Starkregenhinweiskarte für NRW des BKG

Karte  (i)

Starkregenhinweiskarten, oder auch Starkregenkarten, stellen ergänzend zu den deutschlandweit verfügbaren Hochwasserkarten und Hochwasserrisikokarten im Rahmen der EU- Hochwasserrahmenrichtlinie eine sehr sinnvolle Ergänzung dar. Sie liefern auf lokaler Ebene bereits für zahlreiche Kommunen wertvolle Informationen für Bürgerinnen und Bürger, aber auch für Planungsbüros, Verwaltung und Katastrophenschutz, über die mögliche Überflutungsgefahr durch Starkregenereignisse bei Gebäuden, Unterführungen sowie der allgemeinen und kritischen Infrastruktur. Mit der Starkregenhinweiskarte BKG liegt nun auch auf landesweiter Ebene ein solches Kartenwerk vor und liefert wichtige Ergänzungen zu den bereits lokal für einige Städte und Kreise vorliegenden Starkregengefahrenkarten, die natürlich vor Ort genauer und entsprechend vorzuziehen sind, wenn sie denn vorliegen.

Grundlagen

Mit der Starkregenhinweiskarte für NRW des BKG steht flächendeckend für Nordrhein – Westfalen eine Übersicht zur Verfügung, wie stark sich Starkregenereignisse außerhalb von Fließgewässern auswirken können. Dort, wo kommunale Starkregengefahrenkarten bereits existieren, sollten diese konsultiert werden, da örtliche Gegebenheiten auf der lokalen Skale wesentlich besser dargestellt werden können als auf der Skale von Nordrhein – Westfalen. Für Kommunen, in denen noch keine kommunalen Karten zur Starkregengefahr existieren, liefert die Starkregenhinweiskarte NRW des BKG erste valide Erkenntnisse, die im Rahmen der „Arbeitshilfe kommunales Starkregenrisikomanagement“ vertieft werden sollten.

Datenbasis und Kartenerstellung

Die Starkregenhinweiskarte NRW des BKG wurde von den Ingenieurbüros Reinhard Beck GmbH & Co.KG und Fischer Teamplan im Auftrag des Bundesamtes für Geographie und Kartographie berechnet. Die Datengrundlage zur Erstellung von Starkregenhinweiskarten liegt für Nordrhein – Westfalen nahezu vollständig als „open data“ vor.

Da das BKG die Starkregenhinweiskarte für Nordrhein – Westfalen (NRW) als Pilotprojekt für ganz Deutschland bzw. die anderen Bundesländer berechnen lassen hat, wurde darauf geachtet, dass möglichst einheitliche Datensätze als Basis verwendet wurden. Daher wurden die Daten des Amtlichen Liegenschaftskatasterinformationssystems des Landes (ALKIS) bzw. die Daten des digitalen Landschaftsmodells (Basis-DLM) verwendet. Die zu verwendenden Datenpakete sind landesweit im gleichen Schema aufgebaut und ermöglichen so eine einheitliche Bearbeitung. Neben den oben genannten Hauptressourcen ALKIS und BASIS-DLM wurden für die Erstellung der Starkregenhinweiskarten folgende Daten verwendet:

Gewässer/Einzugsgebiete

ALKIS Objektkatalog NRW

auf Basis AFIS-ALKIS-ATKIS Fachschema 6.0.1 (Stand 31.05.2009), Version 1.2.1, Stand 20.02.2019 mit Anpassungen aufgrund von Änderungen in Anlage 5 des Pflichtenhefts NRW zum 20.02.2019) (Stand: 28.07.2020, Open Data NRW)

Nutzung des vereinfachten Schemas (https://www.wfs.nrw.de/geobasis/wfs_nw_alkis_vereinfacht):

  • BASIS-DLM (Download: 28.07.2020)
  • Gebäudedaten inkl. Bauteilen (ave_GebaeudeBauwerk) (Download: 30.07.2020)
  • Landnutzungsdaten (ave_Nutzung) (Download: 30.07.2020)
  • BauwerkeImVerkehrsbereich (Download: 07.09.2020)

KOSTRA (Niederschlagsdaten)

KOSTRA-DWD (Stand 30.03.2020, Open Data DWD, https://opendata.dwd.de)

Software

Für die Modellerstellung und die Bearbeitung des Projektes wurde hauptsächlich OpenSource-Software genutzt:

  • QGIS (QGIS) Version: 3.10 – 3.16 --> Bearbeitung der Grundlagendaten, Modellaufbau, Visualisierung
  • Python --> Programmierung
  • LAStools (Land NRW) --> Konvertierung der binären DGM Daten in ascii-Daten
  • GDAL-Tools --> Bearbeitung der Rasterdaten/DGM-Erstellung (GDAL = Geospatial Data Abstraction Library)
  • HiPIMS (Newcastle University, Liang und Smith 2015) --> 2D-Berechnungsmodell (HiPIMS = high-performance integrated hydraulic and hydrological modelling software)

Modellgrundlagen

Das DGM1 des Landes NRW bildet die maßgebende topographische Datengrundlage. Die Modellerstellung und Berechnung erfolgten in Teilgebieten (s. Abb. 1). Die Befliegungsdaten wurden zu Projektbeginn gesammelt beschafft. Die Aktualität des DGM/der Ergebnisse geht auf den Stand des jeweiligen Befliegungszeitraums zurück.

