Vermeidung von Hochwasserschäden durch aktive und passive Hochwasserschutzmaßnahmen

Magisterarbeit von Wojciech Sowa

Einleitung:

Hochwasserereignisse gehören zu den häufigsten und teuersten Naturkatastrophen. Große Überschwemmungen haben allein in den Neunzigerjahren des zwanzigsten Jahrhunderts volkswirtschaftliche Schäden von über 200 Mrd. US$ verursacht. Die Hochwasserereignisse des Jahres 2002 forderten neben ungeheurem menschlichem Leid, Schäden von über 20 Mrd. Euro in ganz Europa. Nur 3,4 Mrd. Euro davon waren versichert. Neben Stürmen sind Überschwemmungen die häufigste Ursache für Schäden aus Naturereignissen. Weltweit sind rund ein Drittel aller Schadensereignisse und ein Drittel der volkswirtschaftlichen Schäden auf die Folgen von Hochwasser zurückzuführen. In den Fünfzigerjahren des vergangenen Jahrhunderts gab es nur sechs große Überschwemmungskatastrophen. In den Neunzigerjahren waren es schon 26.

Oft werden wir mit Berichten und TV-Bildern von Hochwasserereignissen aus aller Welt konfrontiert. Sie erinnern uns daran, dass wir Naturereignisse nicht kontrollieren können. Durch die Klimaänderung und menschliches Handeln kommt es immer öfter zu Hochwasserereignissen, und diese werden auch immer katastrophaler.

Es heißt ‘Nach der Flut ist vor der Flut.’ Es ist eigentlich nur eine Frage der Zeit, wann das nächste Hochwasser kommt. Deshalb müssen wir auf das nächste Hochwasserereignis vorbereitet sein.

Vor allem kurz nach großen Hochwasserkatastrophen, wie beispielsweise das Augusthochwasser 2002 wird der Ruf nach Verbesserung und Ausbau bestehender, bzw. Errichtung neuer Hochwasserschutzanlagen laut. Zu den besonders kritischen Bereichen, die geschützt werden sollen, zählen die dicht besiedelten und genutzten Uferzonen in Innenstädten oder Industriegebieten. Hier kommt es zu einer Akkumulation von wertvollen Gütern und Werten. Stationäre Hochwasserschutzsysteme wie Deiche oder Mauern benötigen jedoch viel Raum. Zusätzlich kollidieren sie mit anderen Interessen wie Tourismus, Landschaftsbild und Ästhetik während der meist hochwasserfreien Zeit. Die mobilen Hochwasserschutzsysteme bieten eine Lösung dieses Dilemmas an.

In dieser Arbeit werden die bekannten mobilen Hochwasserschutzsysteme näher untersucht und beschrieben. Ein besonderes Augenmerk wird den Systemen des planmäßigen mobilen Hochwasserschutzes gewidmet.

Inhaltsverzeichnis:

