Bereit für den Ernstfall: Wann kommt die Flut?

Das fwu der Universität Siegen hat in Kooperation mit dem Entsorgungsbetrieb der Stadt Siegen (ESi) ein Vorhaben gestartet, um Starkniederschläge im Stadtgebiet Siegen simulieren zu können.

Die Sieg fließt durch die Innenstadt von Siegen. Im Falle von Starkregen und Hochwasser ist besonders die Innenstadt gefährdet. Foto: Marco Verch

Die Sieg fließt durch die Innenstadt von Siegen. Im Falle von Starkregen und Hochwasser ist besonders die Innenstadt gefährdet. Foto: Marco Verch

Am 28. August 2002 regnet es in Siegen so stark, dass Keller und Wohnungen geflutet und Straßen überschwemmt werden. Die Regenfälle sind so heftig, dass ein Erdrutsch auf dem Friedhof in Kaan-Marienborn Särge vor die Wohnhäuser spült. Fünf Jahre später trifft es die benachbarte Gemeinde Wenden. Mit Blick auf die Starkregenereignisse im letzten Jahr, insbesondere in Düsseldorf sowie in kleineren Kommunen in Süd- und Ostdeutschland, ist deutlich geworden, dass nicht nur Flusshochwasser in Städten gravierende Schäden verursachen kann. Schaut man auf Statistiken und Wetter- und Klimaprognosen könnte das sogenannte pluviale Hochwasser, also durch starke, plötzliche Regenfälle verursachte Überflutungen, in Zukunft für immer mehr Kommunen zu einem schwerwiegenden Problem werden. Denn im Gegensatz zu fluvialem, also Flusshochwasser, lassen sich Starkregenereignisse und deren Ausmaß nur bedingt bis überhaupt nicht vorhersagen. Treten dann weniger extreme Ereignisse beider Quellen zeitgleich auf, kann es trotzdem zu einem Versagen der Entwässerungsinfrastruktur kommen. So kann ein mittleres Hochwasserereignis im Gewässer dazu führen, dass Niederschlagswasser nicht in ausreichendem Maße über die Kanalisation abgeschlagen werden kann und es infolgedessen zu einem Rückstau und somit zu Überschwemmungen kommt. Vor diesem Hintergrund führt das Forschungsinstitut Wasser und Umwelt (fwu) des Departments Bauingenieurwesen der Universität Siegen gemeinsam mit dem Entsorgungsbetrieb der Stadt Siegen (ESi) seit Anfang 2016 ein Projekt zur Simulation von Starkniederschlägen im Stadtgebiet Siegen (SiSSi) durch.

Ziel des Projekts ist, mittels Computermodell die potenziell gefährdeten Bereiche und Gebäude im Stadtgebiet von Siegen zu ermitteln. „Dabei schauen wir ganz konkret auch nach Situationen, in denen beide Gefahrenquellen, Flusshochwasser und Starkniederschlag, zusammen in Erscheinung treten und entwickeln methodische Ansätze für eine kombinierte Betrachtung“, erklärt Prof. Jürgen Jensen vom Lehrstuhl für Hydromechanik, Binnen- und Küstenwasserbau des fwu. Im Fokus der Untersuchungen steht das kommunale Entwässerungssystem, denn dort machen sich Schwachstellen bei Starkregenereignissen am ehesten bemerkbar. Das bedeutet im Umkehrschluss, dass besonders in diesem Bereich viel für die Überflutungsvorsorge getan werden kann. Am Ende soll ein numerisches Modell zur Identifizierung der potenziellen Hochwasserrisiken entstehen, das neben der Geländeoberfläche und den Gewässern außerdem das Kanalnetz abbildet. So soll die Interaktion der einzelnen Systeme untereinander berücksichtigt und bei der Simulation entsprechend abgebildet werden können.

