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PIK Report No. 17

5. Statusbericht zum Rundgespräch

"Hochwasser in Deutschland unter Aspekten globaler Veränderungen"
(diente als Vorabunterlage anläßlich des Rundgesprächs)

Dr.-Ing. A. Bronstert
Potsdam Institut für Klimafolgenforschung e.V.
Postfach 60 12 03
14412 Potsdam, im Oktober 1995

1 Einleitung: Vom Starkregen zum Hochwasserschaden

2 Raum- und Zeitskalen

3 Einflüsse von globalen Änderungen auf Hochwasserereignisse

4 Mögliche Gegenmaßnahmen

5 Literaturangaben

5.1 Einleitung: Vom Starkregen zum Hochwasserschaden

In der jüngeren Vergangenheit trat das Problem der Hochwasser und der damit verbundenen Schäden sowohl in Deutschland als auch in anderen Staaten immer stärker in die öffentliche Diskussion. Ursache für eine verstärkte Besorgnis sind sowohl ein gehäuftes Auftreten von Hochwasserereignissen in den letzten Jahren, als auch eine für Umweltfragen und Naturbelange zunehmend sensibilisierte Öffentlichkeit. Bei solchen Ereignissen wird zunehmend diskutiert, inwieweit Klimaänderungen, Flußbegradigungen oder Veränderungen in der Landschaft den Hochwasserabfluß erhöht haben. Die Ursache-Wirkungs-Beziehungen sind aber nur zum Teil geklärt und belegbar.

Auf Initiative des deutschen Komitees für die Internationale Dekade zur Katastrophenvorbeugung (IDNDR) lud die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) zu einem Rundgespräch unter Experten ein, um den aktuellen Wissensstand zu diesem Problemkreis zu diskutieren. An diesem Gespräch, das am 9. Oktober 1995 vom Potsdam Institut für Klimafolgenforschung (PIK) durchgeführt wurde, nahmen 22 Wissenschaftler aus Hochschulen, Forschungseinrichtungen, Verwaltung und Versicherungswirtschaft teil (Teilnehmerliste siehe S. 53). Dabei wurde der aktuelle Kenntnisstand zusammengefaßt und unter besonderer Berücksichtigung der Situation in Deutschland erörtert, inwieweit dringender Forschungsbedarf besteht und welche Schwerpunkte bearbeitet werden sollten.

Es besteht allgemeine Übereinstimmung, daß bei der Untersuchung und Ursachenforschung eines Hochwasserereignisses verschiedene Faktoren aus den Bereichen Meteorologie, Hydrologie, Hydraulik und Landesplanung betrachtet und möglichst separat bewertet werden müssen.

5.1.1 Meteorologische Faktoren

In den meisten Fällen ist das Auftreten von starken Niederschlägen eine notwendige Bedingung für die Entstehung eines Hochwasserereignisses. Die entscheidenden meteorologischen Größen sind die Dauer, Intensität und räumliche Ausdehnung des Regens. Schnelles Abtauen von Schnee (verbunden mit Regenfällen) erhöht zusätzlich die zum Abfluß gelangenden Wassermengen.

Hochwasserereignisse, welche nicht direkt mit Starkniederschlägen zusammenhängen sind ausgesprochen selten. Darunter sind beispielsweise die Situationen bei Seebeben, nach Dammbrüchen, nach Berg- oder Gletscherrutschungen oder infolge von Eisstau zu verstehen. Solche "exotischen" Ereignisse sollen aber hier nicht diskutiert werden.

5.1.2 Zustand des Einzugsgebietes

Niederschlagsereignisse verursachen große Abflußereignisse, wenn ein bedeutender Anteil des Niederschlags nicht infiltriert und anschließend als Oberflächenabfluß dem Gewässersystem zufließt. Die häufigsten Gründe für das Überschreiten der Infiltrationskapazität des Bodens sind natürlichen Ursprungs: Zum einen können Regen mit sehr hohen Intensitäten die aktuell mögliche Infiltrationsrate der Bodenoberfläche übertreffen ("Infiltrationsüberschuß"). Zum anderen können durch langanhaltende Vorregen der Grundwasserspiegel großflächig angehoben, die gesättigten Flächen in der Nähe der Gewässer ausgedehnt und generell der Boden zu einem hohen Sättigungsgrad gelangen, so daß kein oder nur noch sehr wenig freier Porenraum zur Aufnahme des Niederschlags zur Verfügung steht ("Sättigungsüberschuß").

