Kommt die nächste Sintflut?

Günter Blöschl für den Science-Blog

Hochwasser ist nicht Hochwasser

Überflutungen können die verschiedensten Ursachen haben. Küstenhochwässer werden zum Beispiel durch Erdbeben im Ozean ausgelöst, sogenannte Tsunamis wie 2004 in Indonesien und 2011 in Japan. Weniger bekannt ist, dass im Jahr 365 viele Städte am östlichen Mittelmeer und 1755 Lissabon in ähnlicher Weise verwüstet wurden. Aber auch Stürme können Wassermassen an die Küste treiben, wie bei der sogenannten Weihnachtsflut des Jahres 1717 an der Nordseeküste von Holland bis Dänemark und beim Wirbelsturm Sandy.

Abbildung 1. Hohe Bodenfeuchtigkeit trägt entscheidend zur Gefährlichkeit von Hochwasser bei.

Für Österreich sind Flusshochwässer freilich relevanter. Früher waren sie oft auf einen Eisstoß zurückzuführen, bei dem Eisschollen das heran strömende Wasser blockierten, wie an der Donau bei Wien im Februar 1830, aber heute lassen höhere Lufttemperaturen und Flusskraftwerke die Bildung großer Eisstöße nicht mehr zu. Flusshochwässer werden jetzt meist durch großräumigen Niederschlag ausgelöst, oft verbunden mit sogenannten Vb-Wetterlagen, bei denen feuchte Luft aus dem Mittelmeerraum herantransportiert wird. Das größte bekannte Hochwasser an der Donau trat im August 1501 auf, das fast um die Hälfte größer war als das Hochwasser im August 2002. Entscheidend für solche Hochwässer ist nicht nur die Niederschlagsmenge, sondern auch der Feuchtezustand der Böden im Gebiet. Er bestimmt den Anteil des Niederschlags, der nicht versickern kann und deshalb zum Hochwasser beiträgt. Dieser Anteil kann zwischen 10% und 60% liegen und damit entscheiden, ob ein Hochwasser wirklich gefährlich wird oder nicht (Abbildung 1). Die große Bodenfeuchte war einer der Gründe, warum das Hochwasser 2002 so extrem ausfiel [1]. Eine Schneedecke im Gebiet kann die Bodenfeuchte zusätzlich erhöhen. Niederschläge, die an sich nicht außergewöhnlich sind, können dann zu großen Hochwässern führen, wie im März 2006 an der March.

Eine dritte Gruppe von Hochwässern sind Sturzfluten, die durch kurze, kleinräumige, aber sehr intensive Niederschläge entstehen. Im Gebirge führt dies oft zu Hangrutschungen und Muren wie im Juli 2012 in St. Lorenzen im Paltental (Bezirk Liezen). Die größte bekannte Sturzflut in Österreich trat im Juli 1913 in der Nähe von Graz auf. Dabei fielen innerhalb weniger Stunden mehr als 600 mm Niederschlag, eine Menge, die sonst nur aus den Tropen bekannt ist. Aber auch in der Stadt können Sturzfluten gefährlich sein, besonders wegen der hohen Fließgeschwindigkeiten auf den asphaltierten Flächen, wie im Mai 2010 in der Wiener Lerchenfelderstraße.

Werden Hochwässer größer?

Nun, diese Frage wird in der Wissenschaft differenzierter gesehen, als sie manchmal in den Medien dargestellt wird. Ansatzpunkt für die Beantwortung dieser Frage sind die Hochwasser auslösenden Prozesse.

Vorerst zu den Küstenhochwässern. Die Entstehung von Wirbelstürmen hängt mit der Temperatur der Meeresoberfläche zusammen. Eine globale Erwärmung könnte deswegen zu häufigeren und größeren Wirbelstürmen führen. Außerdem wurde in den letzten Jahrzehnten ein Anstieg des Meereswasserspiegels von durchschnittlich 3 mm pro Jahr gemessen, der räumlich stark variiert, und auf die Wärmeausdehnung des Ozeans und das Abschmelzen der Gletscher zurückzuführen ist. Bei einem höheren Meeresspiegel werden die Überflutungen häufiger, besonders wenn die Küste flach ist, wie etwa in Bangladesch. Ein in der Öffentlichkeit wenig beachteter Umstand kann allerdings bedeutender sein. Wird an der Küste Grundwasser entnommen, etwa für die Trinkwasserversorgung, kommt es bei bestimmten Untergrundverhältnissen zu Landsenkungen, z.B. 1 bis 15 cm pro Jahr in Jakarta [2]. Das erhöht das Überflutungsrisiko viel mehr. Man sieht, dass mit dem Wasserkreislauf vorsichtig umgegangen werden muss, sonst gibt es unbeabsichtigte Nebeneffekte.

