Hochwasser ist ein natürliches Ereignis, welches immer wieder auftritt. Es ist Teil des natürlichen Regimes eines Gewässers und erfüllt als solches auch wichtige ökologische Funktionen. Jedoch führt Hochwasser in besiedelten Gebieten, je nach Größe des Ereignisses, zu erheblichen Schäden. Daher ist es unter anderem wichtig, die Bevölkerung rechtzeitig vor Hochwasser zu warnen.


Warum gibt es Hochwasser?

Hochwasserereignisse entstehen infolge von meteorologischen Gegebenheiten. Die häufigste Ursache für Hochwasser sind anhaltende, ergiebige und großflächige Niederschläge. Dabei kommt es auf die Intensität, die Dauer und die Verteilung der Niederschläge im Einzugsgebiet der Gewässer an. Kleine Einzugsgebiete reagieren dabei besonders schnell und umso heftiger, je höher die Niederschlagsintensität ist. Dann kann es zu den sogenannten Sturzfluten in Folge von Starkregen kommen, die eine Vorwarnzeit kaum erlauben. Starkregen kann zudem zu Überschwemmungen in Gebieten führen, wo keine Gewässer in der Nähe sind.

Bedingt durch den noch leichten maritimen Einfluss sind die Niederschläge in Luxemburg über das Jahr relativ gleich verteilt. Traditionell treten die meisten Hochwasser aber im Winter und Frühjahr auf. Aufgrund der fehlenden Vegetation kommt der Niederschlag in dieser Zeit viel schneller zum Abfluss als während der Vegetationsperiode, denn diese kann einen bedeutenden Teil des Niederschlags auf ihrer Oberfläche „zurückhalten“ (Interzeption) oder über die Wurzeln aufnehmen. Die bedeutendsten Hochwasser treten jedoch in Folge von Schneeschmelze auf. Dies ist vor allem für die Gewässer im Norden Luxemburgs sowie für die Mosel relevant, deren Quelleinzugsgebiet in den Vogesen liegt. Hochwasser in Folge von Schneeschmelze können unter Umständen sehr plötzlich auftreten (siehe Herausforderung Schnee)

Neben den meteorologischen Ursachen spielen aber auch die geomorphologischen und pedologischen Bedingungen eine Rolle. Die Bodenart, die Landnutzung und die Hangneigung sind maßgebende Faktoren dafür, wieviel Wasser erst einmal in den Boden versickert und wieviel das Gewässer auf direktem (schnellen) Weg erreicht. Die Bodenart und die Hangneigung werden unter anderem auch durch die Geologie geprägt. Da diese in Luxemburg größere Unterschiede aufweist (z. B. Schiefer im Norden und Sandstein oder Muschelkalk im Süden), reagieren die Flüsse selbst bei gleicher Niederschlagsmenge unterschiedlich. Weitere wichtige Faktoren sind zum Beispiel die Form des Einzugsgebietes. Je nach Form ist die Konzentrationszeit in den Vorfluter länger oder kürzer. Große Flüsse, wie die Sauer oder die Mosel reagieren daher auch langsamer auf Niederschlagsereignisse, wodurch es in der Regel einfacher ist, hier eine Hochwasservorhersage zu berechnen.

Die Aufgabe von Hochwasservorhersagemodellen ist diese unterschiedlichen Voraussetzungen und Abflussprozesse möglichst naturnah abzubilden.

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Hydrologische Vorhersagemodelle

Traditionell kommen bei der Hochwasservorhersage sogenannte Niederschlag-Abfluss-Modelle (N-A-Modelle) zum Einsatz. Dabei wird der zu erwartende Abfluss in einem Gewässer aus einzelnen Niederschlagsereignissen unter Berücksichtigung der Gebietseigenschaften berechnet. Ein vereinfachter Ansatz ist die Berechnung über den effektiven Niederschlagskoeffizienten. Man definiert wieviel Prozent vom Niederschlag im Gewässer zum Abfluss kommt und wieviel in den Boden und ins Grundwasser gelangt und somit keine direkte, sondern eine verzögerte Reaktion im Gewässer auslöst. Je nach Fragestellung führt dieser vereinfachte Ansatz oftmals zu guten Ergebnissen.