1.	EINLEITUNG UND PROBLEMSTELLUNG	1
2.	DAS PHÄNOMEN HOCHWASSER	3
2.1	Hochwasser - ein Naturereignis	3
2.2	Der Mensch und das Hochwasser	4
2.3	Hochwasser - Definitionen	6
2.4	Hochwasser - Qualifikation	7
2.5	Hochwasser - Kenngrößen und Einwirkungsparameter	8
2.6	Arten von Hochwasserereignissen	10
2.6.1	Sturzfluten	10
2.6.2	Lokale Überschwemmungen aus Starkniederschlägen	10
2.6.3	Flussüberschwemmungen nach flächenhaften Starkregen	10
2.6.4	Flussüberschwemmungen nach Dauerregen	11
2.6.5	Taufluten	11
2.6.6	Sonstige Hochwasserarten	12
3.	HOCHWASSER - URSACHEN UND EINFLUSSFAKTOREN	13
3.1	Natürliche Einflussfaktoren	13
3.1.1	Die Niederschläge	14
3.1.2	Das Einzugsgebiet	16
3.1.3	Sonstige Wetter- und Klimaverhältnisse	17
3.1.4	Die Wasserspeichermedien	19
3.1.4.1	Bewuchs	19
3.1.4.2	Bodenbeschaffenheit	21
3.1.4.3	Geländeform	23
3.1.4.4	Gewässernetz	24
3.2	Anthropogene Einflussfaktoren	25
3.2.1	Landnutzung und Bodenbewirtschaftung	26
3.2.2	Versiegelung und Bebauung	28
3.2.3	Gewässerausbau	31
3.2.4	Verlust von natürlichen Retentionsflächen / Wellenüberlagerung	33
3.2.5	Klimaänderungen	33
3.2.5.1	Treibhauseffekt	34
3.2.5.2	Mögliche Änderungen der Wasserhaushaltskomponenten	35
3.2.5.3	Mögliche Folgen von Klimaänderungen für die Hochwasserentstehung	37
4.	HOCHWASSERSCHÄDEN	38
4.1	Hochwasser - Gefahrenarten	38
4.1.1	Statische Überschwemmung	38
4.1.2	Dynamische Überschwemmung	39
4.1.3	Ufererosion	40
4.1.4	Grundwasseranstieg	41
4.1.5	Murgang	41
4.2	Schadenpotenzial	43
4.2.1	Schadenpotenzial - Definition	44
4.2.2	Gefahrenbewusstsein	44
4.2.2.1	Gefahrenkarten	45
4.2.2.2	Gefahrenzonenpläne	45
4.2.2.3	Raumplanung	47
4.3	Gründe für die Zunahme der Hochwasserschäden	49
5.	HOCHWASSERSCHUTZ - ALLGEMEIN	51
5.1	Schutzziele	51
5.2	Passiver HWS und Verbesserung des natürlichen Retentionsvermögens	52
5.2.1	Rückverlegung von Deichen und Renaturierung der Gewässer	54
5.2.2	Wasserrückhalt auf der Fläche	55
5.2.2.1	Maßnahmen im Freiraum zum dezentralen Wasserrückhalt	55
5.2.2.2	Maßnahmen im Siedlungsbereich zum dezentralen Wasserrückhalt	56
5.3	Technischer Hochwasserschutz	58
5.3.1	Hochwasserschutz durch Deiche und Schutzdämme	59
5.3.2	Hochwasserschutz durch Mauern	62
5.3.3	Hochwasserschutz durch Polder	63
5.3.4	Hochwasserrückhaltebecken und Talsperren	65
5.3.5	Mobiler Hochwasserschutz	66
5.3.6	Schutz vor Kanalisationswasser	67
5.4	Schutzstrategien bei Gebäuden - Objektschutz	70
5.5	Weitergehende Hochwasservorsorge	76
5.51	Verhaltenvorsorge	76
5.6	Maßnahmenwirkung in hochwassergefährdeten Gebieten	76
6.	HOCHWASSERSCHUTZ - VERWENDETE MATERIALIEN	79
6.1	Beton	79
6.1.1	Eigenschaften	79
6.1.2	Einsatzbereiche im Hochwasserschutz	79
6.2	Bitumen	80
6.2.1	Eigenschaften	80
6.2.2	Einsatzbereiche im Hochwasserschutz	80
6.3	Aluminium	80
6.3.1	Eigenschaften	80
6.3.2	Einsatzbereiche im Hochwasserschutz	81
6.4	Stahl	81
6.4.1	Eigenschaften	81
6.4.2	Einsatzbereiche im Hochwasserschutz	82
6.5	Kunststoffe	82
6.5.1	Eigenschaften	82
6.5.2	Einsatzbereiche im Hochwasserschutz	83
6.6	Glas	83
6.6.1	Eigenschaften	83
6.6.2	Einsatzbereiche im Hochwasserschutz	84
6.7	Holz	84
6.7.1	Eigenschaften	84
6.7.2	Einsatzbereiche im Hochwasserschutz	85
7.	MOBILER HOCHWASSERSCHUTZ	86
7.1	Definitionen / Einteilung	86
7.2	Planmäßige HWS-Systeme	86
7.2.1	Einsatzbereiche	88
7.2.2	Auslegung	90
7.2.2.1	Freibord und Überströmbarkeit	90
7.2.2.2	Konstruktionshöhe	91
7.2.2.3	Bereitstellungszeit	92
7.2.2.4	Konstruktion und Anordnung	93
7.3	Ortsungebundene HWS-Systeme	94
7.3.1	Einsatzrandbedingungen	95
7.3.2	Systemübersicht	97
7.3.2.1	Sandsäcke und Tandemsandsäcke	97
7.3.2.2	Einfache Tafelsysteme und Betonkörper	101
7.3.2.3	Stellwandsysteme	101
7.3.2.4	Offene Behältersysteme	103
7.3.2.5	Geschlossene Behältersysteme	105
7.3.2.6	Die unplanmäßigen mobilen Hochwasserschutzsysteme - zusammenfassende Systemtypenübersicht	108
7.3.3	Logistik	109
7.3.4	Risiko	110
8.	PLANMÄSSIGER MOBILER HWS - SYSTEMÜBERSICHT	111
8.1	Dammbalken / Dammtafelsysteme	111
8.2	Torsysteme	117
8.3	Klappbare Systeme	118
8.4	Aufschwimmbare Systeme	119
8.5	Aufschwimmbare, klappbare Systeme	121
8.6	Schlauchwehrsysteme	122
8.7	Glaswandsysteme	124
8.8	Kosten	127
8.9	Planmäßiger mobiler Hochwasserschutz - zusammenfassende Darstellung	128
9.	ZUSAMMENFASSUNG	130
10.	LITERATURVERZEICHNIS	132

Textprobe:

Kapitel 6, HOCHWASSERSCHUTZ - Verwendete Materialien:

Für ortsfeste Hochwasserschutzmassnahmen werden hauptsächlich Beton, Bitumen, Asphalt, Kunststoff, Natursteinmauerwerk, Aluminium und Stahl verwendet. Bei beweglichen und mobilen Hochwasserschutzkonstruktionen kommen hauptsächlich Aluminium, Stahl, Holz, Kunststoffe und Kunststofffolien zum Einsatz.

