Lebensräume der Elbe und ihrer Auen
Inhaltsbeschreibung
Kaum ein anderer Fluss rückte in den letzten Jahren so in den Mittelpunkt des öffentlichen Interesses wie die Elbe. Stand sie zunächst für die Teilung zwischen Ost und West, ist die Elbe zu einem Symbol für die Einigung Deutschlands und Europas geworden. Diese Ereignisse spiegelten sich auch im ökologischen Zustand der Flusslandschaft wider. So verschlechterte sich bis zu Beginn der 1990-er Jahre die Gewässerqualität drastisch. Andererseits waren die Auen noch relativ vielfältig strukturiert.
Vor diesem Hintergrund etablierte das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) den Forschungsverbund „Elbe-Ökologie“. Denn eine nachhaltige Entwicklung des gesamten Einzugsgebiets erfordert wissenschaftlich basierte Handlungsstrategien, die den Strom, seine Auen und sein Einzugsgebiet als funktionale Einheit betrachten. Die drastischen Auswirkungen der Flut 2002 und der extremen Trockenheit 2003 unterstreichen dies. Diese Buchreihe schließt nun wesentliche Erkenntnislücken über das natürliche Beziehungsgefüge einer Flusslandschaft und stellt umsetzungsorientierte Konzepte vor.
Die Autoren des vorliegenden Bandes 4 widmen sich der Untersuchung der Lebensräume der Elbe und ihrer Auen. Ein besonderes Augenmerk lag dabei auf Untersuchungen der für deren Lebensgemeinschaften maßgeblichen Standorteigenschaften und Steuerfaktoren. Mit modernen Methoden der Statistik und Modellierung wurden Indikationssysteme zur Bewertung des aktuellen Zustandes und Modellsysteme zur Prognose der Auswirkungen menschlicher Eingriffe in den Wasser- und Nährstoffhaushalt auf Lebensgemeinschaften der Elbe und ihrer Auen entwickelt. Mit Hilfe dieser Instrumente wurden ökologisch anzustrebende und sozioökonomisch vertretbare Handlungsstrategien zur Erhaltung und Regeneration der Lebensräume der Elbe und ihrer Auen abgeleitet. Somit werden auch Hilfestellungen für das Erreichen nationaler und internationaler Vereinbarungen und Gesetze, wie der Umsetzung der EU-Wasserrahmenrichtlinie, der Flora-Fauna-Habitat-Richtlinie und dem Hochwasserschutz, gegeben.
Inhaltsverzeichnis
Vorwort zur Buchreihe
Vorwort der Herausgeber des vorliegenden Bandes
Autorenverzeichnis
Teil I: Wissenschaftliche Ziele – Methodischer Gesamtansatz – Untersuchungsraum 1
Jochen Schanze, Robert Schwarze, Hans-Burkhard Horlacher, Clemens Deilmann 1
1 Einleitung 3
Jochen Schanze 3
e2 Ziele des Verbundvorhabens VERIS-Elbe 7
Jochen Schanze 7
3 Grundbegriffe des Hochwasserrisikomanagements 9
Jochen Schanze 9
4 Methodischer Gesamtansatz – Konzept, Methoden und Modelle 13
Jochen Schanze, Robert Schwarze, Hans-Burkhard Horlacher, Clemens Deilmann 13
4.1 Konzeptioneller Rahmen 13
4.2 Hochwasserrisikosystem und gekoppelte Modellierung 13
4.3 Zukünfte, Bewertung und Umsetzungsinstrumente 16
4.4 Zusammenhang der Projektkomponenten 17
4.5 Beteiligung 19
5 Untersuchungsraum Elbeeinzugsgebiet mit Flussaue des deutschen Elbelaufs 23
Axel Sauer, Jochen Luther, Jochen Schanze 23
5.1 Einordnung und Koordination des Flussgebiets 23
5.2 Klimatische Verhältnisse 26
5.3 Einzugsgebiet und Hydrographie 26
5.4 Nutzung der Aue 27
5.5 Vorhandener Hochwasserschutz 28