Modellvorstellung zur Bildung des effektiven Niederschlags
Wie bereits erwähnt, werden bei N-A-Modellen auch Gebietseigenschaften wie Landnutzung oder Relief berücksichtigt. Es gibt eine Vielzahl an Modellen mit unterschiedlichem Aufbau und detaillierten Prozessen. Grundbestandteile sind aber bei allen die Berechnung der Abflussbildung und der Abflusskonzentration. Die Simulation des Bodenwasserhaushalts wird in diesen Modellen jedoch nicht berücksichtigt, dafür stehen Wasserhaushaltsmodelle zur Verfügung.

Wasserhaushaltsmodelle berücksichtigen in relativ detaillierter Form die Abflussbildungsprozesse im Boden. Der vereinfachte Ansatz der N-A-Modelle mag für bestimmte Fragestellungen ausreichen, jedoch spielen sich in der Natur viel komplexere Prozesse ab, welche vor allem in kleineren Einzugsgebieten zu differenzierten Abflussreaktionen führen. Diese Prozesse können von Wasserhaushaltsmodellen abgebildet werden und liefern so ein Ergebnis für das gesamte Abflussspektrum. Wie in der Abbildung unten dargestellt, besteht das Abflussspektrum aus Oberflächenabfluss, Zwischenabfluss und Basisabfluss (Grundwasserabfluss). Ihre Aufteilung in die jeweiligen Spektren hängt von der Bodenbeschaffenheit (Bodensättigung, Verschlämmungsneigung, Speicherkapazität, Mächtigkeit), der Landnutzung (Einfluss Vegetation, Evapotranspiration), der Hangneigung und vor allem dem Verhältnis zwischen Niederschlagsintensität und Infiltrationskapazität ab (siehe auch Abflussprozesstypen)

Wollen sie mehr zum Wasser im Boden wissen, dann geht’s >>> hier zum Online-Lern-Modul (in deutscher und englischer Sprache).

Differenzierung des Abflussspektrums in der Ganglinie
Copyright 2000 Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg

Zusätzlich zu der Differenzierung in Abflussspektren werden auch weitere Prozesse des Wasserhaushalts mit simuliert, wie Schneespeicher, Interzeption (Zurückhalten des Niederschlags durch die Vegetation), Verdunstung, Grundwasserneubildung oder kapillarer Aufstieg (Grundwasseraufstieg in den ungesättigten Boden). Der Vorteil von Wasserhaushaltsmodellen ist, dass sie so auch zur Beantwortung allgemein wasserwirtschaftlicher Fragen herangezogen werden können (z. B. Niedrigwasservorhersage, langfristige Klimawandeluntersuchungen).

Wasserhaushaltsmodelle bilden das Grundwasser meist nur vereinfacht ab, indem sie eine Grundwasserneubildung berechnen. Für die Grundwassermodellierung stehen in der Regel spezielle Modelle zur Verfügung bzw. werden an diese gekoppelt.

Hochwasservorhersagemodelle verfügen auch über Flood-Routing-Routinen, um den Wellenablauf zu simulieren. Wenn es aber darum geht, noch detailliertere Informationen über die Wasserspiegellagen zu bekommen, stehen spezielle hydraulische Modelle zur Verfügung. In der Hochwasservorhersage kommen diese Modelle vor allem bei Gewässern mit hydraulischen Bauwerken wie Flutpoldern oder Staustufen zum Einsatz. Aber auch zur Erstellung der Hochwassergefahrenkarten werden diese eingesetzt.

In vielen Fällen hat sich für die Hochwasservorhersage eine Kopplung von hydrologischen und hydraulischen Modellen bewährt. Erstere liefern das zu erwartende Volumen im Gewässerabschnitt infolge des Niederschlaginputs und letztere übernehmen dieses Volumen, um den detaillierten Wellenablauf zu berechnen.


