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PIK Report No. 17

2. Zusammenfassung des Rundgesprächs

2.1 Themenbereich Klima & Niederschlag (Rapporteur: G. Tetzlaff)

2.1.1 Diagnose

  • In der Praxis werden flächenbezogene Informationen über die Häufigkeit und den zeitlichen Verlauf von Niederschlägen benötigt, zusätzlich auch ihre langfristigen Veränderungen in der Zukunft. Solche Veränderungen sind in unterschiedlichen Formen Bestandteil des Klimasystems. Für die Vergangenheit lassen sie sich aus Zeitreihen der Meßwerte einer oder mehrerer Niederschlagsmeßstationen gewinnen. Die niederschlagsbildenden Prozesse sind sehr komplex und erstrecken sich über einen großen Bereich in Raum und Zeit, von der Kondensation des einzelnen Tropfens bis zur allgemeinen atmosphärischen Zirkulation. Parametrisch lassen sich Beziehungen zwischen der Wetterlage und der Menge von flächenhaften Niederschlägen herstellen.

2.1.2 Prognose

  • Klimavorhersagen werden mit Hilfe von mathematisch-numerischen Modellen erstellt. Diese erlauben auch erste Abschätzungen für die Veränderung von Niederschlagshöhen. Die Veränderung von großen Niederschlagsereignissen in regionaler (ca. 104 - 105 km2) und lokaler (ca. 10 - 104 km2) Verteilung ist aus solchen Modellergebnissen nicht unmittelbar ableitbar. Hierzu werden ergänzende, parametrische Verfahren benötigt. Die Prognosemöglichkeiten der Klimamodelle für größerräumige atmosphärische Strukturen wie Wetterlagen beziehen sich in erster Linie auf global gemittelte Veränderungen und weniger auf kleinerräumige.

  • Vorhersagen über Zeiträume von etwa einer Woche stützen sich auf die bewährten Wettervorhersagemodelle. Mit Zusatzmodellen zur quantitativen Beschreibung regionaler und kleinräumiger Prozesse lassen sich für ein Gebiet Wochenvorhersagen über alle wasserhaushaltlichen Komponenten gewinnen. Eine Abschätzung langfristiger Veränderungen von Extrem- und Mittelwerten der Niederschläge ist auf der Grundlage von parametrisch arbeitenden Szenariobetrachtungen vorstellbar.

2.1.3 Diskussion

  • Die bisherigen Ergebnisse der Klimamodelle können wichtige Hinweise auf zukünftige Veränderungen des globalen Klimas geben. Die Umsetzung in praktisch anwendbare Niederschlagsdaten erfordert zusätzliche Methoden. Die vorgestellten Methoden zum Downscaling stützen sich auf Großwetterlagen und auf größerflächig repräsentative Meßwerte. Beide Verfahren haben wegen der parametrischen Darstellung der Niederschlagsprozesse prinzipielle Grenzen.

  • Die Diskussion stellte die Notwendigkeit zur weiteren Entwicklung der Downscaling-Verfahren heraus. Vor allem müssen solche Verfahren für Niederschlagsereignisse aufbereitet und validiert werden. Das kann nur erreicht werden, wenn parametrische Darstellungen der Zusammenhänge von großräumigen Atmosphärenstrukturen und Niederschlagsereignissen physikalisch abgesichert werden.

  • Es besteht sofort Bedarf an Aussagen zur Veränderung von Niederschlagsereignissen in der Zukunft. Dies gilt vor allem für kleinere Einzugsgebiete und die Veränderung der Extremwerte. Die Downscaling-Verfahren dazu sind noch in Entwicklung. Um aber schon jetzt Ergebnisse der Klimamodelle auf kleinere Einzugsgebiete zu übertragen, wurde vorgeschlagen, mit Hilfe der Definition von geeigneten Niederschlagsereignissen vorzugehen. Dazu sollen eine begrenzte Anzahl von physikalisch in sich konsistenten Datensätzen (Szenarien) für kleinere Gebiete aus den großräumigen Werten der Klimavorhersage abgeleitet werden.

