Projekt

Seit Anfang 2016 führt das Forschungsinstitut Wasser und Umwelt (fwu) der Universität Siegen in Kooperation mit dem Entsorgungs­betrieb der Stadt Siegen (ESi) das Vorhaben SiSSi (Simulation von Starkniederschlägen im Stadtgebiet Siegen) durch.

Veranlassung

Das Hochwasser im Sommer 2013 an Elbe und Donau hat besonders deutlich gezeigt, wie verwundbar die Gesellschaft gegenüber hydrometeorologischen Extremereignissen ist. Bei Überflutungen handelt es sich um Naturphänomene, die insbesondere in bebauten Gebieten und Siedlungsbereichen zu großen Schäden führen können. Allerdings stellen nicht nur die aus großflächigen Niederschlagsereignissen oder Schneeschmelzen resultierenden Hochwasserereignisse eine Bedrohung dar, sondern auch lokale, durch Starkniederschläge verursachte Überschwemmungen (Sturzfluten). Nach dem Gesamtverband der Deutschen Versicherungswirtschaft e. V. resultieren mittlerweile rund 50 % der Überschwemmungsschäden in Deutschland aus Starkregenereignissen.

Starkregenereignisse können dabei nahezu überall auftreten und sind durch eine hohe Regenintensität mit einer Dauer von nur wenigen Minuten bis wenigen Stunden gekennzeichnet. Üblicherweise werden Niederschlagsabflüsse aus urbanen Gebieten durch das Kanalisationssystem abgeleitet. Bei Starkregen ist die Infiltrationsfähigkeit des Bodens jedoch oftmals schnell erschöpft, die Kanalisation überlastet und/oder die hydraulische Leistungsfähigkeit der Straßenabläufe nicht ausreichend. Folglich bleibt nur der oberflächige Abfluss des Wassers über die Straße, wo es unkontrolliert in Kulturflächen und in Gebäude einströmen und dort zu großen Schäden führen kann.

Ein Versagen der Entwässerungsinfrastruktur bzw. einzelner Komponenten des Entwässerungssystems ist jedoch auch möglich, wenn weniger extreme Ereignisse beider Quellen zeitgleich auftreten. 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.

Zielsetzung

Wesentliches Ziel des Forschungsvorhabens ist es, sowohl die durch Starkregen bzw. Sturzfluten (pluviales Hochwasser), als auch die durch Flusshochwasser (fluviales Hochwasser) potenziell gefährdeten Bereiche und Gebäude im Stadtgebiet von Siegen zu ermitteln. Besonderheit des Vorhabens ist unter anderem, dass pluviale und fluviale Hochwasser bei der numerischen (computergestützten) Modellierung zusammen betrachtet werden. Ein zentraler Bestandteil des Vorhabens ist hierbei die Entwicklung von methodischen Ansätzen, um die Gefahrenquellen Flusshochwasser und Starkniederschlag kombiniert betrachten zu können.

Zur Identifizierung der potenziellen Hochwasserrisiken wird ein numerisches Modell aufgestellt, welches neben der Geländeoberfläche und den Gewässern außerdem das Kanalnetz abbildet. Auf diese Weise wird die Interaktion der einzelnen Systeme untereinander berücksichtigt und bei der Simulation entsprechend abgebildet.

Im Rahmen des Vorhabens sollen für bestimmte kombinierte, potenzielle Hochwasserereignisse unter anderem nachfolgende Fragen geklärt werden:

• In welchen Bereichen in der Stadt Siegen kommt es an Gewässern zu Überschwemmungen?
• Welchen Weg nimmt das Niederschlagswasser infolge von Starkregen auf der Oberfläche und wo kommt es auch fernab von Gewässern zu Überschwemmungen?
• Wo sammelt sich Wasser in Senken und kann nicht mehr abfließen?
• Welche Bereiche und Gebäude sind durch die Überschwemmungen betroffen?
• Welche potenziellen Schäden können hierbei entstehen?
• Welche Maßnahmen können diese Schäden verringern oder gar verhindern?

Untersuchungsgebiet

Da der ESi für die Abwasserbeseitigung und Gewässerunterhaltung im Siegener Stadtgebiet zuständig ist, erstreckt sich auch das Untersuchungs­gebiet des Kooperationsvorhabens auf das aus 23 Stadtteilen bestehende rund 115 km² große Stadtgebiet Siegens (vgl. Abbildung 1). Innerhalb dieses Gebietes verlaufen etwa 155 km Gewässer und 600 km Kanäle (Misch-, Schmutz- und Regenwasserkanäle). Zum Kanalnetz gehören des Weiteren rund 18.000 Kanalschächte, über 15.500 Straßenabläufe, 18 Regenüberlaufbecken, 55 Regenüberläufe und 15 Pumpwerke sowie zwei Kläranlagen.

Abbildung 1: Untersuchungsgebiet des Kooperationsvorhabens SiSSi

Projektablauf

Die Identifikation der potenziellen Hochwasserrisiken im Stadtgebiet Siegens erfolgt schrittweise in vier Arbeitspaketen:

1. Datenakquise und –aufbereitung

Hydraulische Gefährdungsanalysen erfordern zahlreiche detaillierte Daten, die zunächst bei den entsprechenden Stellen angefordert und anschließend aufbereitet werden müssen. Hierzu zählen unter anderem Geodaten wie Digitale Geländemodelle, Orthofotos, Boden- und Landnutzungsdaten, Kanalstammdaten sowie meteorologische und hydrologische Daten.

2. Niederschlags-Abfluss-Modellierung (NA-Modell)

Unter Verwendung eines N/A-Modells wird das gesamte Einzugsgebiet der oberen Sieg und ihrer Zuflüsse modelliert. Ein N/A-Modell bietet den Vorteil, dass Niederschlagsereignisse in das Modell eingesteuert und so an jedem beliebigen Punkt im Gewässersystem die resultierenden Bemessungsabflüsse ermittelt werden können, welche die Grundlage für hydraulische Modellierungen (siehe 3.) bilden.

3. Hydrodynamisch-numerische Modellierung der Entwässerungsinfrastruktur (Kanalnetzmodell) dynamisch gekoppelt mit dem Oberflächenabfluss- und Gewässermodell

Im Rahmen der Modellierung erfolgen detaillierte Berechnungen der Wasserstände, Fließgeschwindigkeiten und Überschwemmungsflächen, sodass zum einen der komplexe Ablauf eines Hochwasserereignisses besser nachkonstruiert und zum anderen Schwachpunkte der Entwässerungsinfrastruktur identifiziert werden können.

4. Hochwasserschadensanalyse

Aus den Ergebnissen der hydrodynamisch-numerischen Modellierung ergeben sich hoch detaillierte Überschwemmungsflächen für das gesamte Stadtgebiet. Unter Berücksichtigung mikroskaliger Schadensfunktionen werden die potenziellen monetären Schäden an Gebäuden und der Infrastruktur abgeschätzt.

Auch wenn diese vier Arbeitspakete prinzipiell aufeinander aufbauen, werden bestimmte Teilaufgaben davon nach Erfordernis parallel erarbeitet oder gegebenenfalls mithilfe von neuen Erkenntnissen aktualisiert.

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