Die Hochwasservorhersage bei der AGE

In Zusammenarbeit mit seinen Nachbarländern und Vertragsparteien der Internationalen Kommissionen zum Schutze der Mosel und der Saar (IKSMS) wird bei der Administration de la gestion de l‘eau das Wasserhaushaltmodell LARSIM (Large Area Runoff Simulation Model) für die Hochwasservorhersage eingesetzt. Das Modell ermöglicht eine prozess- und flächendetaillierte Simulation und Vorhersage des landgebundenen Wasserhaushaltes. Detaillierte Informationen in mehreren Sprachen zum Modell findet man >>> hier.

Das LARSIM Modell wird weltweit für unterschiedliche Fragestellungen in Wasserwirtschaft und Forschung eingesetzt. Im Rahmen der operationellen (Hochwasser)Vorhersage sind zurzeit 43 Modelle in fünf Ländern im Einsatz. In Luxemburg wird das Modell für das Einzugsgebiet der Sauer seit 2007 betrieben und ist ein Teilgebiet des größeren Moselmodells. Das Modell wird auch beim Service de la navigation für die Mosel eingesetzt.

Über den Austauschserver PLATIN können die Vertragsparteien der IKSMS ihre Messdaten austauschen. Damit steht allen Hochwasservorhersagezentralen im Einzugsgebiet der Mosel ein dichtes und zuverlässiges Messnetz zur Verfügung. Neben den Wasserständen bzw. Abflussmessdaten sind für die Berechnung des Wasserhaushalts folgende Antriebsdaten zwingend nötig:

  • Niederschlag (mm)
  • Lufttemperatur in 2 m Höhe (°C)
  • Relative Luftfeuchte (%)
  • Globalstrahlung (W/m2)
  • Windgeschwindigkeit (m/s)
  • Relativer Luftdruck (hPa)

Für die Berechnung der Vorhersage stehen aktuell Produkte des Deutschen Wetterdienstes (DWD) und des französischen Wetterdienstes (MétéoFrance) inklusive deren Radarprodukten für die vergangenen Zeitschritte zur Verfügung. Diese Produkte werden bereits aufbereitet geliefert und können direkt ins Hochwasservorhersagemodell eingelesen werden.

Übersicht über die aktuell bei der AGE zur Verfügung stehenden Produkte der Wetterdienste

LieferantKurzfristMittelfristLangfristRadar
DWDCOSMO-DE (27 h)ICON-EU (78 h)GME30 (174 h)Radolan
MétéoFranceArôme (27 h)Arpège (78 h) Antilope
LieferantSchnee
DWDSNOW4 (72 h)

Außerhalb der Hochwasserzeiten werden bei der AGE dreimal täglich die Vorhersagen berechnet. Ist der Hochwassermeldedienst eröffnet, kommt es je nach Situation bis zu einer stündlichen Aktualisierung der Vorhersagen auf der Internetseite. Eine häufigere Berechnung ist zurzeit nicht sinnvoll, da sowohl die aufbereiteten Messdaten als auch der Berechnungsschritt des Modells eine Stunde beträgt.

Welche Schritte werden durchgeführt?