Abbildung 2. Große und kleine Hochwässer der Donau bei Wien seit 1828.

Bei Flusshochwässern gibt es im Wesentlichen drei potenziell verstärkende Faktoren. Der erste Faktor sind wasserbauliche Maßnahmen wie Flussbegradigungen zum rascheren Abführen der Wassermassen und Hochwasserdämme zum Schutz der Bevölkerung. Am Ort der Maßnahme reduzieren sie zwar Hochwässer (dafür werden sie ja gebaut), an der darunterliegenden Flussstrecke können sie aber Hochwässer erhöhen, da weniger Wasser am Ort der Maßnahme zurückgehalten wird. Bei Planung von Maßnahmen wird daher heute die gesamte Flussstrecke betrachtet. Insbesondere versucht man seitlich des Flusses Platz für das Wasser zu schaffen, wodurch die Hochwässer am ganzen Flusslauf reduziert werden. Bei extrem großen Hochwässern, bei denen die Schutzdämme überströmt werden, lässt aber der Einfluss wasserbaulicher Maßnahmen auf den Hochwasserablauf nach. Das sieht man in der nebenstehenden Abbildung 2, in der für jedes Jahr seit 1828 die Hochwässer an der Donau bei Wien dargestellt sind. Die kleinen Hochwässer sind wegen der wasserbaulichen Maßnahmen deutlich angestiegen, bei den großen Hochwässern sieht man kaum eine Veränderung. Zum Glück kann man diesen Effekt sehr gut mit den im Bauingenieurwesen üblichen hydraulischen Modellen berechnen und damit Dammhöhen für zukünftige Maßnahmen festlegen.

Der zweite Faktor ist die Landnutz

Abbildung 3. Hochwasser im Paznauntal, August 2005

ung im Gebiet. Im ländlichen Bereich kann die Bodenbearbeitung der Felder mit schweren Maschinen den Boden kompakter machen und dadurch den Oberflächenabfluss erhöhen. Dieser Effekt ist auf kleinen Flächen klar nachweisbar, für ganze Flussgebiete wegen der räumlichen Variabilität hingegen nicht, und wird derzeit in Forschungsprojekten der Hydrologie untersucht. Auch die Frage der Auswirkung des Waldes ist interessant. Er wirkt bei kleinen Ereignissen durch das Speichervermögen reduzierend auf den Hochwasserabfluss, bei großen Ereignissen hingegen kaum, wie für das Hochwasser in Paznaun im August 2005 (Abbildung 3) gezeigt wurde [3]. Schipisten oder Siedlungsflächen können lokal Hochwässer erhöhen, für ganze Flussgebiete ist der Einfluss wegen der geringen Flächenanteile aber meist sehr klein. Allerdings kann die Landnutzung indirekt Effekte bewirken. Schlägerung des Waldes kann zu verstärktem Bodenabtrag und damit einer Erhöhung des Oberflächenabflusses führen, was in den Tropenregionen dramatisch ist. In Österreich ist das nur ein lokales Problem, da insgesamt der Waldanteil in den letzten Jahren zugenommen hat.

Der dritte Faktor ist das Klima. Da gibt es ein frappierendes Phänomen, das weltweit zu beobachten ist und vermutlich mit der Kopplung von Ozean und Atmosphäre zusammenhängt: es gibt hochwasserarme und hochwasserreiche Perioden. So sieht man bei den Hochwässern der Donau (Abbildung 2) eine Häufung großer Hochwässer am Ende des 19. Jahrhunderts, aber keine großen Hochwässer in der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts. In kleineren Gebieten können die Hochwässer noch viel unregelmäßiger auftreten, so war im Kampgebiet das Hochwasser 2002 mehr als dreimal so groß wie das größte in den hundert Jahren zuvor. Natürliche Variabilität und durch Klimawandel beeinflusste Änderungen sind dadurch schwierig zu trennen. Aber der Zeitpunkt des Auftretens der Hochwässer innerhalb des Jahres kann gute Anhaltspunkte für diese Differenzierung geben (Abbildung 4). In Gebieten, in denen Hochwässer im Winter auftreten (z.B. im Innviertel und im Mühlviertel), führen höhere Lufttemperaturen zu mehr flüssigem Niederschlag und weniger Schneefall und damit zu einer Verschärfung der Hochwassersituation [4]. In Gebieten, in denen Hochwässer im Sommer auftreten, tritt dieser Effekt nicht auf.