Aber auch weitere Faktoren können die Wasseraufnahmekapazität der Einzugsgebietsfläche beeinflussen. Zu nennen sind insbesondere Bodenfrost, Verkrustungs-, Verschlämmungs-, Verdichtungs- und Versiegelungsvorgänge an der Bodenoberfläche, welche die mögliche Infiltrationsrate sehr stark reduzieren können. Auch der Umfang und Zustand der Vegetationsdecke sowie die Ausprägung von Gebietsrelief und Mikrotopographie sind von Bedeutung.

5.1.3 Zustand des Gewässersystems

Die hydraulischen Rahmenbedingungen des Gewässersystems bestimmen, wieviel und wie schnell des dem Gewässer zugeflossenen Wassers im Flußbett oder in angrenzenden Überflutungsflächen transportiert werden kann und welcher Anteil in weiteren Reten-tionsräumen - gewünscht oder nicht - zeitweise zurückgehalten wird. Dabei ist auf die grundsätzliche Problematik hinzuweisen, daß Gerinnebedingungen, welche durch hohe Abflußkapazitäten an einem Gewässerabschnitt die Hochwasserwahrscheinlichkeit in diesem Bereich gering halten, die Situation für die unterliegenden Bereiche durch den ungedämpften Wasserzufluß verschlechtern.

5.1.4 Schadenspotential

Hochwasser führt erst zu wahrgenommenen Schäden, wenn Menschen oder deren Sachwerte in Mitleidenschaft gezogen werden. Je intensiver das potentielle Überschwemmungsgebiet genutzt und je geringer dort Vorkehrungen gegen Hochwassergefahren getroffen werden, desto höher ist das Schadenspotential.

Jeder dieser Faktoren kann bei spezifisch ungünstiger Bedingung zu einer Erhöhung des Risikos von Hochwasserschäden beitragen. Erst wenn sich alle vier Faktoren in ungünstiger Konstellation überlagern, kommt es zu Hochwasserereignissen mit den gefürchteten Schäden. Die möglichen Einzelzustände und Überlagerungskonstellationen der Faktoren sind sehr vielfältig und teilweise zufallsbehaftet. Das Fehlen nur einer ungünstigen Bedingung (innerhalb einer generell ungünstigen Konstellation) kann den Unterschied zwischen Hochwasserkatastrophe und Abflußverhältnissen ohne große Schäden bedeuten. Es ist offensichtlich, daß jeder dieser Faktoren vom Menschen - allerdings in unterschiedlichem Ausmaß - beeinflußt wird.

5.2 Raum- und Zeitskalen

Die Größe des betrachteten Einzugsgebietes (also die zugrunde liegende "Raumskala") spielt für die Untersuchung von Niederschlags-Abfluß-Vorgängen eine entscheidende Rolle. Beispielsweise bestimmen bei Kleinstgebieten (etwa Feldgröße) die Größenordnung der jeweiligen bodenphysikalischen Vorgänge (die "mikroskaligen hydrologischen Prozesse") Infiltration, Muldenverlust, Oberflächenabfluß, Interzeption, Evapotranspiration etc., entscheidend die Reaktion auf einen Niederschlag. Bei größeren Einzugsgebieten (Mesoskala) tritt die Entwässerungsmöglichkeit aus den Landflächen - also Ausdehnung und Verlauf des Vorfluternetzes - sowie die Translations- und Retentionseigenschaften der Vorfluter selbst hinzu. Diese Vorflutercharakteristika treten bei größer werdenden Einzugsgebieten immer stärker in den Vordergrund. Es ist offensichtlich, daß auch bei Untersuchungen der Effekte von globalen Veränderungen auf den Wasserhaushalt unbedingt die jeweils zugrunde liegende hydrologische Raumskala beachtet werden muß.

