Kommunale Konzepte gegen Starkregen und urbane Sturzfluten

Starkregen mit geeigneten Mitteln begegnen

In Grevenbroich kam es in den letzten zehn Jahren zu mindestens vier Starkregen-Ereignissen mit Sturzfluten (September 2008, Juni 2011, September 2014, Juli 2016). Sie überschwemmten Straßenzüge, setzten Keller und Unterführungen unter Wasser und richteten dadurch erhebliche Schäden an der Infrastruktur der Stadt an.

Die regelgerecht dimensionierten Kanalsysteme der Stadt würden niemals in der Lage sein, solche Niederschlagsmengen (ca. 60 l/m² innerhalb von 15 Minuten) aufzunehmen und schadfrei abzuleiten. Uwe Bors, Prokurist der Wirtschaftsbetriebe Grevenbroich GmbH, erkannte dies und veranlasste weitergehende Untersuchungen und Maßnahmen zum Schutz vor Starkregen.

Hydrotec überzeugte die Stadt mit dem speziell für die Analyse von Starkregen entwickelten Stufenkonzept und erhielt im Oktober 2015 den Auftrag für eine ganzheitliche Untersuchung u. a. mit einer 2D-Modellierung mit HYDRO_AS-2D. Ziel war es, die Gefährdung des gesamten Stadtgebiets und der zugehörigen Ortslagen zu ermitteln und ein Konzept gegen urbane Sturzfluten zu entwickeln.

Grundlagendaten digital und vor Ort ermitteln

Zuerst prüften wir die Grundlagendaten eingehend. Dazu wurden digitale Daten ausgewertet, wie das DGM (Digitales Geländemodell), ALKIS-Daten (Amtliches Liegenschaftskataster-Informationssystem), Kanalnetzdaten mit Schächten und Regeneinläufen sowie das Straßenkataster.

Digitale Daten allein geben kein umfassendes Bild, deshalb machten wir zusätzlich Begehungen vor Ort und dokumentierten Auffälligkeiten. Interviews mit Gemeindemitarbeitern, Feuerwehrleuten und Anwohnern lieferten oft wertvolle Hinweise für die spätere Modellierung. Auch historische Dokumente über frühere Hochwasserereignisse wurden ausgewertet.

GIS-Analyse der Topografie

Das DGM liefert bereits viele Informationen. Zunächst untersuchten wir die Höhenverteilung, die Schummerung und die Gefälleverhältnisse auf dem Stadtgebiet. Anhand von GIS-Analysen wurden Senken und Fließwege berechnet. Daraus ließen sich bereits potenziell gefährdete Bereiche im Gemeindegebiet ermitteln. Für die Modellierung der hochdynamischen Fließprozesse, wie sie bei Starkregen auftreten, reichen diese einfachen GIS-Analysen jedoch nicht aus. Sie sind nur eine Vorstufe, die erste Erkenntnisse über Gefahrenbereiche liefern.

Hydraulische 2D-Simulation (2D-Screening-Modell)

Mit einer hydraulischen 2D-Modellierung des Gebiets lassen sich dynamische Fließvorgänge sehr gut berechnen. So erhält man schon belastbare Informationen für die Maßnahmenplanung.

Mit dem 2D-Screening-Modell berechnet Hydrotec Fließwege und -tiefen. Gefährdete Bereiche werden so erkennbar.

Das Berechnungsnetz für die 2D-Grobanalyse von Grevenbroich (Screening-Modell) basierte auf dem ursprünglichen DGM, das im 5 x 5 m-Raster vorlag. Das erhöht die Genauigkeit der Berechnungsergebnisse, führt aber auch zu sehr großen Datensätzen. Zur besseren Handhabbarkeit wurde das Gebiet aufgeteilt in ein Nord- und ein Südmodell. Sie waren mit Netzgrößen von 1,6 bzw. 2,5 Mio. Knoten modellierungstechnisch gut zu bearbeiten.

Die Niederschlagsbelastung erfolgte mit vorher berechneten Effektivniederschlägen. Diese wurden in Abhängigkeit von der Nutzung aus KOSTRA-Daten abgeleitet.

Bei Starkregen kommt es häufig zu Überstau im Kanalnetz. Dies ist bei der 2D-Modellierung zu berücksichtigen. Mit Kanalnetzsimulationen wurden die Schächte ermittelt, an denen bei Starkregenereignissen Wasser austritt, und welche Überlaufmengen zu erwarten sind. Die daraus resultierenden Zeitreihen gehen als Quellen in das 2D-Modell ein.