An den Grenzen von NRW wurden außerhalb liegende, hydrologische Einzugsgebiete, soweit die Datengrundlage NRWs dies ermöglicht, mitberücksichtigt. Topografisch betrachtet hat NRW ein Süd-Nord-Gefälle. Im Nordwesten fällt das Gelände parallel zu Rhein und Ems ab. Die Einzugsgebiete entwässern aus NRW hinaus. Auch an den Südhängen von Rothaargebirge, Westerwald und Eifel fällt das Gelände aus NRW in benachbarte Gebiete ab. Der hauptsächliche Zufluss von Außengebieten nach NRW erfolgt über die Rheinebene. Durch die Einteilung in hydrologische Teileinzugsgebiete fallen nur sehr kleine Bereiche außerhalb von NRW an, die für die Berechnungen zu berücksichtigen sind. Diese sind größtenteils über die Open-Data-Kacheln des DGM1 abgedeckt. Für die Bereiche im Südosten, aus denen Wasser nach NRW zufließen kann, wurde ein DGM (5 m-Raster) übergeben. Die Aktualität dieser Daten variiert je nach Bundesland von 04.2016 bis 06.2016.

Weitere Datengrundlage für das Oberflächenmodell sind die digitalen Hausumringe. Dabei werden die Gebäude als Fließhindernisse in das Geländemodell übernommen. Die Schräge der Dachflächen wurde ebenfalls im DGM abgebildet, sodass bei direkter Beregnung das Wasser entsprechend der Dachneigung abfließen kann.

Auf Grundlage der ALKIS-Daten werden der Geländeoberfläche je nach Nutzung entsprechende Rauhigkeitsbeiwerte zugewiesen. Die Unterscheidung der Flächen erfolgte über den ALKIS-Datensatz „Landnutzung“. Wesentliche Differenzierungen werden im urbanen Bereich Straßen und Wege als „glatte, leitende“ Elemente sein. Unterschiedliche rückhaltende Wirkungen von Wald gegenüber Acker/Wiese werden über den Berechnungsansatz berücksichtigt.

Modellaufbau

Als Grundlage für die 2D-Berechnung wird ein digitales Geländemodell erstellt. Dieses besteht zum einen aus dem Bodenmodell (DGM1-Kacheln/OpenGeoData NRW) und zum anderen aus einem Dachflächenmodell. Letzteres wird aus den 3dm-Laserscanpunkten des DGM1L und den Hausumringen der ALKIS-Daten erstellt. Hierbei wurden nur bodenberührende Bauteile als Fließhindernis berücksichtigt. Beide Modelle werden in einem Oberflächenmodell im 1x1 m-Raster zusammengeführt. Das DGM wurde vor dem eigentlichen Modell-Lauf plausibilisiert. Bei den Ortsbegehungen festgestellte Anpassungsbereiche werden in das Modell übernommen.

Die verschiedenen Oberflächenparameter bestimmen die Abflussmenge und -geschwindigkeit. Orientierend an der „Arbeitshilfe kommunales Starkregenrisikomanagement – Hochwasserrisikomanagementplanung in NRW“ (im Folgenden „Arbeitshilfe NRW“ genannt) wird von einem vorgesättigten Boden ausgegangen. Die Versickerung kann somit vernachlässigt werden. Im Sinne einer Worst-Case-Betrachtung kommt daher der gesamte Niederschlag zum Abfluss.

Die Abflussgeschwindigkeit ist abhängig von der Oberflächenrauheit. Diese wurde anhand der Landnutzungsdaten (ALKIS) vergeben. Die Werte orientieren sich dabei an Literatur- und Erfahrungswerten. Folgende Rauheitsparameter wurden angesetzt:

Tabelle 1: Rauheitsdaten nach Landnutzung. Datenquelle: Fischer Teamplan und Ingenieurbüro Reinhard Beck 2021

Damit sind die Grundlagen für die Erstellung des Oberflächenabflussmodells vollständig erfasst und bilden die Basis für die verschiedenen Szenarien zur Beregnung des Modells.

Ansatz zur Verwendung der Niederschlagsdaten

Es wurden zwei jeweils einstündige Niederschlagsszenarien verwendet.

  • Seltener Starkregen (TN = 100 a)
  • Extremer Starkregen (90 mm/h)

Beide Szenarien werden für eine Dauerstufe D = 60 min und eine Nachlaufzeit von 60 min berechnet (Berechnungsdauer:120 min). Die Beregnung des Szenarios 1 erfolgt entsprechend der Kacheln aus dem Datensatz KOSTRA DWD 2010R. Bei Überlagerung mehrerer Kacheln aus dem KOSTRA DWD wurde die für das Modellgebiet größere Niederschlagsbelastung verwendet.

 

Die Ergebnisse der Abflusssimulation (Wassertiefe und Geschwindigkeit) werden in einem gemeinsamen GIS-Projekt für das komplette Landesgebiet NRW zusammengefügt. Die Niederschlagsverteilung bei Szenario 100-jährlich erfolgt nach dem Ansatz des Blockregens nach den regionalen Gegebenheiten. Die Belastung beim Szenario Extrem erfolgt ebenfalls als Blockregen mit pauschal 90 mm Niederschlag innerhalb einer Stunde unabhängig von der regionalen Lage.

Einteilung der Modellgebiete

Die Einteilung der Modellgebiete erfolgt anhand von hydrologischen Teileinzugsgebieten. Die Teilmodelle werden anhand von Gewässereinzugsgebieten (GSK3c), großen Gewässern und Wasserscheiden festgelegt. Dabei ergeben sich landesweit 495 Teileinzugsgebiete. Die mittlere Größe der Teileinzugsgebiete beträgt dabei ca. 72 km². Das kleinste Gebiet ist rd. 4,5 km², das größte rd. 120 km² groß.

Die Erfassung der Oberflächenabflüsse von Außengebieten (außerhalb von NRW) wurde über die Ausdehnung der hydrologischen Teileinzugsgebiete über Landesgrenzen hinaus berücksichtigt. Folglich ist das berechnete hydrologische Modell (mit 35.600 km²) rd. 5 % größer als die Gesamtfläche von NRW (mit 34.110 km²). Die folgende Abbildung 3 stellt die hydrologischen Teileinzugsgebiete für NRW dar.