Oben: Die Grafik zeigt die physikalische Abhängigkeit zwischen der Kanalisation und einem Fließgewässer, hier am Beispiel eines Trockenwetterabflusses. In diesem Fall fließt das häusliche Schmutzwasser durch den Kanal, ggf. durch ein Regenüberlaufbecken und anschließend zur Kläranlage. unten: Ist im Gewässer beispielsweise ein mittleres Hochwasser und es kommt gleichzeitig zu einem Starkregenereignis, so kann die Kanalisation aufgrund des Rückstaus nicht mehr vollständig über den Regenüberlauf in das Gewässer abschlagen und es kommt zu einem gewässerbedingten Rückstau und entsprechenden Überflutungen. Fotos: fwu

Oben: Die Grafik zeigt die physikalische Abhängigkeit zwischen der Kanalisation und einem Fließgewässer, hier am Beispiel eines Trockenwetterabflusses. In diesem Fall fließt das häusliche Schmutzwasser durch den Kanal, ggf. durch ein Regenüberlaufbecken und anschließend zur Kläranlage.
Unten: Ist im Gewässer beispielsweise ein mittleres Hochwasser und es kommt gleichzeitig zu einem Starkregenereignis, so kann die Kanalisation aufgrund des Rückstaus nicht mehr vollständig über den Regenüberlauf in das Gewässer abschlagen und es kommt zu einem gewässerbedingten Rückstau und entsprechenden Überflutungen. Fotos: fwu

Aktuell arbeiten neben Professor Jensen Dr.-Ing. Jens Bender (fwu) und Stefan Roth (ESi) als fachliche Leiter, zwei wissenschaftliche Mitarbeiter und zwei bis drei Studenten des fwu am Projekt, das in vier Arbeitspakete unterteilt ist. Zunächst müssen die detaillierten Daten, wie Digitale Geländemodelle, Orthofotos, Boden- und Landnutzungsdaten, Kanalstammdaten sowie meteorologische und hydrologische Daten angefordert und aufbereitet werden. „Das ist reine Fleißarbeit, denn dieser Teil des Projekts fordert am meisten Zeit, Arbeit und Genauigkeit und ist besonders fehleranfällig“, berichtet Professor Jensen. Untersucht wird das komplette Stadtgebiet Siegens, das aus 23 Stadtteilen besteht und sich auf rund 115 km² erstreckt. „Das bedeutet, unsere Mitarbeiter müssen die etwa 155 km Gewässer und 600 km Kanäle in diesem Gebiet überhaupt erstmal händisch erfassen. Dazu kommen noch rund 18.000 Kanalschächte, über 15.500 Straßenabläufe, 18 Regenüberlaufbecken, 55 Regenüberläufe und 15 Pumpwerke sowie zwei Kläranlagen. Diesen Teil haben wir zwar im Prinzip abgeschlossen, allerdings schleichen sich hier schnell mal Fehler ein. Daher müssen die Daten immer wieder überprüft und angepasst werden.“

Im zweiten Schritt folgt die Niederschlags-Abfluss-Modellierung (NA-Modell), mit der das gesamte Einzugsgebiet der oberen Sieg und ihrer Zuflüsse modelliert wird. „Mit diesem Modell können wir Niederschlagsereignisse in das Modell einsteuern und so an jedem beliebigen Punkt im Gewässersystem die resultierenden Bemessungsabflüsse, die Grundlage für hydraulische Modellierungen, ermitteln“, erklärt Professor Jensen. „Dieser Teil befindet sich aber auch schon in Bearbeitung.“

Im dritten Schritt wird das Kanalnetz dynamisch mit dem Oberflächenabfluss- und Gewässermodell gekoppelt. Für die Modellierung müssen die Wasserstände, Fließgeschwindigkeiten und Überschwemmungsflächen genau berechnet werden, um so den komplexen Ablauf eines Hochwasserereignisses besser modellieren und die Schwachpunkte der Entwässerungsinfrastruktur identifizieren zu können. Am Schluss steht dann die fertige Hochwasserschadensanalyse, die auf Basis der Modelle erstellt wird. „Wir wissen zum Beispiel, dass die wertigeren Regionen in Siegen mit den höchsten Mieten relativ niedrig bzw. nahe der Sieg gelegen und deshalb ohnehin schon durch Hochwasser gefährdet sind. Kommt dann unerwartet Starkregen hinzu, muss es ein Entwässerungssystem und andere bauliche Vorkehrungen geben, die eine Überschwemmung und größere – vor allem finanzielle Schäden – für die Eigentümer verhindern“, erklärt Prof. Jensen. „Das können auch einfache bauliche Maßnahmen, wie die Erhöhung des Bordsteins um wenige Zentimeter oder Verwallungen sein. Die Entscheidungsgrundlage liefern dann zum Beispiel Starkregen- oder Hochwassergefahrenkarten die mit unserem Modell erstellt werden.“

1.20 Wasser-/Abwassermanagement

Barthauer Software GmbH

Seit über 25 Jahren entwickelt BARTHAUER zuverlässige Infrainformatik-Software.
Das Netzinformationssystem BaSYS bietet umfassende Tools für die Sparten
Kanal, Wasser, Gas und Kabel. Mit GeoDS, dem Geoobjects Design Studio, können
beliebige Geoobjekte oder Kataster für jedwedes kommunales Inventar erschaffen
werden. Weltweit einzigartig lassen sich BARTHAUER Produkte dank Multiplattformkonzept
investitionssichernd in alle GIS/CAD-Systeme integrieren.