Die Stärke des Abflußgeschehens in dem betroffenen Gebiet muß außerdem in Zusammenhang mit den zeitlichen Charakteristika des betrachteten Ereignisses gesehen werden ("Zeitskala"). Bei kleinen Gebieten sind in erster Linie kurze und hochintensive Niederschläge (Gewitterregen) hochwasserauslösend. Für Hochwasser größerer Gebiete sind fast immer Dauerregen von mehreren Tagen oder Wochen in Verbindung mit hohen Vorbodenfeuchten verantwortlich.

Der Zusammenhang von Intensität und Dauer des Niederschlags und dem Gebiets-zustand ist weiterhin von besonderer Wichtigkeit. Wird der Untersuchung etwa

eine Niederschlagsmenge zugrunde gelegt, die zur Sättigung des gesamten Porenvolumens führen wird, so kann eine etwaige Bodenverdichtung nicht zu einer noch stärkeren Oberflächenabflußbildung führen, da eine signifikante Infiltrationsmöglichkeit ohnehin nicht mehr gegeben ist.

Quantitative Untersuchungen zur Abhängigkeit des Hochwassersausmaßes von der Auftretenswahrscheinlichkeit des betrachteten Niederschlages einerseits und des Einzugsgebietszustandes andererseits wurden bisher nur vereinzelt unternommen.

Einen Ansatzpunkt bieten die prinzipiellen Untersuchungen von Wood et al. (1990) zum Einfluß der Niederschlagsintensität und Gebietstopographie auf den Hochwasserabfluß. Danach kann für (zumindest manche) Einzugsgebiete darauf geschlossen werden, daß bei Starkniederschlägen mittlerer Auftretenswahrscheinlichkeiten (etwa 0,5 Jahre < Tn < 5 Jahre) die Abflußreaktion durch die

Gebietseigenschaften dominiert wird und somit auch anthropogen beeinflußbar ist. Dagegen dominieren bei noch höheren Jährlichkeiten (etwa Tn > 20 Jahre) die Niederschlagseigenschaften, so daß für diese Ereignisse Bodeneigenschaften weniger bedeutend sind. Somit können für diese Extremereignisse anthropogene Eingriffe in der Landschaft kaum Veränderungen der Gebietsreaktion bewirken.

Eine Übertragung der für einen Skalenbereich gewonnenen Erkenntnisse auf einen anderen ist nur mit großem Aufwand mithilfe hydrologischer Modelle möglich. Skalierungsübergänge - sowohl bei Modellansätzen als auch bei Parametrisierungen - sind derzeit eines der herausforderndsten Forschungsbereiche der Hydrologie und ist in Deutschland momentan im Schwerpunktprogramm "Regionalisierung in der Hydrologie"der DFG konzentriert (Kleeberg, 1992).

5.3 Einflüsse von globalen Änderungen auf Hochwasserereignisse

Wie zuvor bemerkt, können alle genannten Faktoren Klima, Einzugsgebietszustand, Gewässersystem und Schadenspotential Änderungen unterliegen. Weisen diese Änderungen einen zeitlichen Trend auf und sind sie nicht regional begrenzt, so sollen sie als globale Änderungen bezeichnet werden. Es ist prinzipiell nicht von Bedeutung, ob diese Änderungen anthropogen bedingt oder natürlichen Ursprungs sind. Allerdings ist offensichtlich, daß nur durch den Menschen bedingte Änderungen auch Ansätze zu Gegenmaßnahmen bieten.

5.3.1 Meteorologische Faktoren

Es gilt mittlerweile als gesichert, daß die Menschheit durch den Ausstoß von Spurengasen und CO2 das Klima beeinflußt. Bei der Diskussion der Effekte von Klimaänderungen auf das Hochwassergeschehen sind die meteorologischen Bedingungen natürlich von primärer Bedeutung. Die Eigenschaften der starken Niederschläge hinsichtlich Menge, Intensität, Dauer und Häufigkeit sowie Menge und Häufigkeit von Schneeschmelzereignissen sind die wichtigsten meteorologischen Kenngrößen im Zusammenhang mit Hochwasserentstehung. Falls eine Klimaänderung eine Änderung dieser Charakteristiken mit sich bringt, wird sich damit auch die Hochwassersituation ändern.