 

Die Berechnungen der beiden Szenarien werden separat in den jeweiligen Teilmodellen durchgeführt. Durch die oben beschriebene Einteilung bilden die Teilmodelle hydrologisch abgeschlossene Einheiten, die nur über eine gemeinsame Vorflut mit dem ober- oder unterliegenden Modellgebiet verbunden sind. Um das Phänomen der Sturzflut durch Starkregen isoliert abzubilden und von dem Phänomen des Flusshochwassers zu trennen, wird die Weitergabe von Abfluss über die Vorfluter explizit vernachlässigt. Folglich lassen sich alle Modelle separat berechnen und auswerten.

Modellverbesserungen anhand vorliegender Daten (automatische und manuelle Korrekturen)

Das Oberflächenmodell für die 2D-Berechnung besteht aus einem Boden- und einem Dachflächenmodell, die aus den Befliegungsdaten erstellt wurden. Um hydraulisch plausible Ergebnisse bei einer Starkregensimulation zu erhalten, muss das Bodenmodell neben der Implementierung des Gebäudebestandes entsprechend nachgearbeitet werden. Hierbei gilt es, Fließwege plausibel abbilden zu können, indem Fließhindernisse wie Brücken und Dämme oder große Gewässerdurchlässe im Modell berücksichtigt werden.

Es wird davon ausgegangen, dass im Bereich des Gewässernetzes entsprechende Durchlässe vorliegen, die die Fließwege erheblich beeinflussen. Neben Anpassungen des DGM zur realitätsnahen Abbildung von Fließwegen haben auch Gewässer und Pumpwerke einen erheblichen Einfluss auf die später zu berechnenden Überflutungen im Starkregenfall. Auf Basis der vorhandenen Datengrundlage und der Erfahrungen aus den Testberechnungen wurden daher folgende Kriterien für die Korrektur des DGMs festgelegt:

  • Durchlässe (< 100 m)
  • Gewässerverrohrungen (> 100 m)
  • Hochwasserpumpwerke
  • Risikogewässer (HWRM)

Eine genaue Beschreibung der nachträglichen Anpassung des für die Modellierung verwendeten Oberflächenmodells wird detailliert im Bericht zur Erstellung der Starkregenhinweiskarte für NRW des BKG aufgeführt (Fischer Teamplan und Ingenieurbüro Reinhard Beck 2021). Durchlässe und Gewässerverrohrungen bis 100 m Länge wurden nachträglich in das Oberflächenmodell mit 2 m Breite „geschlitzt“. Gewässerverrohrungen mit einer Länge über 100 m wurden im Modell als Auslass (Schluckbrunnen) behandelt. Pumpwerke in Poldergebieten werden im Modell ebenfalls als Schluckbrunnen bzw. Auslass behandelt. Bei Fließgewässern werden alle Abschnitte als sogenannte „Lochgewässer“, also Senken, angenommen, die im Rahmen der Europäischen Hochwasserrahmenrichtlinie (EU-HWRM RL, Europäisches Parlament und Rat 2007) als Risikogewässer eingestuft worden sind. Dadurch sollen die Fließgewässer von dem Abflussgeschehen der modellierten Starkregenereignisse abgekoppelt werden. Zusätzlich zu diesen Modellanpassungen, die auch im oben genannten Bericht kritisch gewürdigt werden, wurden zusätzliche Validierungen mit Hilfe von bereits bestehenden Starkregengefahrenkarten in einzelnen Kommunen vorgenommen. Darüber hinaus wurden für ganz NRW Vor-Ort-Recherchen durchgeführt, um das Modell örtlich plausibler zu machen. Insgesamt wurden ca. 320 Punkte angefahren und vor Ort überprüft. Entsprechend der vorgefundenen Situation wurde das Oberflächenmodell nochmals angepasst. In der nachfolgenden Abbildung 4 werden die von den Auftragnehmern durchgeführten Vor-Ort-Recherchen in der Karte dargestellt. Abbildung 4 zeigt die deutliche Verdichtung der Recherche-Punkte im Umfeld des Ruhrgebiets. Neben der starken Urbanisierung sind es hier vor allem die Bergsenkungen in Folge des intensiven Kohleabbaus, die zu der hohen Dichte wasserbaulich relevanter Strukturen führen.

Abschließende Berechnungen des 2D-Modells für das Gesamtgebiet mit 2 Szenarien

Nach der erfolgten DGM-Plausibilisierung, den Testberechnungen und Vor-Ort-Recherchen wurde das eigentliche Modell für jedes Teileinzugsgebiet berechnet. Anschließend wurden diese Daten zu einem Gesamtmodell zusammengefügt.

Die hydrodynamische Simulation des Oberflächenabflusses wird durch das Lösen der Flachwassergleichungen mit dynamischen Zeitschritten durchgeführt. Als CFL-Limit (Courant-Zahl) wird 0,5 festgeschrieben. Diese Grenze legt fest, um wie viele Zellen sich das Wasser je Rechenschritt fortbewegen kann. Die Differenzierung basiert auf einem stabilen Finite-Volumen-Schema erster Ordnung nach Godunov. Die Randbedingungen der Simulation sind durch die Beregnungsmenge der Teilgebiete und einer freien Auslaufbedingung mit fortlaufendem Gelände und Wasserstand an den Modellgrenzen gegeben. Als Ergebnisdaten werden der maximale Wasserstand sowie die maximale Fließgeschwindigkeit mitgeschrieben. Die angewendete Software löst die Flachwassergleichung direkt im 1 m-Raster für jede 1 m²-Zelle.

Die Berechnung erfolgt für zwei einstündige Starkregen-Szenarien:

  1. Seltener Starkregen (TN = 100 a)
  2. Extremer Starkregen (90 mm/h)

Sämtliche Berechnungen wurden mit Hilfe einer Cloud durchgeführt, in der Rechen- und Datenspeicherkapazitäten entsprechend skalierbar sind.