Abbildung 4. Mittlerer Zeitpunkt des Auftretens von Hochwässern im Jahr

Ob Sturzfluten größer werden hängt vor allem damit zusammen, ob Starkniederschläge größer werden, da die Bodenbeschaffenheit weniger wichtig ist. Die generelle Überlegung dazu basiert darauf, dass nach der Beziehung von Clausius-Clapeyron das Wasserspeichervermögen der Atmosphäre um 7% pro Grad Temperaturerhöhung ansteigt. Bei sonst gleichen Verhältnissen würde dies einer ebenso großen Zunahme der Starkniederschläge entsprechen, und einer noch größeren Zunahme der Hochwässer, da die Wasseraufnahme des Bodens gleich bleibt. Messungen belegen diesen Zusammenhang zwischen Niederschlag und Lufttemperatur. Die Schwankungen innerhalb eines Jahres sind aber viel größer als die Schwankungen zwischen den Jahren. Deswegen ist die Interpretation des Klimawandels in diesem Zusammenhang schwierig. Es ist also ein Effekt, der zwar plausibel ist, insgesamt aber aus den verfügbaren Daten noch nicht schlüssig abzulesen ist.

Die Frage ob Hochwasser größer werden oder nicht, ist also nicht in einem Satz zu beantworten. Es gibt Situationen wo das klar der Fall ist (z.B. bei Küstenhochwässern durch Landsenkungen), andere Situationen wo das nicht der Fall ist (z.B. bei Flusshochwässern an der Donau durch Abholzung), und wieder Situationen, wo das noch nicht abschließend geklärt ist (z.B. bei Sturzfluten durch Starkniederschläge). Jedenfalls gibt es jetzt mehr Sachwerte, die durch Hochwässer betroffen sein können, als früher.

Wie können wir uns vor Hochwässern schützen?

Hochwasserschutz wird seit Jahrtausenden betrieben, besonders an den Flüssen, da dort der Siedlungsraum wegen der Nähe zur Wasserstraße immer schon attraktiv war. Entsprechend der zunehmenden technischen Möglichkeiten kam es im 19. Jahrhundert zu großen wasserbaulichen Projekten gegen Flusshochwässer, wie etwa die Donauregulierung bei Wien in den Jahren 1870-1875. Zweifelsfrei war dieses Konzept sehr wirksam, da das Hochwasser 1899 in Wien kaum Schaden anrichtete. Ebenso kam es zu Verbauungstätigkeiten an den Oberläufen von Wildbächen gegen Sturzfluten und zu vermehrten Maßnahmen gegen Küstenhochwässer.

Abbildung 5. Maßnahmen  zum Hochwasserschutz - Vorsorge und Bewältigung

Besonders für die Flusshochwässer hat allerdings in den letzten Jahren ein gewisses Umdenken stattgefunden, nachdem jetzt nicht mehr ausschließlich Einzelmaßnahmen, sondern eine Fülle verschiedener Maßnahmen im Gesamtsystem gesetzt werden. Das wird als Integriertes Hochwasserrisikomanagement bezeichnet, und beruht auf einem Konzept des Kreislaufes von Vorsorge und Bewältigung (Abbildung 5). So werden bei der Raumplanung Hochwasserrisikoflächen (www.hochwasserrisiko.at) als Bauland vermieden („Flächenvorsorge“). Entsprechende Informationsmaßnahmen zur Bewusstseinsbildung der Bevölkerung fördern die Eigenvorsorge (z.B. Versicherungen). In den meisten Fällen ist der technische (wasserbauliche) Hochwasserschutz wegen seiner hohen Wirksamkeit nach wie vor das Rückgrat der Maßnahmen. Wie wichtig funktionsfähige Dämme sind, zeigte etwa das Marchhochwasser 2006. Daneben wird versucht möglichst viel Wasser im Gebiet zurückzuhalten. Die Hochwasserfrühwarnung zur rechtzeitigen Planung der Katastrophenabwehr (u.a. durch die Feuerwehr) gewinnt zunehmend an Bedeutung. Maßnahmen zur Bewältigung des Hochwassers sind u.a. Evakuierung, Soforthilfe und der Wiederaufbau beschädigter Gebäude. Dieses Konzept gilt auch für Österreich und wird in Plänen für das Hochwasserrisikomanagement implementiert.

Die Betonung des Gesamtsystems beim Umgang mit Hochwässern entspricht auch generell der Tendenz im Bauingenieurwesen, den Blick nicht mehr ausschließlich auf das einzelne Bauwerk zu richten, sondern ein Gesamtsystem im Kontext von Gesellschaft, Wirtschaft und Umwelt zu betrachten, in das die Baumaßnahmen integriert sind. Dafür ist aber verbessertes Know-How erforderlich.