2.2 Themenbereich Hochwasserabfluß (Rapporteur: G. Rouvé)

2.2.1 Statistische Beurteilung mancher Abflußereignisse

  • Wie an zwei Beispielen des nördlichen Schwarzwaldes gezeigt wird, können sich Veränderungen des Klimas und der Niederschlagshäufigkeit und -intensität besonders bei manchen kleinen Einzugsgebieten bemerkbar machen. Die Zunahme der Scheitelabflüsse infolge der gestiegenen Häufigkeit der sogenannten "Westlage Zyklonal" ist auffällig. Betrachtet man nur die Jahresabflußextremwerte der letzten Jahre (etwa seit 1980), so könnte derzeit geschlossen werden, daß für zahlreiche kleinere Einzugsgebiete infolge der Klimaänderung mit einer deutlich höheren Auftretenswahrscheinlichkeit eines Hochwassers zu rechnen wäre als bei Betrachtung längerer Zeitreihen (z.B. seit 1930). Es wurde aber betont, daß derartige Instationaritäten nicht für andere Einzugsgebiete ähnlicher Größe in unterschiedlicher geographischer Lage zutreffen müssen.

2.2.2 Entstehungsmechanismen hochwasserauslösender Abflüsse

  • Für die Beurteilung der Entstehungsmechanismen hochwasserauslösender Abflüsse in den Flußgebieten sind die Größe der Einzugsgebiete, die Fläche des überregneten Gebietes, die Niederschlagsintensität und -dauer, die Topographie und die zeitlich veränderliche Oberflächenbeschaffenheit von entscheidendem Einfluß. Der Landoberflächenabfluß als Hauptbeitrag der Hochwasserereignisse in kleinen Gebieten im Gebirge und Hügelland zeichnet sich im allgemeinen durch eine extreme räumliche und zeitliche Variabilität aus und wird in erster Linie als Infiltrationsüberschuß gebildet. Entscheidender für größere Hochwasser in Mitteleuropa ist der Abfluß infolge Sättigungsüberschuß. Nach Sättigung von Teilflächen des Einzugsgebietes fließt der Niederschlag hier direkt dem Gewässer zu. Weitere typische Hochwassergefahren bilden sich im Bereich der Einmündung von Flüssen in Ströme durch Rückstau aus, wenn die Hochwasserspitzen zeitgleich oder zeitnah aufeinander treffen.

2.2.3 Beispiele der Hochwasserentwicklung im Rhein- und Elbegebiet

  • Am Beispiel des Rheins und vieler Nebenflüsse kann der anthropogene Einfluß verdeutlicht werden. Die Auswirkungen anthropogener Eingriffe wie Versiegelung und Hochwasserrückhaltung in Teileinzugsgebieten sind nachgewiesen aber im einzelnen nicht quantifizierbar.
    Als Folge der unterschiedlichen Ausbaumaßnahmen des Oberrheins (Rektifikation, Schiffbarmachung, Ausbau der Staustufen sowie Verlegung und Bau von Hochwasserdämmen) überlagern sich die Hochwasserwellen des Rheins und seiner Nebenflüsse oftmals ungünstiger, vor allem im Raum zwischen Neckar- und Mainmündung.
    Die Niederschläge im Rheingebiet zeigen neben einer Zunahme auch eine Umverteilung: Abnahme im Sommer, Ansteigen im Winter. Die mittleren Winterabflüsse sind deutlich gestiegen.

  • An der Elbe wurde durch Deichbaumaßnahmen das natürliche Überflutungsgebiet ständig verringert. Im Einzugsgebiet der Oberen Elbe wurden, insbesondere auf tschechischem Gebiet, im 20. Jahrhundert große Stauräume und Hochwasser-Schutzräume geschaffen. Die schon früher durchgeführten scheitelerhöhenden Maßnahmen im Unterlauf wurden offensichtlich durch die scheitelreduzierenden Baumaßnahmen im Oberlauf teilweise ausgeglichen.
    Daß diese Ausgleichseffekte aber grundsätzlich nicht verallgemeinert werden können, zeigt daß Aprilhochwasser 1994 des Elbe-Nebenflusses Bode im Ostharz. Vorangegangene Niederschläge hatten die Hochwasserschutzräume des Talsperrensystems gefüllt, als eine starke Überregnung im östlichen Harz einsetzte, die zu einem 200-jährlichen Hochwasserereignis außerhalb des durch Talsperren beeinflußten Gebietes führten.