Nochmalige nachträgliche Qualitätsüberprüfungen wurden stichprobenartig bei den Berechnungen durchgeführt. Dabei wurden nachträglich die Positionen von Verrohrungen oder Brücken angepasst, um die örtlichen Gegebenheiten möglichst exakt wiederzugeben.

 

Kartenbeschreibung

Die für das Bundesamt für Geographie und Geodäsie hergestellte Starkregenhinweiskarte für NRW stellt für die jeweils einstündigen Starkregenszenarien

  •             Seltener Starkregen (TN = 100 a)
  •             Extremer Starkregen (90 mm/h)

überflutete Flächen, Wassertiefen und Fließgeschwindigkeiten dar. Die Klassifikation der Wassertiefen sowie der Fließgeschwindigkeiten ist nach der Arbeitshilfe Kommunales Starkregenrisikomanagement durchgeführt worden. Abbildung 5 zeigt die Klassifikation der modellierten Wassertiefen in einer Beispielkarte, wobei die Klasse der geringsten Wassertiefe (< 10 cm) als transparent dargestellt wird. Abbildung 6 stellt die Klassifikation der Fließgeschwindigkeiten im gleichen Ausschnitt der Beispielkarte dar. Dabei kann in der Kartenanwendung zwischen der Starkregenkategorie „Seltener Starkregen (TN = 100 a)“ und „Extremer Starkregen (90 mm/h)“ umgeschaltet werden. Die Bezeichnung "Außergewöhnlicher Starkregen" steht synonym für "Seltener Starkregen", diese Bezeichnung passt einfach besser in die Legenden.

 

Die Ergebnisse ermöglichen es, flächige Hotspots zu bestimmen, aber auch die Gefährdung einzelner Gebäude grob zu bewerten. Mögliche Schutzmaßnahmen und die genauen Strukturen auf den Grundstücken sind im Modell nur auf Basis der Laserscanbefliegung vorhanden. Die Gefährdung muss daher immer auch vor Ort bewertet werden. Die hier erstellten Karten sollen einen Hinweis auf mögliche Gefährdungen geben, im kommunalen Rahmen sind die Ergebnisse und Modellannahmen zu hinterfragen und ggf. anzupassen.

Fazit

Die Aufgabenstellung war, Starkregenhinweiskarten für die Gesamtfläche des Bundeslandes NRW auf Basis des DGM1 zu erstellen. Leistungsfähige Soft- und Hardware, sowie die Unterteilung des Gebietes in Teilgebiete haben es ermöglicht auch die Berechnungen in dieser hohen Auflösung durchzuführen (1 x 1 m-Raster). Damit liegt den Starkregenhinweiskarten ein hoch aufgelöstes DGM zu Grunde, welches bei stadtgebietsweiten Betrachtungen selten feiner genutzt wird. Dennoch sind bei einer solch großflächigen Bearbeitung Annahmen zu treffen, die nur stichprobenartig auf Realität geprüft werden können. Für die Abbildung des Gesamtgebietes und Hinweise zur Starkregengefährdung sind diese Annahmen ausreichend und liefern gute Ergebnisse.

Durch die Vernachlässigung der Versickerung soll der Worst-Case-Fall abgebildet werden. Auch die Annahme, dass alle Durchlässe und Verrohrungen leistungsfähig sind, überschätzt die Überflutung in den Tiefpunkten eher. Eine Verlegung großer Durchlässe wurde nicht berücksichtigt. Im Einzelfall kann eine solche Verlegung kleinräumig zu großen Überflutungen führen, die in den Karten nicht dargestellt sind. Großflächige Überflutungsschwerpunkte lassen sich aus den Hinweiskarten gut ableiten. Bei kleinräumigen Betrachtungen kann sich die Realität aufgrund der oben beschriebenen Annahmen anders darstellen als in den Karten gezeigt. Kleinräumige Fließhindernisse, wie Mauern, Wälle oder auch Bordsteine sind nicht berücksichtigt worden.

Bei der Bearbeitung der Starkregenhinweiskarten wurde darauf geachtet, die Rahmenbedingungen der Arbeitshilfe NRW zur berücksichtigen. Das bezieht sich sowohl auf die berechneten Starkregenereignisse, als auch auf die Darstellung der Ergebnisse. Abgesehen von den getroffenen Annahmen zur Plausibilisierung des DGMs, sind die Ergebnisse also mit den kommunalen Starkregengefahrenkarten vergleichbar. Bei der Erstellung kommunaler Starkregengefahrenkarten werden bei der Plausibilisierung auch kommunale Daten genutzt, die dieser Bearbeitung nicht vorlagen. Die getroffenen Annahmen sind bei der weiteren Verwendung der Ergebnisse stets zu berücksichtigen. Für Kommunen, die noch keine Starkregengefahrenkarten haben, können die Ergebnisse durchaus als erste Analyse Ihrer Gefährdungslage verwendet werden. Die Starkregenhinweiskarte dient als hervorragende Grundlage für detailliertere Untersuchungen im Sinne der Arbeitshilfe Starkregen.

Literatur

Europäisches Parlament und Rat (2007): Richtlinie 2007/60/EG des Europäischen Parlaments und des Rates vom 23. Oktober 2007 über die Bewertung und das Management von Hochwasserrisiken. RICHTLINIE 2007/60/EG.

Fischer Teamplan und Ingenieurbüro Reinhard Beck (2021): Starkregengefahrenhinweiskarten NRW. Erläuterungsbericht. (Vorabzug). Unter Mitarbeit von Maren Hellmig und Uwe Ross. Beauftragt v. Bundesamt für Kartographie und Geodäsie, Frankfurt a. M., Solingen.

MULNV (2018): Arbeitshilfe kommunales Starkregenrisikomanagement. Hochwasserrisikomanagementplanung in NRW. Unter Mitarbeit von Kleingruppe „Starkregen“. Hg. v. MULNV.

