpassungsbedarf besteht, dienen.

Instrumente (zur Umsetzung)

Im Rahmen von KLIMZUG Nord wurden verschiedene Instrumente und Methoden erprobt, die ihren Beitrag leisten, um kurzfristige wie auch langfristige Lösungswege zu den aufgezeigten Problemen der Klimafolgen zu finden.

LAAs

In sogenannten LAAs (Learning & Action Alliances) wird ein ausgewählter interdisziplinärer Teilnehmerkreis für die aufgezeigte Problematik sensibilisiert. Hier entsteht neben der Sensibilisierung die Entwicklung eines gemeinsamen Problembewusstseins und Förderung des Systemverständnisses. Zudem wird bei LAAs eine gemeinsame Planung von möglichen Maßnahmen interdisziplinär diskutiert und - sofern möglich - auch durchgeführt. Für diese Planung von Maßnahmen können u.a. Planungstools wie Kalypso Planer Client miteinbezogen werden. Der Ansatz von LAAs wurde im Rahmen der Modellgebiete Elmshorn samt Umland sowie dem Alten Land erprobt. In einem nächsten Schritt wird ein solcher Ansatz auch für die Tideelbe als zielführend erachtet. Im Rahmen von KLIMZUG Nord wurden hierfür vorbereitende Schritte eingeleitet.

Interaktive Planungstools

Zu den LAAs wurden interaktive Planungstools wie Kalypso Planner Client, im Rahmen von KLIMZUG Nord weiterentwickelt und eingesetzt. Diese Tools basieren auf hydrodynamischen Modellen in Kombination mit Geo-Informationssystemen, und können die interdisziplinäre Entscheidungsfindung von möglichen Hochwasserschutzmaßnahmen unterstützen. Mithilfe dieser Tools können die von den Stakeholdern entwickelten Maßnahmen bzw. deren Folgen und Auswirkungen abgeschätzt werden. Zielgruppe dieser Tools sind insbesondere die zuständigen Behörden und betroffenen Institutionen, die keine tieferen hydrodynamischen Modellierungserfahrungen haben. So können bei den LAAs zum Beispiel Stadtplaner, Ingenieure, Verantwortliche für den Katastrophenschutz und auch betroffene Bürger teilnehmen, die dann interdisziplinär für die betroffenen Regionen bzw. Fokusgebiete mögliche Szenarien (z.B.: Auswirkungen eines Deichbruchs infolge einer schweren Sturmflut) und/oder Anpassungsmaßnahmen (z.B.: Anschließen von Poldern oder Verlängerung der Deichlinie) diskutieren, entwickeln und in das Modell implementieren. Damit ist es möglich, die Effizienz und die Auswirkungen der interdisziplinär entwickelten Maßnahmen aber auch die Auswirkungen von Überflutungen, zu erfassen, bevor solche Ereignisse geschehen könnten bzw. Maßnahmen real umgesetzt werden.

Empfehlungen

Eine regelmäßige Überprüfung des Schutzstandards ist auf Grund der langfristigen Unsicherheiten sinnvoll und erforderlich. Es muss bei einer kurzfristigen Anpassung stets der langfristige Aspekt berücksichtigt werden. Daher werden bei dieser Anpassung No-Regret Lösungen empfohlen, die bereits einen zusätzlichen Meeresspiegelanstieg einkalkulieren. Bei einer langfristigen Anpassung muss gewährleistet sein, dass der obere Unsicherheitsbereich abgedeckt ist. Die eingeschlagene Strategie muss Elemente beinhalten mit denen flexibel reagiert werden kann. Aus diesem Grund muss zur langfristigen Anpassung ein integriertes und flexibles Konzept bereits in naher Zukunft entwickelt werden. Hierbei ist der traditionelle Weg der Anpassung nicht zwangsläufig auch der zukünftige Weg. Die Wiederherstellung der natürlichen Funktionen von Flächen, wie beispielsweise die Rückgewinnung von Flutraum, muss bei der langfristigen Anpassungsstrategie berücksichtigt werden. Somit ist eine Mischung aus direkten und indirekt wirkenden Maßnahmen zu empfehlen. So würden Deichgefahrenkarten und Hochwasserrisikokarten (beide indirekt wirkend) mögliche Fokusgebiete identifizieren. Direkt wirkende Maßnahmen, wie Polderanschlüsse sowie Rückgewinnung von Flutraum können dem anschließen.

Die Nutzung von Synergien mit anderen Disziplinen wie Naturschutz, Landwirtschaft und Tourismus muss bei der Maßnahmenfindung berücksichtigt werden. Zu diesen Anpassungsstrategien und Maßnahmenfindungen wird die Durchführung von LAAs empfohlen, bei denen der Einsatz von Planungstools einen schnellen Überblick über die Wirksamkeit und Robustheit von Anpassungsmaßnahmen vermitteln.

Aufgrund der möglichen Auswirkung des Klimawandels auf die Wasserstände, ist es erforderlich, Sicherheitsstandards für die Küstenschutzsysteme festzulegen und laufend fortzuschreiben. Für die Sicherheitsprüfung der Landesschutzdeiche wurden in Schleswig-Holstein gemäß der Fortschreibung des „Generalplans Küstenschutz des Landes Schleswig-Holsteins" (MELUR 2012) ein Referenzhochwasserstand (RHW) festgelegt. Die Festlegung dieses Referenzwasserstandes sollte in regelmäßigen Abständen (ca. alle 10 Jahre) fortgeschrieben werden. Zudem sollte die Festlegung der Sicherheitsstandards, die Sicherheitsprüfung und die Bemessung im Küstenschutz stets nach dem aktuellen Stand der Wissenschaft und Technik erfolgen.

Monitoring

Eine grundlegende Voraussetzung für die Erarbeitung von Strategien und Konzepten zur Gewährleistung von Sturmflutsicherheit ist die Kenntnis der langfristigen Entwicklung der Belastungsgrößen (MELUR 2012). Auch müssen für die Ermittlung der Veränderung hydrologischer Größen (Wasserstand, Strömung und Seegang) aufgrund von anthropogenen und klimatischen Einflüssen ausreichende Datengrundlagen geschaffen werden und entsprechend aufbereitet und ausgewertet werden. Hierfür ist es erforderlich, dass möglichst lange, flächendeckende und verlässliche Zeitreihen des Meeresspiegels sowie weitere Parameter in dem Untersuchungsgebiet vorliegen bzw. erhoben werden. Ein entsprechendes gewässerkundliches Monitoring muss hierfür festgelegt werden.

Katastrophenschutz

Auch wenn der Küsten- und Hochwasserschutz schon jetzt einen hohen Sicherheitsschutz gewährleistet, sind der Katastrophenschutz sowie die Gefahrenabwehr unverzichtbar. Die zuständigen Behörden und betroffenen Institutionen sollten daher detaillierte Abwehrpläne erstellen und vorhalten und durch Ausbildung und Übungen das betroffene Personal entsprechend schulen.

Projektpartner im Teilprojekt T1.3:

Kontakt:

Dipl.-Ing. Suleman Shaikh
Technische Universität Hamburg-Harburg
suleman.shaikh@tuhh.de

 

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