Begriffe und Modelle der Überflutungsanalyse

Überflutungen können weltweit auftreten und gehören zu jenen Naturgefahren mit dem höchsten Schadenspotenzial. Der globale wirtschaftliche Schaden aufgrund von Überflutungen wird in der Zeitspanne von 1980 bis 2013 auf eine Billion Dollar geschätzt (Berndtsson et al. 2019; Winsemius et al. 2016). Überflutungsmodelle sind mittlerweile ein häufig angewandtes Werkzeug in der Praxis, um die Überflutungsflächen aufgrund von Starkniederschlägen in einem Einzugsgebiet zu bestimmen. Aus den Ergebnissen können in weiterer Folge geeignete Reduktionsmaßnahmen abgeleitet werden, um mit der steigenden Problematik von Überflutungen umzugehen.

Einzelne Überflutungsereignisse entstehen durch unterschiedliche Ursachen, woraus in Folge unterschiedliche Arten beziehungsweise Kategorien von Überflutungen resultieren. Die Differenzierung dieser Überflutungskategorien erscheint auf den ersten Blick zwar trivial, dennoch existiert weltweit wie auch im deutschsprachigen Raum kein einheitliches Verständnis oder eine abgestimmte Definition bezüglich der verschiedenen Überflutungsarten. Der in Österreich gegenwärtig häufig benutzte der Begriff des Hangwassers wird teilweise mit dem internationalen Begriff der pluvialen Überflutung gleichgesetzt wird (RMP 2015), aber auch als (pluviale) Sturzflut oder als Oberflächenabfluss bezeichnet, in der hydrologischen Literatur ist dieser als der laterale Zwischenabfluss in der oberen Bodenzone definiert (Chifflard et al. 2008). Zahnt et al. (2018) wiederum differenzieren zwischen fluvialen und pluvialen Hochwässern, wobei das pluviale Hochwasser nochmals detaillierter in Oberflächenwasser, Überlastung des Entwässerungssystems und Grundwasser unterteilt wurde. Zekâi (2017) unterscheidet wiederum die Art der Überflutung in einer ersten Grobeinteilung wie folgt: i) gewöhnliche Überflutungen (Überflutungen, welche auf hydrologischen, meteorologischen und geomorphologischen Ereignissen basieren, z. B. Fluss-Hochwasser); ii) Sturzfluten. Im nationalen Kontext wird vielfach zwischen fluvialen (Wasser aus einem Fließgewässer) und pluvialen Hochwässern (Wasser, welches nicht aus einem Fließgewässer stammt) differenziert. Ebenfalls muss aufgrund der topografischen und meteorologischen Gegebenheiten in Österreich eine mögliche Schmelzwasserproblematik im Überflutungskontext berücksichtigt werden. Diese Einteilungen beschränken sich jedoch vorwiegend auf die Quelle und den daraus resultierenden Abfluss. Andere Faktoren wie die Niederschlagsart fließen nur am Rande in die Diskussion mit ein, sollten allerdings für eine exakte Kategorisierung mitberücksichtigt werden. Daher ist eine exakte Einteilung bezüglich der Überflutungskategorien mit allen relevanten Faktoren notwendig, um die relevanten Prozesse für die jeweilige Überflutungsart identifizieren zu können.

Es wird deutlich, dass je nach Fachgebiet oftmals dieselben Definitionen für verschiedene Überflutungsarten verwendet werden. In urbanen Einzugsgebieten wird die Kategorisierung zusätzlich erschwert, da ein urbanes Überflutungsereignis aufgrund einer Kombination von mehreren Überflutungsquellen und Kategorien auftreten kann. Eine Überflutung kann aufgrund des Erreichens der hydraulischen Kapazitätsgrenze der Kanalisation oder des Fließgewässers entstehen. Zusätzlich kann die Situation aufgrund eines auftretenden Hangabflusses aus einem naheliegenden Außengebiet beeinflusst werden. Es treten häufig Kombinationen aus pluvialen und fluvialen Überflutungen in urbanen Einzugsgebieten auf (Kron et al. 2019).

Diese Vielzahl an möglichen Prozesskombinationen beeinflusst maßgeblich die Auswahl der Prozesse, die in einem Simulationsmodell zur Analyse von urbanen Überflutungen und Hangwasser berücksichtig werden müssen und hat daher auch zwangsläufig Einfluss auf die Modellstruktur des Überflutungsmodells. Neben der räumlichen Struktur des Einzugsgebiets wird die Auswahl der Prozesse zusätzlich durch den betrachteten Niederschlagstyp beeinflusst. Eventuell können einzelne Teilprozesse vernachlässigt werden. Beispielweise sind der laterale Zwischenabfluss und die Verdunstung bei einer Sturzflut aufgrund der kurzen Dauerstufen des Ereignisses zu vernachlässigen (Mosley and McKerchar 1993). Bei Niederschlagsereignissen mit langer Dauerstufen ist eine solche Vernachlässigung nicht zulässig. Zusammenfassend sind also die räumliche Struktur des Einzugsgebietes sowie der für die Aufgabenstellung relevante Niederschlagstyp die entscheidende Randbedingung für die Klassifizierung der Überflutungen und der daraus abzuleitenden Modellansätze und -struktur.