Teil II: Entstehung und Ausbreitung von Hochwasserwellen 29
Robert Schwarze, Dirk Carstensen 29
6 Aufgabe des Teilthemas 31
Robert Schwarze 31
6.1 Überblick über die Modelle 32
6.2 Das hydrologische Einzugsgebiet der Elbe 33
7 Niederschlag-Abfluss-Modellierung für das Elbe-Einzugsgebiet mit LISFLOOD 35
Michael Wagner 35
7.1 Fragestellung 35
7.2 Modellkonzept und Datengrundlagen 35
7.2.1 Struktur des Modells LISFLOOD 35
7.2.2 Datengrundlagen zur Parametrisierung von LISFLOOD 36
7.2.3 Klimaszenariodaten 36
7.3 Ergebnisse für das Klima des 20. Jahrhunderts 38
7.3.1 Durchflüsse aus dem STAR-Basisszenario 1951–2003 38
7.3.2 Durchflüsse aus dem Reanalysezeitraum von REMO 1950–2000 39
8 Hydrodynamisch-numerische Modellierung der Elbe mit WAVOS 43
Peter Burek, Silke Rademacher 43
8.1 Fragestellung 43
8.2 Modellerstellung 43
8.2.1 Hydrodynamischer Modellansatz 43
8.2.2 Aufbau des hydrodynamischen Modells WAVOS Elbe 45
8.2.3 Randbedingungen 47
8.2.4 Erstellung von Querprofilen aus digitalen Geländemodellen 47
8.2.5 Elbespezifische Modellgrundlagen 48
8.2.6 Kalibrierung und Validierung 50
8.3 Methodik der Berechnung 52
8.3.1 Methode der instationären Berechnung 52
8.3.2 Methode der stationären Berechnung 52
9 Hydrodynamisch-numerische Modellierung ausgewählter Abschnitte der Elbe mit SMS 55
Dirk Carstensen, Thomas Kopp 55
9.1 Ziele 55
9.2 Grundlagen 55
9.2.1 Datengrundlage 55
9.2.2 Anwendungsgebiet des Strömungsmodells 56
9.2.3 Voruntersuchungen zur numerischen Modellierung seitlicher Ausleitungsbauwerke 57
9.3 Grundsätze der Modellerstellung 60
9.3.1 Berechnungsnetz 60
9.3.2 Geländemodell 61
9.3.3 Rauheit und Viskosität 61
9.3.4 Randbedingungen 62
9.3.5 Kalibrierung und Validierung 64
9.4 Numerische Modelle ausgewählter potenzieller Flutpolder 65
9.4.1 Nünchritz (nahe Riesa) 65
9.4.2 Aussig (nahe Mühlberg) 66
9.4.3 Dautzschen (nahe Torgau) 67
9.4.4 Axien (nahe Pretzsch) 68
9.4.5 Lödderitz (nahe Aken) 69
9.4.6 Burg (nahe Parchau) 70
10 Kopplung der hydrologischen und hydrodynamisch-numerischen Modelle LISFLOOD, WAVOS und SMS 73
Peter Burek, Dirk Carstensen, Thomas Kopp, Silke Rademacher, Carsten Schmidt, Robert Schwarze, Michael Wagner 73
10.1 Fragestellung 73
10.2 Kopplung LISFLOOD-WAVOS 74
10.2.1 Methodik 74
10.2.2 Ergebnisse 75
10.3 Kopplung WAVOS-SMS 76
10.3.1 Methodik 76
10.3.2 Ergebnisse 76
11 Bewertung der Hochwasser-Auftretenswahrscheinlichkeit mittels statistischer Verfahren 83
Carsten Schmidt, Robert Schwarze, Michael Wagner 83
11.1 Fragestellung 83
11.2 Überblick zu Methoden und Datengrundlagen 84
11.3 Monokriterielle statistische Verfahren 89
11.3.1 Ex-Post-Bewertung beobachteter Hochwasser im Längsschnitt 89
11.3.2 Schwellenwertstatistik zur Auswahl der größten Hochwasserereignisse 90
11.3.3 Ex-Post-Bewertung simulierter Hochwasser im Längsschnitt 92
11.3.4 Statistische Bewertung von Retentionsmaßnahmen im Längsschnitt 94
11.4 Multikriterielles Verfahren der gekoppelten Niederschlag-Abfluss-Statistik 96
11.4.1 Bereitstellung verschiedener Niederschlags-Eingangsdaten 96
11.4.2 Analyse am Beispiel eines Hochwasserentstehungsgebietes der Elbe 97
11.4.3 Nutzungsmöglichkeiten 99
