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
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
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.“
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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.“