Im Hydrological Open Air Laboratory bei Wieselburg (www.waterresources.at) werden die hochwasserauslösenden Prozesse im Detail erforscht, und in einem vom European Research Council (ERC) geförderten Projekt werden Veränderungen der Hochwässer in ganz Europa untersucht (erc.hydro.tuwien.ac.at). Die Forschungsergebnisse fließen dann in komplexe hydrologische Rechenmodelle ein, mit denen der Hochwasserschutz zuverlässiger geplant werden kann [5]. Auch im Bereich der Frühwarnung gibt es neues Know-How. Hochwasservorhersagen werden jetzt zwei Tage oder mehr im Voraus erstellt, etwa für die Donau und Donauzubringer wie den Kamp. Mit hydrologischen Rechenmodellen wird neuerdings auch die dabei erwartete Vorhersageunsicherheit abgeschätzt [6]. Damit können die Verantwortlichen der Einsatzplanung besser das Risikomanagement gestalten.

Ob die nächste Sintflut kommt, kann man zwar wegen der Komplexität der Prozesse nicht über Jahre voraus prognostizieren. Aber die Maßnahmen des integrierten Hochwasserrisikomanagements erlauben eine optimale Vorbereitung auf die Situation, wenn es wirklich zu einem Hochwasser kommt.

Literatur

[1] Gutknecht et al. (2002) Jahrtausend-Hochwasser am Kamp? www.tuwien.ac.at/aktuelles/news_detail/article/3401

[2] Abidin et al. (2001) Land subsidence of Jakarta (Indonesia) and its relation with urban development. Nat. Hazards 59, 1753–1771.

[3] Kohl et al. (2008) Analyse und Modellierung der Waldwirkung auf das Hochwasserereignis im Paznauntal vom August 2005. www.interpraevent.at/palm-cms/upload_files/Publikationen/Tagungsbeitraege/2008_2_505.pdf

[4] Blöschl et al. (2011) Auswirkungen des Klimawandels auf Hochwasser und Niederwasser. Österr. Wasser- und Abfallwirtschaft, 63, (1-2), 21- 30.

[5] Blöschl et al. (2008) Bestimmung von Bemessungshochwässern gegebener Jährlichkeit Wasserwirtschaft, 98 (11), 12-18.

[6] Blöschl et al. (2008) Hydrologische Hochwasservorhersage für den Kamp. Österr. Wasser- und Abfallwirtschaft, 60 (3-4), a13-a18.

 

Anmerkungen der Redaktion:

Zu Günter Blöschl:

Advanced Grant des Europäischen Forschungsrats ERC (2011): Hochwasserforschung

http://www.tuwien.ac.at/aktuelles/news_detail/article/7348/

http://wirtschaftsblatt.at/home/nachrichten/oesterreich/1231580/index

Doktoratkolleg TU Wien: Wasserwirtschaftliche Systeme  (Ausbildung von 70 Doktoranden an der TU Wien):

Standard Interview „Detektivarbeit Hochwasserforschung“ 19.1.2011

Zur European Geosciences Union: www.egu.eu

“EGU, the European Geosciences Union, is Europe’s premier geosciences union, dedicated to the pursuit of excellence in the geosciences and the planetary and space sciences for the benefit of humanity, worldwide. It was established in September 2002 as a merger of the European Geophysical Society (EGS) and the European Union of Geosciences (EUG), and has headquarters in Munich, Germany. It is a non-profit international union of scientists with over 12,500 members from all over the world. Membership is open to individuals who are professionally engaged in or associated with geosciences and planetary and space sciences and related studies, including students and retired seniors.”

Sehr empfehlenswerte website der EGU, u.a. mit:

14 peer-reviewed Open Access journals covering various topics of the Earth, planetary and space sciences

Official YouTube channel: http://www.youtube.com/user/EuroGeosciencesUnion
GeoQ: EGU's quarterly newsletter http://static.egu.eu/static/2272/newsletter/geoq/geoq_04.pdf
Imaggeo: online open-access geosciences image repository of the European Geosciences Union.

Hochwasser auf Youtube, u.a.:
Hochwasser 2005 Paznauntal 4:03 min

Über den Autor:

Univ. Prof. Dr. Günter Blöschl ist Vorstand des Instituts für Wasserbau und Ingenieurhydrologie an der Technischen Universität Wien und Präsident der European Geosciences Union; Details hier.