Mit welchem Trend und in welchem Umfang sich diese meteorologischen Größen verändern, ist allerdings bisher nur sehr unsicher zu beantworten. Auch inwieweit solche Änderungen durch Gegeneffekte gedämpft werden, wie die raumzeitlichen Verteilungen aussehen und wie sensibel (Hochwasser-)Abfluß auf erhöhte Niederschläge reagiert, ist mit physikalischen Modellen bislang nur bedingt beschreibbar.

5.3.2 Zustand des Einzugsgebietes

Etwas eindeutiger ist die Wirkungsabfolge bei anthropogen bedingten Änderungen in der Einzugsgebietsfläche. Die Änderungen sind quantifizierbar, und die jeweiligen Auswirkungen auf die Abflußentstehung sind - einzeln betrachtet - aufgrund der Kenntnis des Infiltrationsprozesses ermittelbar. Das Problem hier liegt einerseits in der hohen Variabilität der Landoberfläche und andererseits in dem integrierenden Effekt der Abflußkonzentration. Eine erhöhte Abflußbildung in einem Teilgebiet muß bei einer gleichzeitigen Veränderung der Konzentrationsgeschwindigkeit noch keine Hochwasserverstärkung bedeuten. Ein "Vorlaufen" eines Teiles einer Hochwasserwelle kann auch eine Hochwasserdämpfung bewirken. Ein schönes Beispiel hierfür ist die Untersuchung von Vischer (1993).

Ein Einfluß von Einzugsgebietsänderungen auf die Hochwasserentstehung ist also grundsätzlich gegeben, die konkreten Folgen sind allerdings nicht verallgemeinerbar und müssen für das fragliche Gebiet sowie den zugrunde gelegten Niederschlag und die jeweilige Skala im Detail bestimmt werden. Entscheidend ist, welcher Anteil des Gebietes von den Änderungen betroffen ist und ob es kleinskalige Vorgänge gibt, die einer Abflußerhöhung in der größeren Skala entgegenlaufen.

Ein Klimawandel bringt langfristig auch eine Änderung der natürlichen Vegetationsdecke und eventuell auch der Bodenoberflächeneigenschaften mit sich. Dadurch kann, allerdings in geringerem Ausmaß als über die meteorologischen Verhältnissen, eine Klima-änderung einen weiteren direkten Effekt auf die Hochwasserentstehung ausüben.

5.3.3 Zustand des Gewässersystems

Anthropogene Eingriffe in die Gewässerläufe gibt es seit jeher. Ein beträchtlicher Anteil dieser Eingriffe gilt dem Hochwasserschutz, welche die Bevölkerung zumindest bei kleinen bis mittleren ("normalen") Hochwasser sehr erfolgreich vor Schäden schützt. Maßnahmen des Gewässerausbaus beinhalten die Anlage von Deichen, Rückhaltebecken, Talsperren, Staustufen und Poldern sowie Flußbegradigungen und Veränderungen der Gewässersohle. Je nach Zielsetzung der Baumaßnahme können Beschleunigungen oder Verzögerungen des Wellenablaufes und eine verringerte oder erhöhte Retention die Folge sein. Da in der Vergangenheit neben Hochwasserschutz und Schiffbarmachung ein weiteres wichtiges Ziel des Flußausbaus die dauerhafte Verfügbarkeit von landwirtschaftlichen und urbanen Flächen in der Nähe der Flüsse war (und zum Teil heute noch ist), wurden möglichst "landgewinnende" Projekte durchgeführt. Dabei wurde der Flußlauf verkürzt (begradigt) und der - insbesondere für den Hochwasserfall - verfügbare Fließquerschnitt reduziert. Diese Maßnahmen führten im Allgemeinen zu einer Beschleunigung des Wellenablaufs, zu einer Erhöhung der Hochwassergefahr im Unterlauf (wenn dort nicht ebenfalls ausgebaut wurde) und teilweise zu einer Überlagerung mit Hochwasserwellen aus Nebenflüssen.