2.2.4 Veränderungen am Gewässerlauf

  • Bei der Diskussion im Hinblick auf gegebenenfalls steigende HochwasserScheitelabflüsse müssen gezielte Eingriffe in das jeweilige Flußregime beachtet werden. Die bereits erwähnten Baumaßnahmen am Oberrhein haben das Regime des Rheins nachhaltig verändert. Mit den planmäßig ausgeführten Veränderungen der Flußgeometrie in Quer- und Längsprofilen trat auch eine längerfristig zu beobachtende Verformung der Hochwasserwellen ein.

  • Am Niederrhein führten Bergsenkungen als Folge des Kohleabbaues zu unvermeidlichen Sohlabsenkungen mit einer regelrechten Mulde im Längsprofil. Die für die Schiffahrt benötigten Buhnenwerke stellen bei den üblicherweise angewendeten Bauweisen eine Erhöhung der Sohlrauhheit dar, was sich bei Hochwasserabfluß bemerkbar macht.

2.3 Themenbereich Landnutzung & Versiegelung (Rapporteur: U. Grünewald)

2.3.1 Diagnose

  • Vor allem kleinräumig können Urbanisierungswirkungen wie Flächen versiegelungen und direkte Einleitungen von Niederschlagswasser aus kommunalen Entwässerungssystemen bei Starkregen zur deutlichen Erhöhung häufig auftretender Hochwasser mit kleineren und mittleren Scheitelhöhen führen. Obwohl diese weniger spektakulär erscheinen, ist ihnen oft der Hauptbeitrag zur Hochwasserschadenssumme über einen längeren Zeitraum zuzurechnen.

  • Der Anteil der Siedlungsflächen auf dem Gebiet der alten deutschen Bundesländer hat sich von sechs Prozent im Jahre 1950 auf heute ca. dreizehn Prozent mehr als verdoppelt. Dieser mittlere Wert verteilt sich jedoch räumlich sehr unterschiedlich. In kleineren Einzugsgebieten treten neben den Verlusten an Infiltrations- und Retentionsflächen, an Feuchtgebieten u. ä. teilweise erheblich größere prozentuale Versiegelungseffekte auf, die zu einer deutlichen Abflußerhöhung bei Hochwassern kleiner Jährlichkeit (häufigere Ereignisse) führen können.

  • Ähnliche Wirkungen werden der großräumigen Bodenverdichtung in der Folge zu häufigen Befahrens landwirtschaftlicher Nutzflächen mit schweren Bearbeitungsgeräten zugeschrieben. Dabei tritt neben eine Verminderung der Infiltrationsfähigkeit der Böden eine drastische Minderung der Speicherfähigkeit, was wiederum insgesamt eine Erhöhung des Hochwasserabflusses bewirkt. Auch hiervon dürften vor allem kleinere Einzugsgebiete mit stark einseitigen Nutzungsstrukturen im Oberlauf der Flüsse besonders betroffen sein. Allgemeingültige quantitative Nachweise fehlen.

2.3.2 Folgerungen

  • Infolge der Retentionswirkung des Gewässers, der nicht beeinflußten Zwischengebietsflächen und des zeitlich versetzten Überlagerungsverhaltens der Teilabflüsse usw. wirken sich bei größeren Einzugsgebieten mit vielfältigeren Landnutzungsstrukturen die in Teilgebieten lokal entstandenen Hochwasser nur mehr abgeschwächt aus. Extreme Hochwasser mit großer Jährlichkeit (seltene Ereignisse) in großen Einzugsgebieten resultieren aus flächenhaft verteilten Starkniederschlägen, die auf Einzugsgebiete mit hoher natürlicher Abflußbereitschaft (große Vorniederschläge, die zur Feuchtesättigung der Gebiete führen, vorhergehender Frost, schnelles Abtauen der Schneedecke u. ä.) treffen.