DATEV eG

Team Public Sector
Die DATEV eG unterstützt mit einer über 50-jährigen Erfahrung als Softwarehaus und IT-Dienstleister Steuerberater, Wirtschaftsprüfer und Rechtsanwälte sowie deren zumeist mittelständische Mandanten. Das Unternehmen zählt zu den größten Informationsdienstleistern und Softwarehäusern in Europa und bietet auch kommunale Kompetenz.
Denn DATEV liefert speziell auf die kommunalen Belange abgestimmte Beratung sowie ein durchgängiges Software-System rund um das Finanz- und Personalwesen.

GreenGate AG

Die GreenGate AG entwickelt hoch anpassungsfähige und innovative Softwarelösungen für die strategische Instandhaltung von Anlagen und Infrastrukturen. Ver- und Entsorger müssen gesetzliche Vorgaben erfüllen und Versorgungssicherheit gewährleisten. Mit unserer Softwarelösung planen, dokumentieren und überwachen Sie Ihre Betriebs- und Instandhaltungsprozesse effizient und wirtschaftlich.

NIS AG Netzinformationssysteme

Die NIS AG bietet seit über 20 Jahren mit rund 30 qualifizierten Mitarbeitenden
für Ver- und Entsorgungsunternehmen im Bereich der Netzinformation
und des Asset Management ganzheitliche und innovative Lösungen an.
Sie ist lizenzierter „value added Partner“ von GE Grid Solutions. Der Leistungskatalog
der NIS AG umfasst Beratung/Consulting, Softwareentwicklung, Schulung
und Outsourcing-Dienstleistungen.

RIWA GmbH

Gesellschaft für Geoinformationen
Als erfolgreiches und innovatives Unternehmen bieten wir gesamtheitliche Lösungen auf den Gebieten Geoinformationssysteme, Vermessung, Wasserwirtschaft, Internetauskunftssysteme und den damit verbundenen Dienstleistungen, die sich an kommunale Verwaltungen, Zweckverbände, Stadtwerke, Industriebetriebe und Baufirmen, Energieversorger sowie gewerbliche und private Bauherren richten.

Intergraph – Division Hexagon Safety & Infrastructure

Intergraphs Division Hexagon Safety & Infrastructure ist ein weltweiter
Anbieter von Geo-Lösungen (GIS) sowie von Einsatzleit-/Lage-/Stabsinformationssystemen.
Unsere branchenspezifische Software ermöglicht die
übersichtliche Darstellung, Analyse und organisationsübergreifende Bereitstellung
selbst von hoch komplexen Daten – zum Schutz der öffentlichen
Sicherheit und Betrieb von Infrastrukturen.

SAG GmbH, Bereich CeGIT

Mit 400 Mitarbeitern bietet SAG CeGIT Lösungen und Dienstleistungen zu
Asset- & Netzdatenmanagement, Betriebsführung, Instandhaltung, Trassierung,
Fernerkundung, Netzplanung und Smart Grids. Jahrzehntelange Erfahrungen
der SAG von Aufbau bis Betrieb von Energieanlagen & -netzen sind Basis unserer
Lösungen, die Wettbewerbs- und Zukunftsfähigkeit von Stadtwerken,
Netzbetreibern, Kommunen und Industriebetrieben nachhaltig unterstützen.

Nach bisherigem Stand ist die Analyse allerdings erstmal nur für Siegen selbst gedacht. „Unser Ziel ist es nicht, ein fertiges Produkt für die Anwendung in anderen Städten zu entwickeln, das würde auch den Rahmen des Projekts sprengen“, erklärt Professor Jensen. Profitieren sollen andere Kommunen aber trotzdem. „Mit SiSSi wollen wir einen methodischen Ansatz liefern, quasi einen Nachweis, dass unsere Idee – pluviales Hochwasser als dynamischen Prozess darzustellen – funktioniert. Dies könnte dann ein Anreiz für andere Kommunen sein, in ähnliche Projekte zu investieren.“

www.fwu.uni-siegen.de/wb