Liang, Qiuhua; Smith, Luke S. (2015): A high-performance integrated hydrodynamic modelling system for urban flood simulations. In: Journal of Hydroinformatics 17 (4), S. 518–533. DOI: 10.2166/hydro.2015.029

 

 

Einstündige Niederschlagsmenge Wiederkehrintervall 100 Jahre

Karte  (i)

Passend zu den Starkregenhinweiskarten des BKG für Nordrhein – Westfalen werden mit Hilfe des KOSTRA-DWD-2010R Datensatzes die tatsächlichen mittleren Niederschlagsmengen für Nordrhein – Westfalen dargestellt, die innerhalb einer Stunde (Dauerstufe = 60 min) mit einer Wiederkehrzeit von 100 Jahren zu erwarten wären. Basierend auf diesen Niederschlagsmengen wurde in der Starkregenhinweiskarte für NRW des BKG die Kategorie „Seltener Starkregen (TN = 100 a)“ errechnet.

Grundlagen

Mit Hilfe dieses vom DWD frei verfügbaren Datensatzes können statistische Auswertungen der Niederschlagsreihen für ganz Deutschland vom Zeitraum 1951-2010 dargestellt werden. Dabei ist die Auswahl unterschiedlicher statistischer Auswertungen je nach Dauerstufe (also der Andauerzeit eines Niederschlagsereignisses) und dem Wiederkehrintervall (Frequenz) als entsprechende mittlere Niederschlagsmenge (Magnitude) in mm möglich. Analog zum „Seltenen Starkregen (Tn = 100 a)" mit einem Wiederkehrintervall von 100 Jahren für die Dauerstufe 60 min als Ereigniskategorie in der Starkregenhinweiskarte für NRW des BKG sollen die entsprechenden Niederschlagsmengen für NRW dargestellt werden. Damit kann diese abstrakte Größenordnung konkret greifbar gemacht werden.

Datenbasis und Kartenerstellung

KOSTRA-DWD-20210R Datensätze liegen frei verfügbar als Vektordatei vor und basieren auf DWD Stationsdaten. Die Niederschlagsdaten liegen in einer räumlichen Auflösung von 8,15 km x 8,20 km vor. Weiterführende Informationen zur Datengrundlage und zur Methodik sind bei Malitz & Ertel (2015) sowie Junghänel et al. (2017) zu finden.

Zur deutschlandweiten Qualitätsabschätzung schreibt der DWD: „Die tatsächliche Informationsdichte ist von der Stationsverteilung bestimmt. Es werden zwei Stationskollektive unterschieden: zeitlich hoch aufgelöste Niederschlagsdaten (5-min-Daten) und Tagesdaten. Die Anzahl der Stationen mit langjährig zeitlich hoch aufgelösten Niederschlagsdaten ist im gesamten Auswertungszeitraum auf wenige Stationen limitiert. Die Anzahl steigt von 1951 mit 56 Stationen bis auf 94 Stationen im Jahr 1961 schnell an. Bis 2010 kommen noch ca. 10 Stationen dazu. Bei den Tageswerten steigt die Zahl der Stationen von 3.500 im Jahr 1951 bis zum Jahr 1989 auf über 4.500 Stationen an und fällt dann wieder auf rund 2.100 Stationen im Jahr 2010. Klima- und witterungsbeeinflussende Prozesse (z.B. städtische Wärmeinsel), die nicht direkt mit dem Stationsmessnetz erfasst werden oder nicht durch das Regressionsverfahren bestimmt werden können, sind in den Rasterdaten nicht abgebildet“.

Basierend auf dem Vektordatensatz für das Wiederkehrintervall 100 Jahre können 18 Dauerstufen (5 Minuten bis 72 Stunden) dargestellt werden. Hier wird die Dauerstufe 60 Minuten dargestellt.

Kartenbeschreibung

Die Karte in Abbildung 7 zeigt die mittleren Niederschlagsmenge für einen 8,15 km x 8,2 km Pixelblock an, die in einer Stunde bei einem Wiederkehrintervall von 100 Jahren fallen würde. Das bedeutet, ein einstündiges Starkregenereignis muss eine Niederschlagsmenge von beispielsweise 50 bis 55 mm (oder l/m2) liefern, um in den grünen Gebieten als hundertjähriges Starkregenereignis zu gelten. Im Kontext mit der der Kategorie „Seltener Starkregen (TN = 100 a)“ in der Starkregenhinweiskarte BKG können sich so Interessierte informieren, wieviel Niederschlag vor Ort einem hundertjährigen Ereignis in einer Stunde entspricht. In Nordrhein – Westfalen reichen die einstündigen Niederschlagsmengen, die eine solche Wiederkehrzeit widerspiegeln, von 32 bis 36 mm/h am äußersten Niederrhein bei Kleve und Bocholt bis 60 – 70 mm/h in den nordwestlichsten Ausläufern des Weserberglandes bei Ibbenbüren. Die größten Flächenanteile in Nordrhein – Westfalen liegen bei den 100-jährigen Wiederkehrintervallen bei Werten zwischen 45 bis 50 mm/h (hellgrüne Gebiete), gefolgt von 50 bis 55 mm/h (grüne Gebiete). Die Klasse 45 bis 50 mm/h ist häufig in der Rheinischen und der Westfälischen Bucht anzutreffen, aber auch in Lee Gebieten der Mittelgebirge, vor allem in Südwestfalen und im östlichen Weserbergland. Die Klasse 50 bis 55 mm/h kommt meist in den Mittelgebirgen, vor allem in den Luv-Lagen wie im Bergischen Land oder Teutoburger Wald, vor. Die nächst höhere Klasse, die somit für NRW zweithöchste stündliche Niederschlagsmenge mit einem Wiederkehrintervall von 100 Jahren von 55 bis 60 mm/h, kommt nur vereinzelt im Sauerland und im nordöstlichen Weserbergland vor. Vor allem in Teilen des Niederrheinischen Tieflandes, aber auch in Teilen der Niederrheinischen Bucht, der westlichen Westfälischen Bucht und einigen Lee-Lagen im Weserbergland und Südwestfalen sind hingegen hundertjährige Niederschlagsmengen der Kategorie 40 45 mm/h (gelbe Gebiete) klassifiziert.