2.3.3 Diskussion

  • Hochwasser ist das zufallsbehaftete Resultat der gleichgerichteten Überla- gerung einer großen Anzahl von Kombinationen verschiedenartiger meteo-rologischer Situationen und hydrologischer Gebietszustände. Je großflächiger diese Phänomene auftreten, desto geringer werden sich die Wirkungen von Landnutzung und Versiegelung auf den Hochwasserabfluß ausprägen.

2.4 Themenbereich Hochwasserrisikoanalyse (Rapporteur: M. Stock)

2.4.1 Diagnose

  • Bei Hochwasserschäden gilt es zu unterscheiden zwischen großräumigen Überflutungen entlang von Flüssen und lokalen Überschwemmungen, z.B. nach Gewittern. Die Schäden verteilen sich auf beide Hochwasserarten etwa zu gleichen Anteilen und sind in den letzten Jahren gestiegen. Daraus ergibt sich die Frage, ob die gängigen Verfahren im Umgang mit dem Hochwasserrisiko auch zukünftig noch angemessen sind.

  • Schon bei der Risikoermittlung und erst recht bei der Risikohandhabung wird deutlich, daß Hochwasserschaden nicht nur ein natürliches sondern auch ein gesellschaftliches Phänomen ist. Die Lageeinschätzung der Betroffenen beeinflußt stark das Schadensausmaß. Die subjektive Erwartung steht dem objektiven Schadenspotential gegenüber, das in der Regel unterschiedlich ist.

2.4.2 Folgerungen

  • Mit Hilfe verbesserter Methoden der Risikoanalyse und des Risikomanage- ments läßt sich der erforderliche und angemessene Forschungs- und Hand-lungsbedarf besser identifizieren und bewerten. Der Vorteil liegt in der Gesamtbetrachtung der Einflußfaktoren, von den meteorologischen Ursachen extremer Wetterereignisse und den physikalischen Gründen ihrer Veränderung bis hin zur gesellschaftlichen Akzeptanz von Hochwasserrisiken. Dabei sind unter anderem folgende Fragen zu beachten:
    Wie groß ist das gesellschaftlich akzeptable Hochwasserrisiko? Welchen Kosten für Maßnahmen der Vermeidung, Vorbeugung und Anpassung steht welcher Nutzen gegenüber? Was sind die Betroffenen und Verantwortlichen bereit zu tun?

  • Die bei der risikoorientierten Bemessung von wasserbaulichen Anlagen notwendige Quantifizierung von Versagenswahrscheinlichkeiten und Versagensfolgen für Leben und Sachwerte erfordert in der Regel einen sehr hohen Aufwand. Dies gilt insbesondere für die benötigten Daten. Für einen häufigeren Einsatz müssen daher vereinfachte Verfahren zur Risikoanalyse für Standardprobleme entwickelt werden.

2.4.3 Diskussion

  • Standardisierte Verfahren der Risikoanalyse können nicht nur in der Planung verwendet werden, sondern erlauben auch die Neubewertung bestehender Anlagen. Dies erfordert aber eine gesellschaftliche Verständigung über tolerierbare Grenzwerte des Risikos. Mittels der Risikoanalyse ließe sich eine Veränderung des Risikos flexibler handhaben als dies bei der bestehenden Bemessungspraxis möglich ist. Die subjektive Hochwassererwartung muß bei der Ermittlung zu erwartender Hochwasserschäden berücksichtigt werden.

  • Mehrere Beiträge machten deutlich, daß das übliche Herauslösen einzelner Ursachen-Wirkungen-Beziehungen bei der Hochwasseranalyse wenig hilf-reich ist. Diese Beschränkung kann zu Fehlbeurteilungen der Notwendigkeit bestimmter Maßnahmen der Hochwasservorsorge führen. Bei der Gesamt-betrachtung sollten neben den naturwissenschaftlichen Untersuchungs-methoden unbedingt auch die sozial- und gesellschaftswissenschaftlichen Betrachtungsweisen berücksichtigt werden.