Diese Auswirkungen folgen also nicht zwangsläufig aus dem Flußausbau zwecks Hochwasserschutz, sondern sind in Verbindung mit den Zielen Landgewinnung und Schifffahrt zu sehen. Auch hier sind die jeweiligen Auswirkungen auf den Hochwasserablauf und auf die Überflutungsbedingungen nicht generalisierbar und müssen für jeden diskutierten Fall analysiert werden.

5.3.4 Schadenspotential

Am offensichtlichsten ist die direkte Folge des durch Nutzung von potentiellen Überschwemmungsgebieten geschaffenen Schadenspotentials auf die auftretenden Schäden, sollte das Hochwasser bzw. die Überflutungen dann auch eintreten. Fast überall sind die Flußtäler bevorzugte Siedlungsgebiete. Während in der Vergangenheit die urbanen Flächen dabei meist an den etwas höher gelegenen Örtlichkeiten angelegt wurden und die tiefliegenden der Landwirtschaft vorbehalten waren, sind in den letzten Jahrzehnten die Wohn-, Verkehr- und Industrieflächen großteils in die Überschwemmungsgebiete hinein ausgeweitet worden.

Eine Erhöhung des Wohlstandes der gesamten Gesellschaft äußert sich durchaus in einem gleichzeitigen Anstieg des Schadenspotentials im Hochwasserfall. Es kann vermutet werden, daß der Anstieg in potentiellen Überschwemmungsgebieten im Vergleich zum mittleren Anstieg des BSP gar überproportional erfolgt, da sich neu ausgewiesene Siedlungsgebiete oft in den (noch freien) Niederungsgebieten der Flußtäler konzentrieren, sofern dem nicht gezielt von politischer Seite entgegengesteuert wird.

5.4 Mögliche Gegenmaßnahmen

Gegenmaßnahmen zur Minderung der Hochwasserereignisse und der verursachten Schäden sollten zielgerichtet im Sinne eines optimierten Einsatzes der begrenzten finanziellen Ressourcen eingesetzt werden. Dabei ist zudem darauf hinzuwirken, daß die angestrebten Maßnahmen anderen Zielsetzungen der Umwelt-, Landschafts- und Gewässerplanung möglichst nicht widersprechen. Gefragt sind integrierte Ansätze, die neben dem Hochwasserschutz auch ökologische und ökonomische Belange berücksichtigen.

Gegenmaßnahmen in dem Themenkreis der Klimaänderungen sind schnell definiert. Die Reduzierung der treibhausrelevanten Gase ist eine von fast allen politischen Gruppen erhobene Forderung und braucht hier nicht diskutiert werden.

Allerdings ist die Frage, inwieweit dadurch mit einer Verbesserung der Hochwassersituation gerechnet werden könnte, nicht seriös zu quantifizieren. Zum einen sind die Auswirkungen von Klimaänderungen auf das Niederschlagsgeschehen mit großen Unsicherheiten behaftet, zum anderen reagiert das Klima auf den Ausstoß der Treibhausgase - und insbesondere auf eine Änderung dieses Ausstoßes - recht träge. Mit tatsächlichen Effekten in Richtung geringerer Hochwassergefahren wird bei einer Reduktion der Treibhausgase also erst in mehreren Jahrzehnten und dann vermutlich auch nur in geringem Ausmaß zu rechnen sein.

Im Bereich der Nutzung des Einzugsgebietes lassen sich erfolgversprechende Gegenmaßnahmen in großen Flächen auch nur über große Zeiträume verwirklichen. Der Aufwand hierfür ist beträchtlich und die Änderung am (bisherigen) Ausgangszustand wird doch gering bleiben. Beispiele sind etwa der erhöhte Versiegelungsgrad der Landschaft durch Siedlungsgebiete und die großflächig durchgeführten Flurbereinigungen, die sich nur in sehr kleinem Umfang rückgängig machen ließen. Allerdings können in kleinen Gebieten durchaus Erfolge für kleine bis mittlere Hochwasserereignisse erzielt werden. Auch könnten Zielsetzungen aus Ökologie und Landschaftästhetik gleichzeitig mitverfolgt werden, und eine Trendwende in der Landnutzung in Richtung einer Verbesserung der Infiltrationseigenschaften einer zukünftigen möglichen Erhöhungen der Abflußbeiwerte entgegenlaufen.

