Die Deutsche Bahn baut ein Starkregenvorwarnsystem auf. Um die Sicherheit des Fahrbetriebs auch bei Extremwetterereignissen sicher und zuverlässig zu halten, nutzt die Bahn Starkregensimulationen und ein System für das Echtzeitmonitoring von Senceive.
Kai Herzogenrath erklärt das Starkregengefahrengebiet in unmittelbarer Nähe des Bahnhofs Mertesheim. Die große Hanglage sorgt bei Starkregen für hohes Wasseraufkommen am Durchlass (Hintergrund) und auch starken Wasserfluss an der Böschung des Bahnhofs (Standort der Bildaufnahme in der Karte markiert). Foto: OpenTopMap
Das Getreidefeld nahe des 400-Seelen-Ort Mertesheim liegt in gleißendem Sonnenlicht vor Kai Herzogenrath aus. Der frisch gemähte Acker ist eine leichte Hanglage, linker Hand kann man hinter einer bewaldeten Geländekuppe nicht erahnen, dass das Gelände dort noch weiter anstieg. Rechter Hand schlängelt sich die Trasse der Eistalbahn durch die Nordpfalz. Der Tiefbauspezialist Herzogenrath muss sich vor der sengenden Sonne schützen, doch seine Gedanken drehen sich eher um das kühle Nass. Genauer gesagt um extreme Starkregenereignisse, denn die werden für die Bahn im Allgemeinen und für die Trasse in Mertesheim im Besonderen immer mehr zur Gefahr. Wenn große Regenmengen in kurzer Zeit niedergehen, wird aus der Geländeformation, gerade bei trockenen Böden, die eine sehr geringe Saugfähigkeit besitzen, ein gefährlicher Trichter. Weiter unten, am tiefsten Geländepunkt direkt an der Trasse befindet sich ein Durchlass, der das Wasser weiter nach unten ins Tal des Eisbachs abführen soll. Mehr als 2.700 Liter Wasser pro Sekunde muss dieser Durchlass bewältigen können, das hat Herzogenrath über Simulationen ausrechnen lassen. Kann er dies nicht, droht das Wasser größere Schäden anzurichten, mit Gefahr sogar für Leib und Leben.
Die Gefahr kann brachial sein – wie die Deutsche Bahn im Sommer 2025 schmerzhaft erfahren musste. An einer Nebenstrecke in Riedlingen in Oberschwaben sorgte eine starkregeninduzierte gravitative Massenbewegung, so der geologische Fachausdruck für einen Hangrutsch, für ein überspültes Gleisbett, obwohl es, so der kürzlich veröffentlichte Untersuchungsbericht, noch nicht einmal außerordentlich stark geregnet hatte und die Strecke in einer für Starkregen niedrigen Gefahrenklasse eingeordnet war. Der nicht vorgewarnte Zug fuhr mit Regelgeschwindigkeit in den verschlammten Gleisabschnitt und entgleiste, obwohl der Erdrutsch insgesamt nur weniger als 10 Kubikmeter Erde umfasste. Das tragische Unglück forderte drei Todesopfer.
Das Problem landete umgehend in den Vorstandsetagen der Deutschen Bahn und ab September wurde Kai Herzogenrath, der als Spezialist für Entwässerungs- und Monitoringsysteme damit beauftragt, ein Starkregenvorwarnsystem für die DB zu entwickeln. Eine große und lebenswichtige Aufgabe, die Herzogenrath seitdem massiv beschäftigt.
Und folglich eine fruchtbare. Der Eisenbahninfrastrukturbetreiber hat beim Thema Starkregenrisiko Fahrt aufgenommen. Auf dem Streckenabschnitt in Mertesheim, der schon seit längerem als Risikostelle für Starkregen bekannt ist und schon Sperrungen wegen Starkregen erlebt hat, wurde innerhalb von nur einer Woche eine Lösung implementiert, die neben zwei weiteren Messfeldern (Backnang/Erdmannshausen) Grundlage, Lern- und Erfahrungsfeld für den Großkonzern ist.