Teil III: Geländemodell – Überschwemmungsgebiete – Retentionspotenziale 105
Hans-Burkhard Horlacher, Gotthard Meinel, Nguyen Xuan Thinh 105
12 Aufgabe des Teilthemas 107
Dirk Carstensen, Hans-Burkhard Horlacher 107
13 Simulationsfähiges digitales Geländemodell für das Überschwemmungsgebiet des deutschen Elbelaufs 109
Tobias Krüger, Gotthard Meinel 109
13.1 Fragestellung 109
13.2 Abgestuftes digitales Geländemodell (DGM) vom Deichvorland bis zum Überschwemmungsgebiet 109
13.2.1 Aufnahmeverfahren zur Digitalen Geländemodellierung 109
13.2.2 DGM im Verbundvorhaben VERIS-Elbe 112
13.2.3 Festlegung des Untersuchungsgebietes 114
13.3 Simulation von Deichverlegungen 117
13.3.1 Digitales Deichmodell 117
13.3.2 Deichdetektion 118
13.3.3 Deichextraktion 119
13.3.4 Deichintegration 120
13.3.5 Genauigkeitsbetrachtung 122
13.4 Überschwemmungsflächen 123
13.4.1 Wassertiefenmodellierung im Flussschlauch 123
13.4.2 Wasserstandsmodellierung im potenziellen Überflutungsgebiet 126
14 Multikriterielle Bewertung der Retentionspotenziale der deutschen Elbaue 129
Rico Vogel, Nguyen Xuan Thinh 129
14.1 Fragestellung 129
14.2 Überblick über die Methodik 130
14.3 Indikatorgestützte Ermittlung von Raumwiderständen 131
14.3.1 Wirkungsanalyse zur Entwicklung eines Indikatorensystems 131
14.3.2 Geodatenprozessierung zur Erstellung von Basis-und Indikatordatensätzen135
14.3.3 Ermittlung von Indikatorgewichten 139
14.3.4 Ermittlung von Raumwiderständen 140
14.4 Vergleich potenzieller Retentionsflächen 142
15 Grobkonzeption von Flutpoldern 151
Dirk Carstensen, Thomas Kopp 151
15.1 Ziele 151
15.2 Allgemeine Festlegungen 151
15.2.1 Wahl des Bemessungsereignisses 151
15.2.2 Einlaufbauwerke 154
15.2.3 Deiche 156
15.2.4 Auslaufbauwerke 160
15.2.5 Geländemodellierungen 161
15.2.6 Binnenentwässerung 161
15.2.7 Grobkostenschätzung 162
15.3 Wasserbauliche Grobkonzeptionen 164
15.3.1 Nünchritz 164
15.3.2 Aussig 166
15.3.3 Dautzschen 168
15.3.4 Axien 170
15.3.5 Lödderitz 172
15.3.6 Burg 174
Teil IV: Hochwasserschäden an Gebäuden, Anlagen und Infrastruktur 177
Thomas Naumann, Clemens Deilmann 177
16 Übersicht über das Teilthema 179
Thomas Naumann, Clemens Deilmann 179
17 Typologie von Bauobjekten und Hochwasserschäden für das Untersuchungsgebiet183
Thomas Naumann, Johannes Nikolowski, Sebastian Golz 183
17.1 Fragestellung 183
17.2 Gebäudetypologie und Schadensprognose 185
17.2.1 Baukonstruktiv begründete Abgrenzung von Gebäudetypen 185
17.2.2 Hochwasserbedingte Schadensbilder an Gebäuden 190
17.3 Synthetische Wasserstand-Schaden-Beziehungen (Schadensfunktionen) 193
17.3.1 Methodische Entwicklung synthetischer Schadensfunktionen 193
17.3.2 Gebäudetypenspezifische Untersuchungsergebnisse 198
18 Raumstrukturelle Gliederungen und ökonomische Grundlagen zur Schadenswertabschätzung 209
Karin Gruhler, Jörg Hennersdorf, Walter Pflügner 209
18.1 Fragestellung 209
18.2 Raumstrukturelle Gliederungen 209
18.2.1 Methodische Grundlagen – Typenbildung und raumstrukturelle Gliederungsansätze 210
18.2.2 Vorgehensweise im Rahmen der raumstrukturellen Gliederung des definierten Untersuchungsgebietes 213
18.2.3 Ergebnisse der raumstrukturellen Gliederung des Untersuchungsgebietes 219