 

Fazit

Die hier vorgestellte Karte der „Seltenen Starkregen TN=100 Jahre“ für die Dauerstufe D=60 Minuten zeigt die räumliche Variabilität der für die Starkregenhinweiskarte für NRW des BKG verwendeten Modellniederschläge. Mit Hilfe dieser Karte sollen die für die modellierten Überflutungen verantwortlichen Niederschlagsmengen veranschaulicht werden. Im Vergleich zu den hundertjährigen Starkregenereignissen ist die Kategorie „Extremer Starkregen= 90mm/h“ nochmals deutlich höher angesetzt.

Literatur

Malitz, G. und Ertel, H. (2015): KOSTRA-DWD-2010 - Starkniederschlagshöhen für Deutschland (Bezugszeitraum 1951 bis 2010),
Abschlussbericht, Deutscher Wetterdienst, Offenbach am Main. (https://www.dwd.de/DE/leistungen/kostra_dwd_rasterwerte/download/bericht_kostra_dwd_2010_pdf.pdf?__blob=publicationFile&v=9)

Junghänel, T., Ertel, H. und Deutschländer, T. (2017): KOSTRA-DWD-2010R - Bericht zur Revision der koordinierten
Starkregenregionalisierung und -auswertung des Deutschen Wetterdienstes in der Version 2010, Deutscher Wetterdienst, Offenbach
am Main. (

https://www.dwd.de/DE/leistungen/kostra_dwd_rasterwerte/download/bericht_revision_kostra_dwd_2010.pdf?__blob=publicationFile&v=6)

 

 

Hochwassergefahrenkarte

Karte  (i)

Basierend auf der Europäischen Hochwasserrisikomanagementrichtlinie (EU-HWRM-RL, Europäisches Parlament und Rat 2007) müssen innerhalb der EU für Fließgewässer, je nach Situation vor Ort, Risiken durch Hochwasserereignisse erkannt und bewertet werden. Nachfolgend auf dem 1. Zyklus der Hochwasserrisikomanagementrichtlinie der Jahre 2010 bis 2015, wo erstmals Hochwasserrisiken in Form von Hochwassergefahren- und Hochwasserrisikokarten (HWGK und HWRK) erfasst und bewertet wurden, liegen im Handlungsfeld Hochwasserschutz nun die im 2. Zyklus der EU-HWRM-RL (2016 bis 2021) fortgeschriebenen und aktualisierten Hochwassergefahrenkarten für NRW vor. Diese Karten wurden im Auftrag des Umweltministeriums (MULNV) und den Bezirksregierungen erstellt. Mit Hilfe der Hochwassergefahrenkarten können sich Interessierte für die meisten Fließgewässer darüber informieren, welche Ausmaße Hochwasserereignisse bei bestimmten Wiederkehrintervallen haben können.

Grundlagen

Entsprechend dem Ergebnis der Bewertung der Hochwassergefahr und des Hochwasserrisikos wurden im 1. Zyklus der EU-HWRM-RL an 448 Gewässern mit einer Gesamtlänge von 6.064 Kilometern HWGK und HWRK erstellt. Nach der Überprüfung der Bewertung des Hochwasserrisikos im 2. Zyklus im Dezember 2018 wurden an 438 Gewässern mit insgesamt 5.864 Kilometern Gewässerlänge (ermittelt aus der Stationierung der Gewässer) HWGK und HWRK erstellt (MULNV 2019a).

Im 2. Zyklus der EU-HWRM-RL wurde in Deutschland beschlossen, eine Harmonisierung der Hochwassergefahren- und Hochwasserrisikokarten anzustreben. Aus diesem Grund hat die Bund/Länder-Arbeitsgemeinschaft Wasser (LAWA) im September 2018 die erstmals in 2006 aufgestellten gemeinsamen Empfehlungen zur Aufstellung der Hochwassergefahren- und Hochwasserrisikokarten in Deutschland fortgeschrieben.

Datenbasis und Kartenerstellung

Für die Hochwassergefahrenkarten HWGK wurden im 1. Zyklus der EU-HWRM-RL erstmalig Überflutungsflächen der folgenden Hochwasserszenarien berechnet, die dann im aktuellen 2. Zyklus abermals angewendet wurden (MULNV 2019a):

  • Hochwasser mit niedriger Wahrscheinlichkeit – HQextrem(Ereignisse, die im statistischen Mittel deutlich seltener als alle 100 Jahre auftreten),
  • Hochwasser mit mittlerer WahrscheinlichkeitHQ100 (Ereignisse, die im statistischen Mittel mindestens alle 100 Jahre auftreten),
  • Hochwasser mit hoher WahrscheinlichkeitHQhäufig (Ereignisse, die im statistischem Mittel alle 10 bis 20 Jahre auftreten).

Dabei werden für die oben genannten Szenarien folgende Teilparameter dargestellt:

  • das Ausmaß der Überflutung (Fläche),
  • die Wassertiefe in den Überflutungsflächen,
  • die Fließgeschwindigkeit (dort, wo es sinnvoll möglich war).

Unabhängig davon werden auch Hochwasserschutzeinrichtungen dargestellt.

Die mittlerweile deutschlandweit harmonisierte Methodik zur Erarbeitung HWGK in NRW erfolgte weitestgehend standardisiert, damit eine einheitliche Gestaltung und Qualität für jedes untersuchte Fließgewässer gesichert werden konnte.