Obwohl die Prozesse häufig auf denselben physikalischen Grundsätzen basieren, muss die Modellstruktur in Abhängigkeit von der Überflutungsart gewählt werden, sodass alle abflussrelevanten Prozesse im Modell enthalten sind. In der Praxis zeigt sich allerdings, dass häufig Modelle zur Anwendung kommen, welche zwar für eine Überflutungsart geeignet sind, jedoch nicht auf alle Aufgabenstellungen im Kontext der Überflutungsmodellierung übertragbar sind. Beispielweise ist das 2D-Modell von fluvialen Überflutungen nicht in derselben Form auf urbane Überflutungen anwendbar, da in diesem der Kanalabfluss als Prozess häufig nicht enthalten ist.

Es ist daher zwingend erforderlich, eine klare Definition zu formulieren, welche Modelle und Modellansätze für welche Aufgabenstellung und Überflutungsarten geeignet sind. In diesem Beitrag wird eine Methodik zur Klassifizierung von Überflutungen vorgestellt. In weiterer Folge werden die unterschiedlichen Modellierungsansätze der urbanen Überflutungsmodellierung beschrieben sowie deren Stärken und Schwächen hinsichtlich der Anwendbarkeit auf die unterschiedlichen Arten der Überflutungen diskutiert.

Allgemein kann von Überflutungen gesprochen werden, wenn eine Oberfläche temporär vollständig mit Wasser bedeckt ist, welche im üblichen Zustand frei von Wasser ist (EC 2007). Dieser Zustand wird durch verschiedene Faktoren beeinflusst. Der erste Faktor ist der Typ der räumlichen Struktur des Einzugsgebiets. Dazu werden vier Hauptstrukturen definiert, welche in Österreich am häufigsten vorkommen: i) urbane Innenstadt; ii) urbane Randlage, iii) ländliche Kleinstadt; iv) rural – nicht besiedeltes Einzugsgebiet. Je nach strukturellen Eigenschaften des Einzugsgebiets wird die grobe Überflutungskategorie (fluvial und/oder pluvial) bestimmt, wobei auch die Kombination der beiden Kategorien möglich ist. Auf Basis der Überflutungskategorien werden die einzelnen Überflutungsquellen im Einzugsgebiet definiert. Auf diesen lassen sich die einzelnen abflussrelevanteren Prozesse ableiten, welche die Grundlage für die Modellstruktur sind. In einem letzten Schritt werden den einzelnen Überflutungsquellen die maßgeblichen Niederschlagstypen zugewiesen. In diesem Zusammenhang wird zwischen kurzzeitig-intensiven und lokal auftretenden Niederschlägen (konvektiv) und langanhaltenden-konstanten Niederschlägen (advektiv) unterschieden. Durch die alpingeprägte Topografie in Österreich kann es auch zu Überflutungen aufgrund einer saisonalen Schneeschmelze kommen, welche vor allem in ländlichen (ruralen) Einzugsgebieten in Österreich zu Überflutungsproblemen führen. Daraus resultieren vier entscheidende Faktoren zur Klassifizierung von Überflutungen (Abb. 1): i) Überflutungskategorie, ii) Überflutungsquelle, iii) räumliche Struktur des Einzugsgebiets und iv) Niederschlagstyp.

Der dominierende Prozess bezüglich Überflutungen ist der Oberflächenabfluss. Da dieser vor allem vom Niederschlagsvolumen abhängig ist, wird in der Hydrologie oftmals von Niederschlags-Abfluss-Modellen gesprochen. Diese Definition verdeutlicht bereits den Zusammenhang zwischen hydrologischer Abflussbildung und dem hydraulischen Fließverhalten an der Oberfläche im Überflutungsfall. Die hydrologische Abflussbildung ist im Allgemeinen eine Bilanz aus den hydrologischen Prozessen Niederschlag, Verdunstung, Transpiration, Interzeption, Infiltration, Speicherverlusten, Zwischenabfluss und Grundwasserneubildung (Sitterson et al. 2017).