18.3 Ökonomische Grundlagen und Beiträge zur Abschätzung von Hochwasserschäden 229
18.3.1 Ökonomische Grundlagen der Abschätzung von Hochwasserschäden und Praxisdefizite 229
18.3.2 Entwicklungen im Verbundvorhaben VERIS-Elbe, Erfahrungen und Ergebnisse232
19 Raum-zeitlich hochauflösende Simulation von Hochwasserschäden mit HOWAD 241
Marco Neubert 241
19.1 Fragestellung 241
19.2 Modellgrundlagen und Datenaufbereitung 241
19.3 Berechnung der Schäden für einzelne Nutzungskategorien 243
19.3.1 Schäden an Wohngebäuden 243
19.3.2 Schäden an Gewerbegebäuden, Sport-und Freizeitgebäuden sowie öffentlichen Gebäuden 244
19.3.3 Schäden an weiteren Landnutzungsflächen 245
19.4 Ergebnisse und Unsicherheiten 245
19.4.1 HOWAD-Modell und Berechnungsergebnisse 245
19.4.2 Unsicherheiten und Evaluierung 247
19.4.3 Fazit 248
Teil V: Alternative Zukünfte für das Hochwasserrisikosystem der Elbe 251
Jochen Schanze 251
20 Übersicht über das Teilthema 253
Jochen Schanze 253
21 Abbildung des Hochwasserrisikosystems 255
Jochen Schanze, Jochen Luther 255
21.1 Fragestellung 255
21.2 Systemkonzept eines Hochwasserrisikosystems 256
21.2.1 Hintergrund und Forschungsstand zur systemisch-integrierten Beschreibung von Hochwasserrisiken 256
21.2.2 Beschreibung eines Hochwasserrisikosystems 258
21.2.3 Beschreibung der Kategorien des SPRC-Konzeptes 261
21.3 Veränderungspotenziale und Steuerbarkeit des Hochwasserrisikosystems der Elbe 264
21.3.1 Identifizierung von veränderlichen bzw. steuerbaren Faktoren(gruppen) 265
21.3.2 Veränderung von Faktoren(gruppen) 269
21.3.3 Steuerung von Faktoren(gruppen) 270
21.3.4 Berücksichtigung von Veränderung und Steuerung für das Elbeeinzugsgebiet270
22 Konzeption von Zukünften für das Hochwasserrisikosystem der Elbe 275
Jochen Luther, Jochen Schanze, Michael Wagner, Reinhard Schinke 275
22.1 Fragestellung 275
22.2 Konzeption der Szenarios als alternative Zukünfte 276
22.2.1 Grundlagen 276
22.2.2 Konzeption und Begriffe 277
22.2.3 Storylines für die regionalen Ausprägungen externer Entwicklungsrahmen 280
22.2.4 Leitprinzipien für die Zusammenstellung von Handlungsalternativen 287
22.2.5 Sonstige Annahmen für zufallsabhängige Randbedingungen 290
22.3 Projizierte Einflüsse des Klimawandels auf hochwasserrelevante Wetterereignisse 291
22.3.1 Die IPCC Szenarios 291
22.3.2 Downscaling-Methoden und Klimaszenarios im Verbundvorhaben VERIS-Elbe292
22.3.3 Entwicklung hochwasserrelevanter Wetterereignisse 293
22.4 Dynamik gesellschaftlicher Triebkräfte im Elbegebiet 296
22.4.1 Annahmen zur Entwicklung der Bevölkerung im Elbegebiet 296
22.4.2 Wirtschaftlich-technische Entwicklung 298
22.4.3 Landnutzungswandel in der deutschen Elbaue 301
22.5 Handlungsoptionen im Bereich Wasserbau und Wasserwirtschaft 303
22.6 Handlungsoptionen zur Verringerung der Vulnerabilität von Gebäuden 304
22.6.1 Grundsätzliches zur Bauvorsorge 304
22.6.2 Exemplarische Analyse von Elementen der nassen Bauvorsorge 307
22.6.3 Auswirkung der Bauvorsorge auf die Wasserstand-Schaden-Beziehung 310
22.6.4 Ergebnisse, Schlussfolgerungen und offene Fragen 313
22.7 Komposition von Zukünften 315
22.7.1 Zusammenstellung der Entwicklungsrahmen aus Wandelszenarios 315