Starkregengefahrenkarten informieren umfassend

Das Ergebnis der beschriebenen Analysen und 2D-Modellierungen wird in Starkregengefahrenkarten zusammenfassend und übersichtlich dargestellt. Gegliedert nach Ortsteilen enthalten die Karten die berechneten Senken, die Kanalüberstaupunkte sowie die zu erwartenden Fließwege und Wassertiefen, die bei einem 100-jährlichen Niederschlagsereignis auftreten können.

Starkregengefahrenkarten informieren umfassend. Sie enthalten die zu erwartenden Fließwege und Wassertiefen sowie die Kanalüberstaupunkte bei Starkniederschlägen mit bestimmten Jährlichkeiten.

Eine Analyse-Matrix der Gefahrenbereiche nach Anzahl der betroffenen Gebäude und Wassertiefen macht deutlich, an welchen Stellen der größte Handlungsbedarf besteht.

Feinmodell: Detaillierte 2D-Simulation besonders gefährdeter Bereiche

Zwei nach diesen Berechnungen und auch nach dem Ereignis im Juli 2016 besonders stark betroffene Ortsteile waren mit einer detaillierten 2D-Simulation eingehender zu betrachten.

Ein detailliertes Berechnungsnetz (Elementgröße ≥ 1 m²) bildet die zusammenhängend bebauten Bereiche von ca. 3 km² ab. Der das Gebiet durchfließende Elsbach wurde mit einem detaillierten Flussnetzmodell (Elementgröße ca. 0,3 m²) in das Netz integriert.

Mit dem Feinmodell berechnet Hydrotec die Fließwege besonders stark betroffener Bereiche detailliert nach. So lassen sich weitere wichtige Erkenntnisse zur Gefährdung gewinnen.

Auch die Niederschlagsbelastung erfolgt im Feinmodell differenzierter als im 2D-Screening-Modell, indem es die Effektivniederschläge abhängig von der Landnutzung und den Haltungsflächen berechnet.

Die befestigten, kanalisierten Flächen wurden nicht belastet, da die Niederschlagsbelastung bereits im Kanalnetzmodell (HYSTEM-EXTRAN) berücksichtigt wurde. Ersatzweise werden an überstauenden Kanalschächten Überstauganglinien als Quellterme angesetzt. Diese stammen aus der Kanalnetzsimulation und werden aus einer programminternen Datenbank ausgelesen.

Entwicklung eines Maßnahmenkatalogs

Aus den Ergebnissen der 2D-Modellierung werden für die Risikobereiche geeignete Maßnahmen abgeleitet. Dabei sind die Aspekte Bestandsschutz, Gefährdung, Kosten-Nutzen, Realisierungsmöglichkeiten etc. zu beachten.

Vergleichsrechnungen zeigen die Wirksamkeit von Vorsorgemaßnahmen im Stadtgebiet. Hier die auftretenden Fließtiefen bei einem hundertjährlichen Niederschlagsereignis links ohne, rechts mit einem ersten Maßnahmenkonzept.

Der Katalog sieht eine Kombination aus folgenden Maßnahmentypen vor:

• Minderung der Hochwasserabflüsse (beispielsweise Rückhaltebecken oder geeignete Mulden, Verbesserung des Gebietsrückhalts, Entsiegelung, Versickerung)
• Verbesserung der Hochwasserableitung (beispielsweise Kanalnetzausbau, Notwasserwege, Gewässerausbau, Beseitigung von Engpässen)
• Schutz vor Schäden (Objektschutz, Verlagerung von gefährdeten Nutzungen)
• flankierende Maßnahmen (Flächenvorsorge, Bauvorsorge, Warnung etc.)

Rückhaltungen auf der Oberfläche und die Veränderung von Abflusswegen auf der Oberfläche oder den beteiligten Gewässern werden mithilfe von Variantenrechnungen mit HYDRO_AS-2D überprüft. Auf Grundlage der Ergebnisse dieser Untersuchung können Gefahren und Risiken konkret benannt werden und die Stadt ist in der Lage, Defizite und Handlungsbedarf zu erkennen und in Absprache mit den betroffenen Anwohnern wirkungsvolle Schutzmaßnahmen zu ergreifen.

Dipl.-Ing. Robert Mittelstädt