Diese Prozesse können je nach Aufgabenstellung und räumlich struktureller Eigenschaften des Einzugsgebiets vernachlässigt werden. Ist eine Hanglage innerhalb des Einzugsgebiets vorhanden, muss dies im Zuge der hydrologischen Modellparameter bereits in der Abflussbildung berücksichtigt werden. Die Eingangsgröße ist dabei das Niederschlagsvolumen, welches sowohl eine zeitliche als auch eine räumliche Abhängigkeit aufweist. Das Modellergebnis ist jenes Volumen, welches an der Oberfläche zum Abfluss kommt und als Oberflächenabfluss bezeichnet wird.

Die räumliche Ausbreitung des Oberflächenabflusses sowie der zeitliche Verlauf der Abflusswelle werden anhand des Oberflächenabflussmodells berechnet. Je nach gegebener Struktur des Einzugsgebiets müssen zusätzliche Überflutungsquellen wie ein mögliches Überstauvolumen aus der Kanalisation sowie eines Fließgewässers berücksichtigt werden. Zusätzlich kann ein Hangabfluss aus einer naheliegenden Hanglage das Abflussvolumen an der Oberfläche erhöhen. Das Ergebnis des Oberflächenabflussmodells sind die Fließwege und Überflutungsflächen an der Oberfläche, welche durch den resultierenden Wasserstand und Geschwindigkeitsvektoren dargestellt werden können. Das Modellergebnis sind daher Wasserstand, Fließgeschwindigkeit sowie Fließrichtung. Zusammenfassend besteht ein Überflutungsmodell grob aus zwei Teilmodellen: hydrologisches Modell zur Abflussbildung und Oberflächenabflussmodell zur Bestimmung des Fließwegs und der Überflutungsflächen, welche unidirektional miteinander gekoppelt sind (Abb. 2).

Es existiert eine Vielzahl an unterschiedlichen Modellen bezüglich Überflutungen, welche sowohl kommerziell vertrieben werden als auch offen als Open-source- oder Freewareprodukt verfügbar sind. Die Modellierungsansätze reichen dabei von einfachen Ansätzen mit geringem Datenaufwand und kurzen Rechenzeiten (z. B. GIS-basierte D8-Methode zur Fließwegbestimmung) bis hin zu komplexen Ansätzen mit enormen Datenmengen sowie langen Simulationszeiten (z. B. hydrodynamische integrierte 1D-2D-Modelle). In Abhängigkeit von den gesuchten Zielgrößen muss ein passendes Modell gewählt werden, welches je nach Modellansatz variieren kann (Fließweg an der Oberfläche, Überflutungsflächen sowie Überstauvolumen).

Um ein geeignetes Modell für eine wasserwirtschaftliche Fragestellung im Überflutungskontext auszuwählen, bedarf es mehrerer Faktoren als Entscheidungsgrundlage. Neben der Modellkomplexität, den notwendigen Daten und den erwarteten Simulationszeiten sind auch die gesuchten Zielgrößen des Modells ein entscheidender Faktor für die Auswahl (Abb. 3).

Überflutungen im urbanen Raum haben in den letzten Jahren hohe Aufmerksamkeit erlangt. Während die Analyse von „klassischen“ Flusshochwässern seit langem Gegenstand in Wissenschaft und Praxis ist, ist die Betrachtung von Überflutungen, die außerhalb von Fließgewässern entstehen, ein relativ junges Themenfeld.

In Österreich, aber auch im internationalen Raum, werden teilweise unterschiedliche Begriffe für diese Art von Überflutungen genutzt. Neben der Unterscheidung in fluviale Hochwässer – Hochwässer, die aus einem Gewässer heraus entstehen – und pluvialen Hochwässern – Hochwässer, die ohne einen Beitrag aus einem ständig Wasser führenden Gewässer entstehen –, werden für die pluvialen Hochwässer noch weitere Begriffe verwendet.

Dabei werden die Begriffe pluviale Überflutung, Sturzfluten, Hangwasser und Überflutung durch Oberflächenwasser häufig für die gleichen Prozesse benutzt. Im Rahmen einer Überflutungsanalyse ist daher eine exakte Bestimmung und Kommunikation der beteiligten Prozesse notwendig.

Für die Überflutungsanalyse steht mittlerweile eine Vielzahl von Werkzeugen zur Verfügung. In diesem Beitrag wurden die wichtigsten Modellansätze hierarchisch geordnet kurz dargestellt. Die mittlerweile zur Verfügung stehenden Ansätze umfassen:

Die hierarchische Darstellung der Modellansätze bedeutet dabei keine Wertung der Modelle, vielmehr ist eine der jeweiligen Aufgabe und dem jeweiligen Untersuchungsgebiet angepasste Auswahl der Modellansätze und eine eventuelle Kombination dieser Ansätze anzustreben.