22.7.2 Zusammenstellung der Handlungsalternativen aus Handlungsoptionen 315
22.7.3 Komposition verschiedener Typen alternativer Zukünfte 316
Teil VI: Analyse und Bewertung der Zukünfte 327
Jochen Schanze, Robert Schwarze, Hans-Burkhard Horlacher, Clemens Deilmann 327
23 Übersicht über das Teilthema 329
Jochen Schanze, Robert Schwarze, Hans-Burkhard Horlacher, Clemens Deilmann 329
24 Veränderungen des Hochwasserregimes durch die Zukünfte 331
Michael Wagner, Robert Schwarze, Carsten Schmidt, Thomas Kopp, Dirk Carstensen, Peter Burek 331
24.1 Fragestellung 331
24.2 Veränderung innerhalb des Szenariozeitraumes 331
24.3 Hochwasserlängsschnitte des Baselineszenarios 334
24.4 Flutpolder – eine der möglichen Handlungsoptionen 337
24.5 Kernaussagen 339
25 Veränderung der Hochwasserschäden und -risiken 343
Marco Neubert, Jochen Luther, Jochen Schanze 343
25.1 Fragestellung 343
25.2 Risiken für die Referenzszenarios 343
25.3 Risiken unter dem Einfluss des Klimawandels und des gesellschaftlichen Wandels 344
25.4 Risiken mit Wirkungen der strategischen Handlungsalternativen 345
25.4.1 Wirksamkeit der strategischen Handlungsalternativen 346
25.4.2 Robustheit ausgewählter strategischer Handlungsalternativen 346
25.5 Gegenüberstellung von Entwicklungsrahmen und Handlungsalternativen 348
25.6 Diskussion 348
26 Bewertung der Zukunft 351
Jochen Schanze, Jochen Luther 351
26.1 Effektivität der Handlungsalternativen 351
26.2 Robustheit der Handlungsalternativen 351
Teil VII: Verwertbarkeit der Ergebnisse 353
Jochen Schanze, Robert Schwarze, Hans-Burkhard Horlacher, Clemens Deilmann 353
27 Verfügbarkeit ausgewählter Ergebnisse in einem webbasierten Entscheidungsunterstützungswerkzeug 355
Melanie Petroschka, Jochen Schanze, Jochen Luther, Ulrich Walz, Rico Vogel 355
27.1 Zielstellung 355
27.2 Inhaltliche und funktionale Konzeption 355
27.3 Methodische und technische Umsetzung 356
27.4 Die interaktive Benutzeroberfläche 358
28 Rechtliche und planerische Umsetzungsinstrumente 365
Gerold Janssen, Stefan Greiving 365
28.1 Fragestellung 365
28.2 Spezifische Rechtsfragen bei Extremereignissen 365
28.2.1 Enteignungsgleicher Eingriff 366
28.2.2 Enteignender Eingriff 366
28.2.3 Enteignung 366
28.2.4 Inhalts- und Schrankenbestimmungen 367
28.2.5 Einfachgesetzlicher Billigkeitsausgleich 368
28.2.6 Bauleitplanungsschäden 369
28.2.7 Zulässige Restriktionen in Raumordnungsgebieten 370
28.2.8 Fazit 372
28.3 Einsatzmöglichkeiten von Zielvereinbarungen 372
28.3.1 Zielvereinbarungen als Modell einer Output-orientierten Steuerung 372
28.3.2 Ergebnisse 375
28.3.3 Diskussion 375
29 Empfehlungen für Politik und Fachbehörden 379
Jochen Schanze, Robert Schwarze, Hans-Burkhard Horlacher, Clemens Deilmann 379
29.1 Handlungsfeld Wasserwirtschaft 380
29.2 Handlungsfeld Siedlungs-und Regionalentwicklung 381
29.3 Weiterte Aufgaben für mittel-bis langfristige Risikovorsorge 381
30 Interpretation der Gesamtergebnisse 383
Jochen Schanze, Robert Schwarze, Hans-Burkhard Horlacher, Clemens Deilmann 383
30.1 Einordnung der Ergebnisse 383
30.2 Beantwortung der Forschungsfragen 384
30.3 Forschungsbedarf 385
Anhang 387
Abbildungsverzeichnis 389
Tabellenverzeichnis 393
Abkürzungsverzeichnis 395
Glossar 403