Entscheidung für bundesweiten Einsatz im September 2027
Eine von der Bahn im Gefahrengebiet installierte Wetterstation, die in Kombination mit radarbasierter Starkregenvorhersage der Risikoabschätzung dient. Diese sollen in allen Gefahrengebieten aufgebaut werden, dazu kommen radarbasierte Systeme, die den Starkregenniedergang in den Teilgebieten genauer messen, als dies von den kommerziellen Wetterdatenanbietern oder dem DWD angeboten wird. Foto: sig Media GmbH
Starkregen und Schieneninfrastruktur – das ist eine seit Beginn des Eisenbahnzeitalters bekannte Risikobeziehung. Sie nimmt im Zeitalter des Klimawandels jedoch massiv zu: Starkregenereignisse werden immer intensiver, unvorhersehbarer und kommen weit häufiger vor, also in den vergangenen Jahrzehnten angenommen, wie bereits 2021 eine Studie des Potsdam-Instituts für Klimafolgenforschung (PIK), die von der Deutschen Bahn beauftragt wurde, bestätigt hatte. Die Folgen reichen von Hangmuren an Böschungen bis hin zu massiven Erdrutschungen oder Unterspülungen des Trassenkörpers. „Wir müssen alle diese Gefahren berücksichtigen und herausfinden, welche Extremereignisse bei welchen Strecken entweder eine Reduzierung der Fahrgeschwindigkeit oder eine vollständige Streckensperrung nach sich ziehen müssen“, beschreibt Herzogenrath. Das Starkregenfrühwarnsystem wird im Rahmen eines Strategieprogramms der DB evaluiert, wobei auch externe Experten mit involviert sind. „Es geht darum, das Konzept in der Tiefe zu pilotieren“, sagt Herzogenrath. Im September nächsten Jahres soll nach einer tiefgehenden Evaluation im Rahmen eines groß angelegten Innovationsprogramms der Bahn („sicher exzellent“) festgelegt werden, ob der dort verfolgte Ansatz für ein Starkregenvorwarnsystem reif für den bundesweiten Einsatz ist.
Dreiteiliges Risikokonzept
Die DB ist sich der Gefahren durch Starkregen schon lange bewusst, dennoch hat sie die jüngsten Ereignisse zum Anlass genommen, um ein Starkregenvorwarnsystem zu entwickeln. Ähnlich wie bei dem schon lange installierten Vorwarnsystem für umgestürzte Bäume nach Stürmen soll die Fahrdienstleitung genau informiert werden, um Geschwindigkeitsbegrenzungen und Streckensperrungen zielgerichtet einzurichten. Nach der Maxime: Maximale Sicherheit einerseits und möglichst wenig Sperrungen und Einschränkungen andererseits. Proaktives Handeln ist dabei entscheidend. „Wir müssen vor das Ereignis kommen!“, beschreibt Herzogenrath den Ansatz.
Dafür wird gerade ein dreistufiges Konzept entwickelt. Auf erster Ebene geht es um eine Starkregen-Prognose. Dafür nutzt die DB nicht nur am Markt verfügbare Wetterdaten, sondern baut auch ein eigenes Messnetz in den Gefährdungsgebieten für Starkregen auf. In Mertesheim werden dafür sowohl klassische Messstationen als auch radarbasierte Systeme installiert, die die Entwicklung von Starkregenzonen erfassen. Die Kombination punktueller Niederschlagsstationen und der Wetterradare soll räumlich und zeitlich hoch aufgelöste quantitative Niederschlagsdaten für die Gefahrenzonen liefern. Dadurch gewinnt die Bahn Daten, die das Verständnis für die lokalen Hot-Spots vertiefen.
Hintergrund dazu ist, dass Starkregenereignisse sehr lokal sind, spontan auftreten und sehr hohe Intensitäten in den Hot-Spot-Zonen entwickeln können. Im Zuge des Klimawandels gehen Meteorologen einvernehmlich davon aus, dass dieser Trend immer weiter zunehmen wird. Das installierte Messnetz der Wetterdatenanbieter ist jedoch sehr großmaschig, der Deutsche Wetterdienst betreibt aktuell beispielsweise 18 Wetterradare, die je im Umkreis von rund 180 Kilometern messen können. Lokale Superzellen mit Starkregenrisiko können dabei nicht so zuverlässig und genau erfasst werden, wie es die DB benötigt. Daher werden Messungen verstärkt, um genauere Prognosen für die Gefährdungsgebiete machen zu können.
Testprojekt nahe Eisenberg. Die Böschung (unter den Bäumen) ist durch sandige Böden geprägt, weshalb bei Starkregen plötzliche Hangrutsche wahrscheinlich sind. Daher sind keine Lasersensoren installiert. Foto: sig Media GmbH
Auf der zweiten Ebene installiert die Bahn Messstationen für die Bodenfeuchtigkeit. Sie liefern Erkenntnisse für die Speicherungsfähig- keit des Bodens, der ein wichtiger Parameter für die Einschätzung der aktuellen Gefahrensituation ist. „Anhand dieser Daten können wir lernen, bei welchen Wettersituationen und Bodengegebenheiten sich das Risiko wie entwickelt“, sagt Herzogenrath. Offensichtlich ist dies beispielsweise nach langen Trockenperioden: Dann nämlich verliert der Boden an Saugfähigkeit, was Starkregen wesentlich gefährlicher macht.