Beton:

Eigenschaften:

Beton ist ein ‘steinähnliches Baumaterial aus Zement, Sand und Wasser’. Beton wird auch als ‘ein künstlicher Stein, der aus einem Gemisch aus Zement, Betonzuschlag und Wasser (…) durch Erhärten des Zementleimes (Zement-Wasser-Gemisch) entsteht’ definiert.

Beton ist ein Zwei-Stoff-System, das in der Regel aus dichten und dauerhaften Zuschlägen wie Sand und Kies, sowie dem erhärteten Zementleim besteht. Es ist ein beständiger und fester Baustoff der große Gestaltungsspielräume bietet. Für den Hochwasserschutz von besonderer Wichtigkeit ist die Wasserundurchlässigkeit von Beton. Bei sachgerechter Planung, Betonzusammensetzung, Ausführung und Nachbehandlung kann Beton nicht wasserdicht aber wasserundurchlässig gemacht werden.

Einsatzbereiche im Hochwasserschutz:

Aus Beton werden unter anderem Hochwasserschutzwände, Fundamente, Bodenkammern und Ablagekammern der ortsfesten, mobilen Hochwasserschutzanlagen ausgeführt.

Bitumen:

Eigenschaften:

Bitumen ist ein ‘dem Teer ähnliches Dichtungsmaterial, das aus Erdöl gewonnen wird’. Es sind ‘bei der Aufarbeitung geeigneter Erdöle gewonnene schwerflüchtige, dunkelfarbige Gemische verschiedenerorganischer Substanzen, deren elasto-viskoses Verhalten sich mit der Temperatur ändert’.

Bitumen ist ein Thermoplast. Bei Raumtemperatur ist er halbfest bis extrem spröde und hart. Mit steigender Temperatur wird Bitumen verformbar, dann zähflüssig und bei ca. 180 °C dünnflüssig. Bei Abkühlung haften Bitumen an den Werkstoffen, die sie in dünnflüssigem Zustand benetzt haben. Die Diffusionszahl von macht das Bitumen praktisch wasserdicht. Bitumen ist auch widerstandsfähig gegenüber Einwirkungen organischer und anorganischer Salze, sowie schwacher Säuren.

Einsatzbereiche im Hochwasserschutz:

Bitumen wird im Hochwasserschutz als Dichtstoff verwendet. Beispielsweise können Gebäude, vor allem Keller, oder Teile der Hochwasserschutzkonstruktion, die in der Erde verankert sind, mit Bitumen wasserdicht gemacht werden.

Aluminium:

Eigenschaften:

Aluminium (Al) gehört zu den Leichtmetallen. Das spezifische Gewicht von Aluminium beträgt 2,7 g/cm³. Aluminium wird selten in reiner Form verwendet. Öfter zum Einsatz kommt Aluminium in Form von Legierungen.

Aluminium ist das häufigste Metall überhaupt. Die Aluminiumverbindungen kommen sehr oft in der Erdrinde vor. Die Gewinnung von Aluminium ist jedoch sehr aufwendig und dadurch auch teuer. Aluminium wird elektrochemisch hergestellt. Um eine Tonne Aluminium herzustellen werden 15.000 kWh Strom, 600 kg Kohle, als Elektroden, und 4.000 kg Bauxit, ein Mineral das Aluminiumoxid enthält, benötigt.

Aluminium hat eine vergleichsweise hohe Festigkeit und einen guten Korrosionswiderstand an der Atmosphäre. Der Korrosionswiderstand gegenüber den atmosphärischen Belastungen wird durch die Oxidschicht verursacht. Diese bildet sich sofort an der Oberfläche von Aluminium und regeneriert sich auch sehr schnell nach einer Beschädigung. Durch anodische Oxidation kann diese Oxidschicht künstlich verbessert werden. Elektrisch oxidiertes Aluminium wird auch als Eloxal bezeichnet.Für pH – Werte zwischen 4 und 9 ist die Eloxalschicht ausreichend beständig.

Einsatzbereiche im Hochwasserschutz:

Aufgrund des Gewichtvorteils gegenüber beispielsweise Stahl, wird Aluminium vor allem im mobilen Hochwasserschutz verwendet. Aus Aluminium, oder besser gesagt aus Aluminiumlegierungen werden Dammbalken, Dammtafeln, Absperrtafeln und Stützen, sowie andere Teile der mobilen Systeme hergestellt.