Dabei wurden folgende Grundlagendaten erhoben und verwendet:

  • Die Bestimmung der Hochwasserabflüsse (hydrologische Werte) für die einzelnen Szenarien erfolgte überwiegend mithilfe von Niederschlag-Abfluss-Modellen.
  • Die Topographie wurde aus der exakten Aufnahme des Gerinnebetts bzw. Flussschlauchs (i. d. R. aus terrestrischer Vermessung) und des Gewässervorlands (i. d. R. aus Laserscan-Daten) einschließlich relevanter Bauwerke (i. d. R. aus terrestrischer Vermessung) modelliert.
  • Bodenbedeckung und Rauheit wurden abgeleitet aus vorhandenen Daten der Landesvermessung sowie i d. R. manuellen Ergänzungen anhand von Ortsbegehungen, Vermessungsdaten und Orthofotos in unmittelbarer Gewässernähe.
  • Die Berechnung der Wasserstände, Fließgeschwindigkeiten und das Ausmaß der Überflutung erfolgte mithilfe von ein- oder zweidimensionalen hydraulischen Simulationsmodellen mit stationärer oder instationärer Abbildung der Abflüsse.

Kartenbeschreibung

Die Hochwassergefahrenkarten zeigen für die Fließgewässer, von denen eine mögliche Bedrohung durch Hochwasser ausgehen, die Hochwasserfläche, die Wassertiefe in den Überflutungsgebieten, die potenzielle Hochwasserausdehnung und –tiefe hinter Schutzeinrichtungen sowie, wo möglich und sinnvoll, die Strömungsrichtung und Fließgeschwindigkeit. Dämme, Deiche, Rückhaltebecken und andere Hochwasserschutzeinrichtungen werden ergänzend dargestellt. Sämtliche HWGK wurden im Maßstab 1:5.000 erstellt. Die folgende Abbildung 8, entnommen aus der vom Umweltministerium herausgegebene Lesehilfe zur Hochwassergefahrenkarte (MULNV 2019b), gibt detailliert Informationen zum Karteninhalt an einem Beispielausschnitt.

 

 

Fazit

Die im Rahmen der Europäischen Hochwasserrisikomanagementrichtlinie erstellten Hochwassergefahrenkarten stellen sehr anschaulich die möglichen Ausmaße von Flusshochwasser-Ereignissen unterschiedlicher Frequenz und Intensität dar. Jede Person und jede Behörde kann sich mit Hilfe dieser Karten darüber informieren, ob und ab welchem Flusshochwasser-Ereignis Gebäude und kritische Infrastruktur gefährdet sind, und entsprechende Vorkehrungen treffen, um die Gefährdungslage zu verringern.

Literatur

Europäisches Parlament und Rat (2007): Richtlinie 2007/60/EG des Europäischen Parlaments und des Rates vom 23. Oktober 2007 über die Bewertung und das Management von Hochwasserrisiken. RICHTLINIE 2007/60/EG.

MULNV (2019a): Bericht zur vorläufigen Risikobewertung in NRW. Überprüfung und Aktualisierung der Hochwassergefahrenkarten (HWGK) und Hochwasserrisikokarten (HWRK) im 2. Zyklus der EU-HWRM-RL. Unter Mitarbeit von Kerstin Menn, Lisa Friederhein, Hartmut Sacher, Diane Kaiser, Peter Heiland, Sandra Pennekamp und Lennard Nolte. Düsseldorf.

MULNV (2019b): Hochwassergefahrenkarten/Hochwasserrisikokarten. - Erläuterungen und Lesehilfe -. Düsseldorf.

 

 

Hochwasserrisikokarte

Karte  (i)

Ergänzend zu den Hochwassergefahrenkarten wurden im Rahmen der Europäischen Hochwasserrisikomanagementrichtlinie (EU-HWRM-RL, Europäisches Parlament und Rat 2007) unter dem gleichen Regelwerk Hochwasserrisikokarten (HWRK) für Nordrhein – Westfalen erstellt. Auch hier liegt analog zu den HWGK der 2. Zyklus der HWRK vor. Mit Hilfe der HWRK sollen die hochwasserbedingten negativen Auswirkungen auf eine Anzahl schützenswerter Güter dargestellt werden. Diese Karten wurden im Auftrag des Umweltministeriums (MULNV) und den Bezirksregierungen erstellt.

Grundlagen

Entsprechend dem Ergebnis der Bewertung der Hochwassergefahr und des Hochwasserrisikos wurden im 1. Zyklus der EU-HWRM-RL an 448 Gewässern mit einer Gesamtlänge von 6.064 Kilometern HWGK und HWRK erstellt. Nach der Überprüfung der Bewertung des Hochwasserrisikos im 2. Zyklus im Dezember 2018 wurden an 438 Gewässern mit insgesamt 5.864 Kilometern Gewässerlänge (ermittelt aus der Stationierung der Gewässer) HWGK und HWRK erstellt (MULNV 2019a).

Im 2. Zyklus der EU-HWRM-RL wurde in Deutschland beschlossen, eine Harmonisierung der Hochwassergefahren- und Hochwasserrisikokarten anzustreben. Aus diesem Grund hat die Bund/Länder-Arbeitsgemeinschaft Wasser (LAWA) im September 2018 die erstmals in 2006 aufgestellten gemeinsamen Empfehlungen zur Aufstellung der Hochwassergefahren- und Hochwasserrisikokarten in Deutschland fortgeschrieben.