Die dritte Ebene betrifft das Echtzeit-Monitoring. Dafür kommt die Senceive-Technologie InfraGuard zum Einsatz. Sie ist dazu in der Lage, geringste Bewegungen im Bereich sowohl bei Böschungen oder am Bahnkörper dauerhaft zu erfassen. „Die Technologie ist kostengünstig, flexibel, zuverlässig und schafft Möglichkeiten, die es zuvor gar nicht gab“, sagt Herzogenrath. In den vergangenen Jahren die DB die entsprechenden Erfahrungen mit der Technologie gesammelt, etwa bei der Bauwerksüberwachung. Bei der Starkregenvorsorge dient sie der Überwachung von Hangmuren, der Messung von Wasseraufkommen bei Starkregen und auch für die Bodenfeuchtigkeit. Neben den entsprechenden Sensoren nutzt die DB auch Kameras. Insgesamt wird durch die Monitoring-Ebene auch überprüft, wie sich die durch Simulation und Prognose errechneten Kennwerte in Wirklichkeit verhalten.
Details zum Messkonzept
Vor einigen Jahre hatte die DB für ganz Deutschland Gefahrenpunkte für Starkregen definiert. Der Streckenabschnitt bei Mertesheim ist dabei als Gefahrenhotspot klassifiziert, daher ist er eines der Pilotsysteme für die Entwicklung des Starkregenvorwarnsystems. Unter der Leitung von Herzogenrath wird hier untersucht, wie dies bundesweit konkret aussehen kann.
Grundgedanke ist, dass die Gefahr sehr individuell von den örtlichen Gegebenheiten abhängt. Vor allem sind das Böschungen und Durchlässe an Streckenpunkten, wo sich besonders viel Regenwasser sammeln kann. Böschungen sind dann besonders gefährlich, wenn sie unterhalb von Hängen oder Bergrücken liegen und sich dort Fließwege bilden.
Die DB benötigt vor allem Informationen darüber, wie viele Regenwasser pro Sekunde an den Durchlässen ankommen kann. So lässt sich bewerten, ob die Haltungen, Kanäle und Zuflüsse richtig dimensioniert sind. Zudem ist die Frage relevant, wo sich bei Starkregen Fließwege bilden und ob diese an Böschungen entstehen können. Neben der Gefahr für Hangmuren besteht die Gefahr auch darin, dass Baumwurzeln unterspült werden, was dann zum Sturz der Bäume im Umfeld der Strecke führen kann.
Simulation und Prognose liefert das Unternehmen Okeanos zusammen, eine Ausgründung der Ruhr-Universität Bochum, die darauf spezialisiert ist, präzise Vorhersagen für Starkregen und Überflutungsflächen zu erstellen. Dafür werden sehr genaue Geländemodelle mit einer Höhengenauigkeit von einem Dezimeter benötigt. Geländedaten dieser Genauigkeit werden von den amtlichen Stellen nicht bereitgestellt, daher hat die DB umliegende, starkregenrelevante Gebiete der Testgebiete beflogen.
In Mertesheim ist das Einzugsgebiet des betroffenen Durchlasses beispielswiese 27 Hektar groß. Für den Durchlass in Mertesheim wurde ein Wasseraufkommen von ca. 7.000 Litern pro Sekunde bei einem hundertjährigen Regenereignis berechnet. Außerdem wurden die Fließwege des Wassers berechnet, wodurch bereits erste Maßnahmen zur Verhinderung des Wasserübertritts über die Böschung veranlasst wurden (mit Sand gefüllte Schutzschläuche).
Monitoring: mehr als Echtzeitüberwachung
Zwei Messketten liefern Daten zu der Bewegung der Stützmauer (untere Kette) und zu Rutschungen im oberen Bereich. Der linke Bereich ist zwar steiler, besitzt aber felsigen Untergrund und ist daher nicht gefährdet. Foto: sig Media GmbH
Die DB gewinnt bei den Pilotprojekten auch Erkenntnisse darüber, welche Messkonzepte bei den jeweiligen Örtlichkeiten erfolgreich sind. Wie immer beim Monitoring von Erdbauwerken spielen die Bodenarten eine große Rolle. Sie bestimmen die Fähigkeit zur Wasserspeicherung, was entscheidend für die Saugfähigkeit bei Regen ist und den Wasserabfluss stark mitbestimmt. Im Fall der Messstrecke Eisenberg herrschen beispielsweise sandige Lössboden vor, weshalb bei Starkregen mit plötzlichen Hangrutschungen zu rechnen ist, bei der eher tonhaltigen Böschung in Mertesheim dagegen mit langsamen fließenden Hangbewegungen. Das hat Auswirkungen auf die Sensorauswahl beim Monitoring. In Mertesheim beispielsweise, sorgt die Saugfähigkeit des Tons dafür, dass der Hang langsam ausbeulen könnte. Daher messen Abstandssensoren auf Laserbasis den horizontalen Abstand zu einem Festpunkt. Bei den Messungen der winkelmessenden Sensoren besteht das Risiko, dass die eine solche Ausbeulbewegung der Böschung nicht erfassen.