Stahl:

Eigenschaften:

Stahl ist ‘aus Eisenerz gewonnenes, hartes, hochveredeltes Metall von hoher Festigkeit’. ‘Als Stahl werden Werkstoffe bezeichnet, deren Massenanteil an Eisen größer ist als der jedes anderen Elements und i. Allg. weniger als 2 Massen-% Kohlenstoff enthält.’ ‘Stähle sind […] widerstandsfähige metallische Werkstoffe, die vorwiegend aus Eisen bestehen. Stähle sind hart, geschmeidig, zugfest und zäh’. Das Eigengewicht von Stahl beträgt 7,85 g/cm³, d.h. ca. das Dreifache des spezifischen Gewichts von Aluminium.

In Form seiner Verbindungen ist Eisen das zweithäufigste Metall in der Erdkruste. Durch die Verarbeitung im Hochofen wird aus Eisenerz Gusseisen erzeugt. Durch weitere Verarbeitung wird der Kohlenstoffgehalt auf unter 2 % reduziert. Es gibt tausende von Stahlsorten. Jede von Ihnen ist durch die chemische Zusammensetzung und besondere Eigenschaften wie Härte, Zähigkeit, Elastizität und Korrosionsbeständigkeit charakterisiert. Die Eigenschaften können durch den Zusatz von Legierungsmetallen geändert werden. Beispielsweise erhöht Chrom die Härte und Nickel die Zähigkeit.

Im Bauwesen werden neben den allgemeinen, unlegierten Baustählen, die wetterfesten, die Feinkornbaustähle, die korrosionsbeständige Stähle, Betonstähle und Spannstähle verwendet. Die wetterfesten Stähle haben einen 0,3-0,5 % Legierungsgehalt von Kupfer. Kupfer verursacht die Bildung einer Deckschicht, die die Korrosion verlangsamt oder ganz verhindert. Feinkornbaustähle sind vollberuhigte Stähle mit hoher Homogenität, Streckgrenze und Zugfestigkeit. Die korrosionsbeständigen Stähle haben einen mindestens 12 % Legierungsanteil von Chrom. Dadurch wird eine passive Oberflächenschicht gebildet, die sich bei Verletzungen erneuert. Betonstähle sind unlegierte Stähle mit sehr guten Schweißeigenschaften. Spannstähle haben eine höhere Festigkeit als die Betonstähle.

Die Korrosionsbeständigkeit des Stahls kann zusätzlich durch Überstreichen mit Rostschutzfarben oder Verzinken gewährleistet werden. Beim Verzinken wird auf die Stahlelemente eine dünne Zinkschicht aufgetragen.

Einsatzbereiche im Hochwasserschutz:

Aufgrund des hohen Eigengewichtes wird Stahl im Hochwasserschutz nur dort eingesetzt, wo besondere Festigkeit der Konstruktion gefordert wird. Vor allem die stark beanspruchten Teile wie Scharniere der Schutztore, Verankerungen und die senkrechten Stützen der mobilen Hochwasserschutzwände werden aus Stahl produziert. Spundwände, die zur Befestigung der Hochwasserschutzdeiche bzw. selbst als Hochwasserschutzwände verwendet werden, bestehen aus Stahl.

Kunststoffe:

Eigenschaften:

Kunststoff wird als ‘makromolekularer Werkstoff für die Herstellung strapazierfähiger Gegenstände’ definiert. Es sind ‘makromolekulare Stoffe, die im Wesentlichen aus Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff bestehen. Die Vielfalt der Kunststoffe beruht auf der Tatsache, dass Kohlenstoffatome in unterschiedlichster Weise miteinander und mit anderen Elementen Verbindungen eingehen können.’ Chemisch gesehen, bestehen Kunststoffe aus organischen Riesenmolekülen. Kunststoffe lassen sich in drei Gruppen einteilen: Thermoplaste, Duroplaste und Elastomere. Durch Erhitzen werden Thermoplaste weich und verformbar. Sie behalten ihre neue Form nach dem Abkühlen bei. Sie sind bruchsicher. Das Erhitzen von Duroplasten führt zu keiner Formänderung. Bei starkem Erhitzen zersetzen sie sich jedoch. Duroplaste sind neben der Wärmebeständigkeit durch ihre Festigkeit und Nichtverformbarkeit gekennzeichnet. Sie sind jedoch weniger bruchsicher als die Thermoplaste. Elastomere sind gummielastisch. Sie lassen sich bei Kräfteeinwirkung leicht verformen. Sie nehmen jedoch anschließend ihre ursprüngliche Form wieder an. Elastomere haben eine große Dehnfähigkeit und hohe Bruchdehnung. Sie können somit Bewegungen und Dehnungen aufnehmen.