  1. Zuerst werden die Messdaten geprüft, ggf. korrigiert und dann aufbereitet. Der Niederschlag, die Lufttemperatur, die relative Luftfeuchte und die Globalstrahlung werden auf ein Raster von 1x1 km2 interpoliert. Die Ergebnisse werden von einem Experten geprüft. Für den Parameter Niederschlag können auch Radardaten als Messdaten eingesetzt werden.
  2. Die Vorhersageprodukte sind schon entsprechend aufbereitet und werden vom Experten nur gesichtet.
  3. Die Wasserstand- bzw. Abflussdaten der einzelnen Pegel werden durch den Experten geprüft und ggf. korrigiert.
  4. Anschließend wird der Vorhersagezeitpunkt bestimmt und die Berechnung gestartet. Dieser liegt i.d.R. für die erste Stunde nach dem letzten Wert der Messdaten vor.
  5. Für die Visualisierung der Ergebnisse stehen spezielle Programme zur Verfügung. Das Ergebnis besteht aus zwei Teilen:
    1. der Simulationszeitraum, für den gemessene Daten zur Verfügung stehen. In diesem Zeitraum wird der simulierte Wasserstand (oder Abfluss) mit dem tatsächlich gemessenen verglichen. Dies hilft dem Experten mit einzuschätzen, wie vertrauenswürdig das Model und die Vorhersagen am Pegel sind.
    2. Der Vorhersagezeitraum, für den meteorologische Vorhersagen zur Verfügung stehen.
    Die Ergebnisse werden nur an den Pegeln dargestellt, an welchen Abflusskurven vorliegen, mit derer Hilfe Vergleiche gezogen werden können. Prinzipiell ist eine Ausgabe der Ergebnisse aber für jedes Teilgebiet (1x1 km2) möglich.
  6. Der Experte bewertet die Berechnungen, vergleicht die Ergebnisse mit unterschiedlichen Vorhersagemodellen (z. B. DWD oder MétéoFrance) und veröffentlicht die gewählte Wasserstandsvorhersage. Außerhalb des Hochwassermeldedienstes erfolgt eine automatische Veröffentlichung der Ergebnisse auf Basis von DWD-Vorhersagen. In der Regel umfasst die Vorhersage 24 Stunden.
  7. Ist der Hochwassermeldedienst aktiv, wird zusätzlich ein Hochwasserlagebericht erstellt und aktualisiert, falls eine Änderung der Lage dies erfordert.

Zusammenfassung der Erstellung einer Hochwasservorhersage

Was sind die Herausforderungen bei der Vorhersage?

Bodenfeuchte

Für den Bodenwasserhaushalt und die Abflussreaktion ist die Bodenfeuchte eine wichtige Größe. Die Bodenfeuchte hat Einfluss darauf, wieviel und mit welcher Geschwindigkeit der Niederschlag in den Boden infiltriert (Infiltrationskapazität). Sowohl sehr feuchte (hoher Sättigungsgrad) als auch sehr trockene Böden (bis zu einem bestimmten Zeitpunkt) können zu schnellen Abflussreaktionen mit einem hohen Anteil an Effektivniederschlag führen. Daher ist es wichtig, vor einem zu erwartenden Niederschlagereignis den Zustand der Bodenfeuchte im Modell zu prüfen und gegebenenfalls nachzuführen.

Schnee

Hochwasser in Folge von Schneeschmelze, wie es in Luxemburg zuletzt im Jahre 2011 auftrat, führt oft zu erheblichen Schäden. Der Grund hierfür ist, dass in einer Schneedecke über eine längere Zeit eine große Menge an Wasser in fester Form gespeichert werden kann (Schneewasseräquivalent). Der Schneeschmelzprozess ist sehr komplex. Setzt die Schmelze ein, wird flüssiges Wasser zuerst in der Schneedecke gespeichert, um in der Folge sehr plötzlich freigesetzt zu werden. Dies kann unter Umständen einem Niederschlag von 30 mm/h entsprechen. Die Situation kann zusätzlich dadurch verschärft werden, dass der Boden gefroren ist und so wie eine versiegelte Fläche wirkt oder es zusätzlich in die Schneedecke regnet. Aus diesem Grund ist es wichtig im Winter den Aufbau der Schneedecke im Wasserhaushaltsmodell vor der einsetzenden Schmelze auf ihre Richtigkeit zu prüfen. In diesem Fall überprüft der Service hydrométrie mit speziellen Schneemessgeräten die Schneedecke (Bestimmung des Schneewasseräquivalents) und misst zusätzlich an vier Standorten in Luxemburg kontinuierlich die Schneehöhe. Gibt es Abweichungen zwischen der realen Schneedecke und der im Modell, wird diese mit Hilfe von gemessenen Daten oder den SNOW4-Produkten des DWD nachgebessert.