Datenbasis und Kartenerstellung

Analog zu den Hochwasserszenarien der HWGK

  • Hochwasser mit niedriger Wahrscheinlichkeit – HQextrem(Ereignisse, die im statistischen Mittel deutlich seltener als alle 100 Jahre auftreten),
  • Hochwasser mit mittlerer WahrscheinlichkeitHQ100 (Ereignisse, die im statistischen Mittel mindestens alle 100 Jahre auftreten),
  • Hochwasser mit hoher WahrscheinlichkeitHQhäufig (Ereignisse, die im statistischem Mittel alle 10 bis 20 Jahre auftreten),

wurden für die HWRK folgende Kategorien der von negativen Auswirkungen betroffener Schutzgüter in der Hochwasserrisikokarte dargestellt (MULNV2019a):

  • Die Anzahl der potenziell betroffenen Einwohner wurde aus der Verschneidung der berechneten Überflutungsflächen mit den ATKIS-Nutzungen „Wohnbaufläche" und „Fläche gemischter Nutzung" ermittelt. Dabei wurden bestimmte Annahmen für die Einwohnerdichte in den verschiedenen Nutzungen sowie innerhalb und außerhalb von Ortslagen getroffen. Das gewählte Verfahren erlaubte es, regional Größenordnungen von betroffenen Einwohnern zu ermitteln.
  • Die Flächennutzung bzw. Art der wirtschaftlichen Tätigkeit wurde aus den Objektarten des ATKIS BASIS-DLM (Geo-BASIS NRW, 2009) abgeleitet, die aus Gründen der Übersichtlichkeit in 5 Klassen zuzüglich Gewässerflächen zusammengefasst wurden. Detailliertere Daten standen landesweit nicht zur Verfügung. Aus Gründen der Einheitlichkeit wurde der ATKIS-Datenbestand verwendet.
  • Industrieanlagen(IVU-Anlagen) gemäß Richtlinie 96/61/EG (Rat der Europäischen Union 1996) des Rates vom 24. September 1996 über die integrierte Vermeidung und Verminderung der Umweltverschmutzung (IVU-Anlagen), die im Falle der Überflutung unbeabsichtigte Umweltverschmutzungen verursachen könnten, mittlerweile nach der Richtlinie 2010/75/EU des Europäischen Parlaments und des Rates vom 24. November 2010 über Industrieemissionen (IE-Richtlinie) ersetzt.
  • Als Schutzgebiete gemäß Anhang IV Nummer 1 Ziffern i, iii und v der Richtlinie 2000/60/EG (Europäisches Parlament und Rat 2007) wurden die Gebiete nach Artikel 7 WRRL, die für die Entnahme von Wasser für den menschlichen Gebrauch ausgewiesen wurden, die Erholungs- und Badegewässer sowie FFH- und Vogelschutzgebiete (Natura 2000) dargestellt. Die Schutzgebietsinformationen stammten vom LANUV.
  • Optional konnten weitere Informationen gemäß Artikel 6 Abs. 5d EU-HWRM-RL in den Karten dargestellt werden.
  • Denkmäler und denkmalgeschützten Flächen (Kulturerbestätten) wurden in den NRW-Karten standardmäßig dargestellt. Die Darstellung war abhängig von den verfügbaren Daten zu diesen Kulturgütern. Die Informationen mussten aus verschiedenen Datenquellen zusammengeführt werden.
  • Optional konnten noch zusätzliche Informationen (z. B. gefährdete Objekte, Angaben zur Passierbarkeit von Brücken, …) in den Karten dargestellt werden. Dies lag im Ermessen der beteiligten Regierungsbezirke

Kartenbeschreibung

Die Hochwasserrisikokarten zeigen die Nutzungen der Flächen, die bei einem Hochwasser möglicherweise überflutet werden können. Die Karten geben zusätzlich Informationen über Risiken, die eine besondere Aufmerksamkeit abverlangen. Die HWRK zeigen im Maßstab 1:5.000, abhängig von der Hochwasserwahrscheinlichkeit (Hohe bis niedrige Wahrscheinlichkeit; HQhäufig – HQextrem), die Anzahl der potenziell betroffenen Bevölkerung, Schutzgebiete (Naturschutzgebiete, Wasserschutzgebiete u.a.), die tatsächliche Flächennutzung in den betroffenen Hochwassergebieten, gefährdete Objekte (Denkmäler aller Art, Erholungs- und Badegewässer) sowie Industriebetriebe, von denen eine mögliche Gefährdung ausgehen kann, den sogenannten IVU-Anlagen. In der folgenden Abbildung 9 wird beispielhaft ein HWRK-Ausschnitt mit weiteren Erläuterungen aus der Lesehilfe (MULNV 2019b) dargestellt.

 

Fazit

Die im Rahmen der Europäischen Hochwasserrisikomanagementrichtlinie erstellten Hochwasserrisikokarten stellen sehr anschaulich die möglichen von Flusshochwasser-Ereignissen gefährdeten Schutzgüter und Flächennutzungen dar. Jede Person und jede Behörde kann sich mit Hilfe dieser Karten darüber informieren, ob und wenn ja welche zusätzlichen zur allgemeinen Bebauung und Infrastruktur existierenden Schutzgüter durch ein Flusshochwasser gefährdet sind. Dies gilt insbesondere für Kulturerbestätten, Schutzgebiete oder Industrieanlagen, von denen eine Gefährdung ausgehen kann.

Literatur

Europäisches Parlament und Rat (2007): Richtlinie 2007/60/EG des Europäischen Parlaments und des Rates vom 23. Oktober 2007 über die Bewertung und das Management von Hochwasserrisiken. RICHTLINIE 2007/60/EG.

MULNV (2019a): Bericht zur vorläufigen Risikobewertung in NRW. Überprüfung und Aktualisierung der Hochwassergefahrenkarten (HWGK) und Hochwasserrisikokarten (HWRK) im 2. Zyklus der EU-HWRM-RL. Unter Mitarbeit von Kerstin Menn, Lisa Friederhein, Hartmut Sacher, Diane Kaiser, Peter Heiland, Sandra Pennekamp und Lennard Nolte. Düsseldorf.

MULNV (2019b): Hochwassergefahrenkarten/Hochwasserrisikokarten. - Erläuterungen und Lesehilfe -. Düsseldorf.

Rat der Europäischen Union (1996): Richtlinie 96/61 /EG vom 24. September 1996 über die integrierte Vermeidung und Verminderung der Umweltverschmutzung. Richtlinie 96/61 /EG.