Beim Messkonzept in Eisenberg wiederum kommen keine Laser-Sensoren zum Einsatz. „Wir müssen aus den vielen Rohdaten der Messungen Informationen generieren, die im Endeffekt die Entscheidung beeinflussen, ob eine Strecke gesperrt werden muss oder die Fahrgeschwindigkeit reduziert wird, das ist im Prinzip alles“, beschreibt Herzogenrath. Dafür ist eine Interpretation der Messwerte notwendig, bei der Erfahrungen aus Geologie, Hydrologie und Meteorologie eingehen.
Vor diesem Hintergrund kommen fest installierten Kameras innerhalb der InfraGuard-Systeme eine wichtige Rolle zu. Vor allem dienen sie dazu, dass Alarmmeldungen verifiziert werden können. Senceive hat bereits seit langem vollständig autonome (solarbetriebene) Bild- systeme entwickelt, die beispielsweise ohne Blitz- oder Beleuchtungsfunktion auskommen, was bei Bahnnetzbetreibern aufgrund möglicher Störungen der Lokführer verpflichtend ist. In Zukunft sollen auch KI-basierte Auswertungen der Bilder genutzt werden. Aktuell entwickelt das Unternehmen entsprechende Systeme, die auch die Deutsche Bahn als Unterstützung für das Alarmsystem nutzen kann. Noch besteht die Herausforderung darin, mögliche Fehlalarme durch die KI aufgrund von Missinterpretationen auszuschließen, „die Hoffnung ist jedoch, dass die KI bei Aufnahmen von Gleiskörpern und Bauwerken so gut trainiert werden kann, dass risikoreiche Anomalien zuverlässig detektiert werden können“, beschreibt Herzogenrath.
Erfahrungsaustausch
Die Senceive-Technologie kommt weltweit bereits seit vielen Jahren bei der Überwachung von Gleisanlagen zum Einsatz. Der britische Schienennetzbetreiber Network Rail ist derzeit der größte Kunde von Senceive und hat bereits rund 30.000 Gateways, also Kommunikationspunkte, an denen jeweils ein Sensornetz hängt, im Einsatz. Das Risikomanagement bei Starkregen ist im regnerischen England bereits sehr viel weiterentwickelt als bei Bahnnetzbetreibern in Mitteleuropa, wo das Thema Starkregen erst in jüngster Zeit auf der Risikoagenda nach ganz oben geklettert ist. Kai Herzogenrath hat Network Rail in England zum Erfahrungsaustausch besucht und ein vitales Netzwerk entwickelt. „Wir haben dabei sehr viel gelernt, aber in England schaut man auch neugierig auf unsere innovativen Entwicklungen“, so Herzogenrath.
Dazu gehört beispielsweise die Verbindung der punktförmigen Sensoren mit einer Art Fangzaun (siehe Bilder). Diese dienen nicht, wie man auf den ersten Blick annehmen könnte, dem Auffangen von abgehenden Steinen oder Erdreich, sondern dem Erfassen Erdbewegungen, Steinschläge oder umstürzenden Bäumen. „Der Zaun leitet die Bewegung dann an den Sensor weiter, so wird aus einem punktförmigen ein linienförmiger Messstreifen“, beschreibt Herzogenrath die Idee, die in England bis dato nicht praktiziert wurde und dort großes Interesse findet.
Vor allem aber ist das Monitoring-System wichtig, um die aus der Simulation gewonnenen Annahmen zu überprüfen und auch zu verfeinern. Hier wird eine Beobachtungsmethode realisiert, die theoretische Modellierung, Prognose und reale Messwerte integriert beachtet und so immer weiter verbessert. „Nur so können wir den verstärkten Gefahren durch Starkregen in Zukunft besser begegnen“, sagt Herzogenrath.
Ziel der Testprojekte ist es auch, Standards für die Konfiguration des Monitoringsystems zu entwickeln. Je nach Geländesituation, Bodenstruktur und baulichem Kontext muss dies angepasst werden. „Wir benötigen so viele Sensoren wie nötig aber so wenige wie möglich, um Kosten und Aufwand zu reduzieren“, sagt Herzogenrath. Durch die Entwicklung von Standardkonfigurationen soll auch Installationsaufwand und Engineering-Leistung für den Einzelfall reduziert werden.