Wetterlage

Unstabile Wetterlagen, wie sie zuletzt im Sommer 2016 auftraten, stellen besondere Herausforderungen an die Hochwasservorhersage. Der Grund hierfür ist, dass zum einen die Niederschlagsereignisse sehr lokal auftreten können, die meteorologischen Modelle aber auch alle paar Stunden ändern können. Oftmals treten dann auch Unterschiede zwischen verschiedenen meteorologischen Produkten auf (DWD oder MétéoFrance), sodass es erheblich schwerer wird, sich für ein Produkt zu entscheiden. In diesem Zusammenhang greift die AGE oftmals auf die Hilfe der Experten bei Meteolux zurück, um die Lage besser einzuschätzen und zu entscheiden, ob die entsprechenden Wasserstandvorhersagen publiziert werden oder die nächste Bereitstellung von meteorologischen Vorhersagen abgewartet wird.

Verfügbare Vorhersagen

Die zeitliche Verzögerung der Vorhersagen stellt je nach Situation auch eine große Herausforderung an den Meldedienst dar. Zurzeit sind die schnellsten verfügbaren Vorhersagen innerhalb von drei Stunden einsetzbar. Bei langanhaltenden Niederschlagssituationen und stabiler Wetterlage bereitet dies in der Regel keine Probleme, bei kurzfristig sich ändernden und bei lokal begrenzten Ereignissen ist eine Berechnung der Wasserstandvorhersage schwieriger.

Abhängigkeit von den Vorhersagen

Die Genauigkeit der Wasserstandvorhersagen hängt im Wesentlichen von der Genauigkeit der meteorologischen Vorhersagen ab. Auch die Modellberechnung ist mit Unsicherheiten behaftet, eine ungenaue Vorhersage wiegt jedoch schwerer. Dazu nimmt die Verlässlichkeit der Vorhersagen mit zunehmender Vorhersagetiefe ab. Aus diesem Grund werden nur Vorhersagen bis 24 Stunden publiziert. Bei unstabiler Wetterlage kann dieser Zeitraum bis auf 6 Stunden reduziert werden.

Hochwasser im Sommer

Traditionell treten die Hochwasser in Luxemburg im Winter auf. Dazu konnte man über die letzten Jahrzehnte bereits einige Erfahrungen sammeln und entsprechend z. B. Meldestufen oder Hochwassereinsatzpläne ableiten. Doch selbst, wenn bei Sommerniederschlägen oftmals die erste Meldestufe (cote de vigilance) nicht erreicht wird, können die auftretenden Wasserstände in der flussnahen Umgebung unter Umständen zu einem Problem werden, da diese anders genutzt werden. So z. B. durch Freizeitangebote oder durch Campingplätze. Klimahydrologische Untersuchungen zeigen, dass im Sommer im Mittel zwar weniger Niederschlag fallen wird, diese Ereignisse jedoch bedeutend höher ausfallen werden, sodass für Sommerhochwasser entsprechende Erkenntnisse erst noch aufgearbeitet werden müssen. Die AGE hat an der Untersauer zusammen mit den lokalen Behörden und Einsatzkräften diese Arbeit bereits begonnen.


Zukünftige Anpassungen

Frühwarnung in kleinen Einzugsgebieten

Kleine Gewässer können infolge intensiver Niederschläge und/oder Schneeschmelze innerhalb kurzer Zeit stark anschwellen. Daher kommt es in der Gesamtbetrachtung an kleinen Flüssen häufiger zu Hochwasser als an großen Flüssen, die dann in der Summe zu höheren Schäden führen. Aufgrund der kurzen Reaktionszeit ist es schwierig, an Pegeln mit kleinen Einzugsgebieten eine zentimetergenaue und zeitscharfe Vorhersage des Wasserstands zu machen. Mittelfristig ist daher geplant eine regionsbezogene Hochwasserfrühwarnung in Form von Karten zu erstellen. Die regionsbezogenen Warnungen werden voraussichtlich auf Basis von Einzugsgebieten < 200 km2 ermittelt werden.