Im Bereich des Gewässerausbaus lassen sich Maßnahmen definieren mit der Zielsetzung, eine Beschleunigung der Abflußwelle zu verhindern und die Retentionswirkung des Gewässers zu erhöhen. Ein solcher Hochwasserschutz erfordert aber die Existenz und Bereitstellung von Überschwemmungsflächen! Außerdem sind die Maßnahmen nur bis zu einem gewissen Punkt finanzierbar. Trotzdem kann im Bereich der Gewässer ein effektiver Hochwasserschutz betrieben werden und auch ökologischen Zielrichtungen bei zur Verfügung stehenden Polderflächen entsprochen werden. Zum Teil besteht in Deutschland auch noch die Möglichkeit, durch eine Verbesserung der Steuerung von Hochwasserrückhalteanlagen und/oder kombinierter Echtzeitsteuerung des Systems Fluß ´ Rückhalteanlagen die Hochwassersicherheit zu erhöhen.

Die Verminderung des Schadenspotentials in potentiellen Überflutungsgebieten bietet eine effektive Möglichkeit zur Reduktion von Hochwasserschäden. Dazu gehören

  • Verringerung/Vermeidung der Bebauung von Überflutungsflächen,

  • Risikoanalyse der Hochwasserschutzbauwerke und der zu schützenden Objekte,

  • Sicherung von Sachwerten gegen Wasserschaden nach dem Stand der Technik (vorsorgender, dezentraler Hochwasserschutz),

  • Erhöhung des Bewußtseins über Hochwassergefahren bei der betroffenen Bevölkerung (subjektive Hochwassererwartung),

  • verbesserter Katastrophenschutz (Einsatzdienste, Übungen der Bevölke- rung).

5.5 Literaturangaben

AIC - Konferenzen (Veranstalter) 1995: Hochwasserkatastrophen - Ursachen und Präventivmaßnahmen. Konferenz am 29. und 30. Juni 1995 in Köln.

Bardossy, A., Caspary, H. 1990: Detection of climate change in Europe by analysing European atmospheric circulation patterns from 1881 to 1989. Theoret. and Appl. Climatology, 42.

Bronstert, A., Seiert, S., Oberholzer, G. 1993: Maßnahmen der Flurbereinigung und ihre Wirkungen auf das Abflußverhalten ländlicher Gebiete. Schriftenreihe des Landesamts für Flurneuordnung und Landentwicklung Baden-Württemberg, Heft 3, Kornwestheim.

Kleeberg, H.-B. (Hrsg.) 1992: Regionalisierung in der Hydrologie. Mitteilung XI der Senatskommission für Wasserforschung. VCH, Weinheim.

Kleeberg, H.-B., Niekamp, O. 1993: Nationalreport Hochwasser. Bericht an das deutsche IDNDR-Sekretariat. Neubiberg.

Kleeberg, H.-B., Niekamp, O. 1995: Vorstudie zur Formulierung von Forschungen zur Verfügbarkeit von Wasser. Mitt. des Inst. für Wasserwesen, UdBW München, Nr. 55.

Länderarbeitsgemeinschaft Wasser-LAWA 1995: Leitlinien für einen zukunftsweisenden Hochwasserschutz. LAWA-Arbeitskreis "Hochwasser", Mai 1995.

Plate, E.J. 1992: Möglichkeiten und Grenzen einer Hochwasservorhersage. In: Hochwasservorhersage. Tagungsband zum Symposium am 6.11.1992, LfU, Baden-Württ., Karlsruhe.

Schumann, A. 1994: Veränderungen der deutschen wasserwirtschaftlichen Verhältnisse durch den Treibhauseffekt - ein kritischer Sachstandsbericht. Wasser und Boden, 8/1994.

Vischer, D. 1993: Versiegelung der Landschaft - größere Hochwasser? Gas, Wasser, Abfall, 73/4.

Wood, E.F., Silvaplan, M., Beven, K.J. 1990: Similarity and catchment storm response. Reviews of Geophysics, 28/1.