HydroWarn – Vorhersage- und Frühwarnsystem für Kommunen

HydroWarn – Frühwarnung vor lokalen Extremereignissen und ihren Folgen

Unser Klima hat sich mit dem Ansteigen der mittleren Lufttemperatur in den letzten Jahren bereits spürbar verändert. Extremereignisse wie Sturm, Starkregen, Hitze und Trockenzeiten treten häufiger auf. Kommunen und Regionen sollten diese Entwicklung ernst nehmen, sich klimaresilient weiterentwickeln und die vorhandenen Instrumente der Vorsorge nutzen.

HydroWarn, das lokale Vorhersage- und Warnsystems für Starkregen, Hochwasser und Extremwetterereignisse bietet großes Potenzial zur Verminderung von Schäden. Es wurde von Hydrotec in Zusammenarbeit mit der htw saar entwickelt und ist in drei Pilot-Projekten bereits erfolgreich im Einsatz.

Die Vorhersageplattform wertet per LoRaWAN übertragene Messdaten aus und berechnet mit integrierten hydronumerischen und hydrologischen Modellen prognostizierte Abflüsse. Sie bietet ein leicht verständliches und bedienbares Dashboard und erzeugt Meldungen für digitale und analoge Warnsysteme.

Datenbasis für HydroWarn: Messsysteme und Modelle

HydroWarn ist flexibel anpassbar und kann nach Erfordernis in zwei Stufen betrieben werden.

In der Stufe 1 erfolgen Warnungen allein auf Grundlage von DWD-Daten sowie ggf. bestehender Messsysteme im Einzugsgebiet. Sensoren erfassen bspw. kontinuierlich Niederschlagsdaten bzw. Wasserstände an charakteristischen Punkten im Einzugsgebiet und senden diese Informationen an das Vorhersagesystem.

Dabei spielen Typ und Hersteller des Systems keine Rolle; es muss lediglich eine Fernübertragung der Messwerte möglich sein (per LoRaWAN). Werden die von der Kommune definierten Grenzwerte überschritten, erzeugt HydroWarn eine Alarmierung mit der entsprechenden Warnstufe.

Ergänzend wird in Stufe 2 ein 2D-hydronumerisches Modell des Vorhersagegebiets in das Frühwarnsystem implementiert. Das 2D-Modell (HydroAS) wird dazu mit relevanten Randbedingungen (Vorfeuchte, Landnutzung, Bodentyp etc.) vorgehalten und mit Niederschlägen (Vorhersage oder aktuelle Messwerte) belastet.

Mit jedem Simulationslauf erfolgt eine kontinuierliche Abfrage an virtuellen Pegeln im Einzugsgebiet (den Risikopunkten) bzgl. der definierten Kriterien. Sollten diese überschritten sein, kommt es zur automatischen Auslösung der Warntexte. Die Grundlage für die Ausgabe von Warnungen wird also um 2D-Modellergebnisse ergänzt.

Prinzipiell kann zusätzlich ein Flussmodell zur Abbildung der Gefahren durch fluviale Hochwasser integriert werden, falls sich im Einzugsgebiet solch eine Situation ergibt.

Idealerweise wurde das 2D-Modell für den Abfluss von Niederschlagswasser bereits bei der Erstellung der Gefahrenkarten generiert. Anderenfalls muss dies u. a. anhand von Geländemodellen und Gebäudedaten vorab erfolgen.

Vorhersage- und Warnsystem auf Basis von Delft-FEWS

Die Softwareplattform Delft-FEWS erfüllt ideal alle Voraussetzungen für die kommunale Vorhersage von Starkregen und anderen Wetterextrema. Kontinuierlich werden darin die folgenden Daten abgerufen und verarbeitet:

• DWD-Vorhersagen
• DWD-Messwerte (Radardaten, Stationsdaten)
• Messwerte von Niederschlagsschreibern
• Messwerte von Gewässerpegeln
• …

Delft-FEWS stellt die erfassten Daten in einer Kartenübersicht bzw. als Ganglinien dar. Anhand von Kriterien wie Niederschlagsintensität, Pegelstand etc. definiert die Kommune Warnstufen, zu denen Warnungen ausgegeben werden sollen.

Delft-FEWS gleicht die vorhergesagten/gemessenen Werte kontinuierlich mit den definierten Kriterien ab und versendet bei Überschreiten der Kriterien die festgelegte Warnmeldung.

Das 2D-Simulationsmodell wird in das beschriebene Delft-FEWS integriert. Es berechnet laufend aus den eingehenden Wetterdaten und Messwerten mögliche Starkregenszenarien und die daraus folgenden Überschwemmungen.

Auf einer internen Internetseite kann die Kommune die aktuellen Ergebnisse der Simulationsszenarien dynamisch abrufen wie in einem Dashboard. Die zeitliche Entwicklung des Hochwassers lässt sich darin mit einem integrierten Zeitregler darstellen. Dadurch lässt sich einfach abfragen, welcher Wasserstand etwa in einer Stunde, während der Nacht oder am nächsten Tag zu erwarten ist.

Zusätzlich können darin die aktuellen und vorhergesagten Messwerte grafisch dargestellt werden.

Warnung per App und analog

Die generierte Warnmeldung lässt sich u. a. per Warn-App an die Bürgerinnen und Bürger verteilen, was eine einfache und breite Streuung der Information ermöglicht. Sinnvoll wäre eine Übergabe der Warnmeldetexte an vorhandene Warn-Apps.

Zusätzlich kann die Kommune damit schnell Mitarbeitende und Einsatzkräfte informieren und ggf. analoge Warnsysteme wie Sirenen auslösen.

Warnmeldungen würden generiert bei Überschreitung bestimmter Werte aus dem Messsystem und ergänzend dazu aus den simulierten Werten der Risikopunkte im 2D-Modell.

Validierung und laufende Optimierung des Systems

Während des Aufbaus und der Implementierung wird das System mit synthetisch generierten Datensätzen validiert.

Zu einem späteren Zeitpunkt können die Daten zu abgelaufenen Hochwasserereignissen ausgewertet werden, um die Validierung des Vorhersagesystems zu aktualisieren. Dabei erfolgt ein Vergleich der DWD-Daten (getrennt für Vorhersagedaten und den dann über Radar gemessenen Daten) mit den Messdaten, um den Bedarf für eine Korrektur der DWD-Daten abzuschätzen.

Auf Grundlage der daraus gewonnenen Erfahrungen lassen sich die Kriterien für die Warnstufen sowie der Warnmeldetexte kontinuierlich anpassen, um schließlich ein optimal für die Kommune angepasstes Vorhersagesystem in Betrieb zu halten.