Anpassungen der bodenhydrologischen Informationen

Die Auswirkungen von Starkregenereignissen genau zu simulieren, ist äußerst schwierig und kann mit Wasserhaushaltsmodellen selten abgeschätzt werden. Ein wichtiger Aspekt in dem Zusammenhang ist aber, die richtigen Abflussprozesstypen zu kennen, damit die unterschiedlichen Reaktionen im Modell entsprechend berücksichtigt werden können. Um die Prozesstypen zu bestimmen ist in einem ersten Schritt die bodenhydrologische Karte zu modifizieren und unter anderem daraus das Verschlämmungspotenzial der Böden abzuleiten. Anschließend können modelltechnische Anpassungen vorgenommen werden, um so die Abflussreaktion von extremen Ereignissen besser zu simulieren. Selbstverständlich helfen diese Anpassungen auch insgesamt die Hochwasservorhersage zu verbessern.

Verbesserung der meteorologischen Vorhersagen

Alle staatlichen und privaten meteorologischen Dienste arbeiten zurzeit daran, ihre Produkte zu erweitern, um den Anspruch an kurzfristige Vorhersagen (2 Stunden) gerecht zu werden. Dies betrifft vor allem die sogenannten Now-casting Produkte. Die Umsetzung dieser Produkte in die operationellen Hochwasservorhersagesysteme sollte kurzfristig möglich sein.


Abflussprozesstypen

Der Boden spielt eine entscheidende Rolle bei Abflussprozessen. Im Folgenden werden die wichtigsten Unterscheidungen vorgestellt. Mittelfristig sollen diese Prozesse landesweit definiert werden, um so den Abflussprozess auch im Wasserhaushaltsmodell besser nachzuvollziehen und gerade bei extremen Ereignissen wie Starkregen bessere Ergebnisse zu erzielen.

Im Allgemeinen werden folgende Abflussprozesse unterschieden (Scherrer AG, 2004):

  • Hortonische Oberflächenabflussprozesse (Overland Flow, HOF): Horton ging davon aus, dass Oberflächenabfluss entsteht, wenn die Niederschlagsintensität die momentane Infiltrationsrate des Bodens übersteigt (Infiltration Excess Overland Flow). Dies ist vor allem bei undurchlässigen oder schwach durchlässigen Böden der Fall. Hier werden in der Folge sofortiger (HOF 1) und verzögerter (HOF 2) Hortonischer Oberflächenabfluss unterschieden.
  • Gesättigter Oberflächenabfluss (Saturated Overland Flow, SOF): Diese Form des Abflusses entsteht, wenn nach Sättigung des Bodenprofils dessen Speicherkapazität erschöpft ist. Böden, die rasch gesättigt sind, lösen SOF 1 aus, Böden mit größerem Sättigungsdefizit SOF 2 oder SOF 3. Jede weitere Wasserzugabe fließt unabhängig von der Niederschlagsintensität oberflächlich ab.
  • Fließprozesse im Boden (Subsurface Flow, SSF): Durchdringt das Niederschlagswasser die Oberflächenschicht und dringt es in den Boden ein, so kann das Wasser in der Bodenmatrix gespeichert werden oder es sickert bis zu einem Grundwasserkörper. Das Wasser bewegt sich kapillar in den Poren der Bodenmatrix oder nichtkapillar in größeren Makroporen. In gut durchlässigen Bodenhorizonten über weniger oder nicht durchlässigen Horizonten kann lateraler Abfluss entstehen. Auch Grundwasser kann unter gewissen Umständen zum Abfluss beitragen, wenn eine "ungehinderte" Verbindung zwischen Oberfläche, Grundwasser und Vorfluter besteht.
  • Tiefenversickerung (Deep Percolation, DP): In den Boden infiltriertes Wasser kann, sofern die geologische Unterlage durchlässig ist, in diese weitersickern.